Dispositivo semicondutor, componente de circuito eletrônico feito de um material que não é um bom condutor nem um bom isolante (daí o semicondutor). Esses dispositivos encontraram aplicações amplas devido à sua compacidade, confiabilidade e baixo custo. Como componentes discretos, eles encontraram uso em dispositivos de energia, sensores ópticos e emissores de luz, incluindo lasers de estado sólido. Eles têm uma ampla variedade de recursos de manipulação de corrente e tensão, com classificações de corrente de algumas nanoamperes (10 −9ampere) a mais de 5.000 amperes e classificações de tensão acima de 100.000 volts. Mais importante, os dispositivos semicondutores se prestam à integração em circuitos microeletrônicos complexos, mas de fácil manufatura. Eles são e serão no futuro previsível os elementos-chave para a maioria dos sistemas eletrônicos, incluindo equipamentos de comunicação, consumidor, processamento de dados e controle industrial.
Princípios de semicondutores e junções
Materiais semicondutores
Os materiais de estado sólido são geralmente agrupados em três classes: isoladores, semicondutores e condutores. (A baixas temperaturas, alguns condutores, semicondutores e isoladores podem se tornar supercondutores.) A Figura 1 mostra as condutividades σ (e as correspondentes resistividades ρ = 1 / σ) associadas a alguns materiais importantes em cada uma das três classes. Isoladores, tais como quartzo e vidro, têm condutividades muito baixas, da ordem de 10 -18 a 10 -10 siemens por centímetro; e condutores, como o alumínio, têm altas condutividades, normalmente de 10 4 a 10 6 siemens por centímetro. As condutividades dos semicondutores estão entre esses extremos.
A condutividade de um semicondutor é geralmente sensível à temperatura, iluminação, campos magnéticos e quantidades mínimas de átomos de impureza. Por exemplo, a adição de menos de 0,01% de um tipo específico de impureza pode aumentar a condutividade elétrica de um semicondutor em quatro ou mais ordens de magnitude (ou seja, 10.000 vezes). As faixas de condutividade de semicondutores devido a átomos de impureza para cinco semicondutores comuns são dadas na Figura 1.
O estudo de materiais semicondutores começou no início do século XIX. Ao longo dos anos, muitos semicondutores foram investigados. A tabela mostra uma parte da tabela periódica relacionada a semicondutores. Os semicondutores elementares são aqueles compostos por espécies únicas de átomos, como silício (Si), germânio (Ge) e estanho cinza (Sn) na coluna IV e selênio (Se) e telúrio (Te) na coluna VI. Existem, no entanto, numerosos semicondutores compostos que são compostos de dois ou mais elementos. O arseneto de gálio (GaAs), por exemplo, é um composto binário III-V, que é uma combinação de gálio (Ga) da coluna III e arsênico (As) da coluna V.
Parte da tabela periódica de elementos relacionados a semicondutores
| período | coluna | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boro
B |
carbono
C |
nitrogênio
N |
||
| 3 |
Mg de magnésio |
Al de alumínio |
silício
Si |
fósforo
P |
enxofre
S |
| 4 | zinco
zinco |
gálio
Ga |
germânio
Ge |
arsênico
como |
selênio
Se |
| 5 |
Cd de cádmio |
índio
em |
Sn estanho |
antimônio
Sb |
telúrio
Te |
| 6 | mercúrio
Hg |
Pb de chumbo |
|||
Os compostos ternários podem ser formados por elementos de três colunas diferentes, como, por exemplo, telureto de mercúrio e índio (HgIn 2 Te 4), um composto II-III-VI. Eles também podem ser formados por elementos de duas colunas, como o arseneto de alumínio e gálio (Al x Ga 1 - x As), que é um composto ternário III-V, onde Al e Ga são da coluna III e o subscrito x está relacionado para a composição dos dois elementos de 100% de Al (x = 1) a 100% de Ga (x = 0). O silício puro é o material mais importante para a aplicação de circuitos integrados, e os compostos binários e ternários III-V são mais significativos para a emissão de luz.
Antes da invenção do transistor bipolar em 1947, os semicondutores eram usados apenas como dispositivos de dois terminais, como retificadores e fotodiodos. Durante o início dos anos 50, o germânio era o principal material semicondutor. No entanto, mostrou-se inadequado para muitas aplicações, porque os dispositivos feitos com o material exibiam altas correntes de fuga a temperaturas apenas moderadamente elevadas. Desde o início dos anos 60, o silício se tornou um substituto prático, praticamente substituindo o germânio como material para a fabricação de semicondutores. As principais razões para isso são duas: (1) os dispositivos de silício exibem correntes de fuga muito mais baixas e (2) o dióxido de silício de alta qualidade (SiO 2), que é um isolador, é fácil de produzir. Agora, a tecnologia de silício é de longe a mais avançada entre todas as tecnologias de semicondutores, e os dispositivos baseados em silício constituem mais de 95% de todo o hardware de semicondutores vendido no mundo inteiro.
Muitos dos semicondutores compostos possuem propriedades elétricas e ópticas ausentes no silício. Esses semicondutores, especialmente o arseneto de gálio, são usados principalmente para aplicações de alta velocidade e optoeletrônicas.
