Materiais Semicondutores: Tipos, Grupos e Classificações
Existem muitos tipos diferentes de materiais semicondutores que são frequentemente classificados por seus grupos e outros, mas todos têm propriedades ligeiramente diferentes.
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Nosso tutorial sobre semicondutores Inclui:
O que é um semicondutor | Buracos e elétrons | Materiais semicondutores | Semicondutores compostos | Carboneto de silício, SiC | Nitreto de gálio, GaN
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Existem muitos tipos diferentes de material semicondutor e cada tipo de material semicondutor tem suas próprias propriedades.
Como esses diferentes tipos de semicondutores têm propriedades ligeiramente diferentes, eles se prestam a diferentes aplicações em várias formas de dispositivos semicondutores e componentes eletrônicos.
Alguns podem ser aplicáveis para aplicações de sinal padrão, outros para amplificadores de alta frequência, enquanto outros tipos podem ser aplicáveis para aplicações de energia e ambientes agressivos ou outros para aplicações de emissão de luz – na verdade, há toda uma série de componentes e dispositivos eletrônicos que processam semicondutores. Todas essas diferentes aplicações tendem a utilizar diferentes tipos de materiais semicondutores.
Os materiais semicondutores básicos, como o silício e até mesmo o germânio, são usados há muitos anos e o silício em particular tem sido o esteio da indústria de semicondutores. O silício não é apenas fácil de trabalhar, mas também possui muitas propriedades excelentes que o permitem ser usado em muitos dispositivos semicondutores.
No entanto, muitos materiais, geralmente semicondutores compostos, também estão sendo usados. Estes tendem a se destacar em termos de desempenho em algumas áreas de nicho.
À medida que se desenvolve a tecnologia de fabricação desses novos tipos de semicondutores e eles passam a ser mais utilizados em suas diversas áreas, aumenta a variedade de materiais ou compostos utilizados nos semicondutores.
Tipos/classificações de semicondutores
Existem dois grupos básicos ou classificações que podem ser usados para definir os diferentes tipos de semicondutores:
- Material intrínseco: Um tipo intrínseco de material semicondutor feito para ser quimicamente muito puro. Como resultado, possui um nível de condutividade muito baixo com um número muito pequeno de portadores de carga, ou seja, buracos e elétrons, que possui em quantidades iguais.
- Material extrínseco: Tipos extrínsecos de semicondutores são aqueles em que uma pequena quantidade de impureza foi adicionada ao material intrínseco básico. Essa ‘dopagem’ usa um elemento de um grupo diferente da tabela periódica e, dessa forma, terá mais ou menos elétrons na banda de valência do que o próprio semicondutor. Isso cria um excesso ou escassez de elétrons. Desta forma, dois tipos de semicondutores estão disponíveis: Os elétrons são portadores de carga negativa.
- Tipo N: Um material semicondutor do tipo N tem um excesso de elétrons. Desta forma, os elétrons livres estão disponíveis dentro das redes e seu movimento geral em uma direção sob a influência de uma diferença de potencial resulta em um fluxo de corrente elétrica. Isso em um semicondutor do tipo N, os portadores de carga são elétrons.
- Tipo P: Em um material semicondutor do tipo P há uma escassez de elétrons, ou seja, há ‘buracos’ na rede cristalina. Os elétrons podem se mover de uma posição vazia para outra e, neste caso, pode-se considerar que os buracos estão se movendo. Isso pode acontecer sob a influência de uma diferença de potencial e os orifícios podem ser vistos fluindo em uma direção, resultando em um fluxo de corrente elétrica.Na verdade, é mais difícil para os buracos se moverem do que para os elétrons livres e, portanto, a mobilidade dos buracos é menor do que a dos elétrons livres. Buracos são portadores carregados positivamente.
Grupos de materiais semicondutores
Os materiais semicondutores mais comumente usados são sólidos inorgânicos cristalinos. Esses materiais são frequentemente classificados de acordo com sua posição ou grupo dentro da tabela periódica. Esses grupos são determinados pelos elétrons na órbita externa dos elementos particulares.
Embora a maioria dos materiais semicondutores usados sejam inorgânicos, um número crescente de materiais orgânicos também está sendo investigado e usado.
A seção da tabela periódica de elementos que inclui os materiais semicondutores é dada na imagem abaixo.
Os materiais semicondutores estão presentes em vários grupos diferentes da tabela periódica química. Verificou-se que as propriedades dos diferentes materiais mudam de um grupo para o outro e também como resultado de seus diferentes números atômicos.
Pode-se ver que o silício, que é o material mais amplamente utilizado para a criação de componentes eletrônicos baseados em semicondutores, está no grupo IV, assim como o germânio, que foi o primeiro material amplamente utilizado para transistores e diodos.
No entanto, os materiais semicondutores também podem ser feitos de semicondutores compostos, como arsenieto de gálio GaAs, sulfeto de cádmio CdS, carboneto de silício SiC e muitos mais.
Lista de materiais semicondutores
Existem muitos tipos diferentes de materiais semicondutores que podem ser usados em dispositivos eletrônicos. Cada um tem suas próprias vantagens, desvantagens e áreas onde pode ser usado para oferecer o melhor desempenho.
| RESUMO DOS MATERIAIS COMUNS USADOS EM SEMICONDUTORES | |||
|---|---|---|---|
| MATERIAL | SÍMBOLO /FÓRMULA QUÍMICA | GRUPO | DETALHES |
| Germânio | ge | 4 | Esse tipo de material semicondutor foi usado em muitos dispositivos antigos, desde diodos de detecção de radar até os primeiros transistores. Os diodos mostram uma condutividade reversa mais alta e o coeficiente de temperatura significava que os primeiros transistores poderiam sofrer fuga térmica. Oferece uma melhor mobilidade do portador de carga do que o silício e, portanto, é usado para alguns dispositivos de RF. Não é tão amplamente utilizado hoje em dia quanto os melhores materiais semicondutores disponíveis. |
| Silício | S | 4 | O silício é o tipo de material semicondutor mais utilizado. Sua principal vantagem é que é fácil de fabricar e apresenta boas propriedades elétricas e mecânicas gerais. Outra vantagem é que quando é usado para circuitos integrados forma óxido de silício de alta qualidade que é usado para camadas de isolamento entre diferentes elementos ativos do CI. |
| arsenieto de gálio | GaAs | III-V | O arsenieto de gálio é o segundo tipo de semicondutor mais utilizado depois do silício. É amplamente utilizado em dispositivos de RF de alto desempenho, onde sua alta mobilidade de elétrons é utilizada. Também é usado como substrato para outros semicondutores III-V, por exemplo, InGaAs e GaInNAs. No entanto, é um material frágil e tem uma mobilidade de furos menor que o silício, o que torna inviáveis aplicações como transistores CMOS tipo P. Também é relativamente difícil de fabricar e isso aumenta os custos dos dispositivos GaAs. |
| carboneto de silício | SiC | 4 | O carboneto de silício encontra usos em várias aplicações. É frequentemente usado em dispositivos de energia onde suas perdas são significativamente mais baixas e as temperaturas de operação podem ser mais altas do que as de dispositivos baseados em silício. O carboneto de silício tem uma capacidade de degradação que é cerca de dez vezes superior à do próprio silício. Formas de carboneto de silício eram tipos de material semicondutor que foram usados com algumas formas iniciais de LEDs amarelos e azuis. Consulte Mais informação . . . |
| nitreto de gálio | GaN | III-V | Esse tipo de material semicondutor está começando a ser mais difundido em transistores de micro-ondas, onde são necessárias altas temperaturas e potências. Também está sendo usado em alguns CIs de micro-ondas. GaN é difícil de dopar para dar regiões do tipo p e também é sensível a ESD, mas relativamente insensível à radiação ionizante. Tem sido usado em alguns LEDs azuis. Consulte Mais informação . . . |
| fosfeto de gálio | Brecha | III-V | Este material semicondutor encontrou muitos usos na tecnologia LED. Foi usado em muitos LEDs de baixo a médio brilho, produzindo uma variedade de cores dependentes da adição de outros dopantes. O fosfeto de gálio puro produz uma luz verde, dopado com nitrogênio, emite verde-amarelo, dopado com ZnO, emite vermelho. |
| sulfeto de cádmio | CdS | II-VI | Usado em fotoresistores e também em células solares. |
| Sulfeto de chumbo | PbS | IV-VI | Usado como o mineral galena, este material semicondutor foi usado nos primeiros detectores de rádio conhecidos como ‘Cat’s Whiskers’, onde um ponto de contato foi feito com o fio de estanho na galena para fornecer retificação dos sinais. |
Facilidade de processamento e custo
Ao selecionar um material para uso em um dispositivo semicondutor ou componente eletrônico, há uma série de considerações. Uma delas é a facilidade com que o material pode ser processado.
O silício tem a vantagem de não apenas estar amplamente disponível, mas também ser fácil de processar. É fácil cultivar os cristais de silício de forma que possam ser cortados ou fatiados em wafers e depois processados em quaisquer componentes eletrônicos necessários.
Como resultado disso, os processos de silício são relativamente baratos (quando comparados ao processamento de outros materiais) e o silício também é aplicável a muitos dispositivos – é o semicondutor ideal para muitos dispositivos. Isso tudo significa que os processos foram aprimorados e há muita capacidade disponível para eles.
Outros materiais podem não ser tão fáceis de manusear, mesmo que tenham um bom desempenho em uma área e sejam ideais para muitas áreas de design de circuitos eletrônicos, etc.
Um desses materiais é o Arsenieto de Gálio. Isso obviamente tem problemas com o manuseio das matérias-primas, pois o arsênico é altamente tóxico. No entanto, o material de arsenieto de gálio também não é fácil de manusear.
O resultado geral é que os custos de processamento serão muito maiores para dispositivos de arsenieto de gálio como GaAs FETs e similares. No entanto, as vantagens de desempenho podem significar que os custos adicionais são justificados.
Isso significa que haverá um equilíbrio entre desempenho e custo. Em alguns casos, pode não haver outra maneira de obter o desempenho necessário e, portanto, os custos adicionais precisarão ser suportados, mas em outros pode haver um equilíbrio custo/desempenho a ser feito ao considerar dispositivos para um projeto de circuito eletrônico.
Existem muitos materiais diferentes que podem ser usados em dispositivos semicondutores. A variedade de componentes eletrônicos que usam semicondutores atualmente é enorme e, embora o silício seja de longe o mais amplamente usado, muitos outros materiais semicondutores estão sendo usados. Eles são usados porque seu desempenho é excelente em uma área ou outra, permitindo que o desempenho de vários componentes eletrônicos seja melhorado em uma área ou outra em relação ao silício.
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