Química de Materiais Semicondutores

A química de materiais semicondutores estuda os sólidos cuja condutividade se situa entre a dos metais e a dos isolantes e pode ser precisamente controlada pela composição e dopagem, fornecendo os materiais a partir dos quais são construídos os dispositivos eletrónicos e optoeletrónicos.

Definition

Um semicondutor é um sólido com um band gap modesto cuja condutividade elétrica pode ser controlada em muitas ordens de magnitude pela temperatura e, especialmente, pela dopagem; a química de materiais semicondutores estuda a composição, os defeitos e a preparação de tais sólidos.

Scope

Este tópico abrange a química dos sólidos semicondutores: o band gap que define um semicondutor, a condução intrínseca versus extrínseca, e a dopagem de semicondutores elementares como o silício e o germânio com doadores e aceitadores. Estende-se aos semicondutores compostos — as famílias III-V e II-VI — cujos gaps diretos ajustáveis são adequados para a emissão de luz, e aos métodos de purificação, crescimento de cristais e deposição de filmes finos que produzem material de grau de dispositivo.

Core questions

• Qual faixa de band gap define um semicondutor?
• Como os dopantes doadores e aceitadores controlam a condutividade e o tipo de portador?
• Como os semicondutores compostos ampliam a gama de band gaps disponíveis?
• Como o material semicondutor de grau de dispositivo é purificado e cultivado?

Key concepts

• Band gap
• Semicondutores intrínsecos e extrínsecos
• Dopagem doadora e aceitadora
• Compostos III-V e II-VI
• Gaps diretos e indiretos
• Crescimento e purificação de cristais

Key theories

Condução intrínseca e extrínseca

Num semicondutor intrínseco, a condução depende de pares eletrão-lacuna gerados termicamente através do gap; a dopagem com átomos doadores ou aceitadores adiciona estados rasos que fornecem portadores de um sinal escolhido, tornando a condutividade controlável pela composição.

Semicondutores compostos e engenharia de band gap

A combinação de elementos dos grupos III e V ou II e VI produz semicondutores cujo band gap e se é direto ou indireto podem ser ajustados pela composição, permitindo o design de materiais adaptados a funções eletrónicas e de emissão de luz específicas.

Mechanisms

Os dopantes doadores colocam eletrões logo abaixo da banda de condução e os aceitadores colocam lacunas logo acima da banda de valência, de modo que uma energia térmica modesta os ioniza e fixa a concentração de portadores; a recombinação de portadores através de um gap direto emite luz, a base das fontes de luz semicondutoras.

Clinical relevance

Os materiais semicondutores são a base da microeletrónica e optoeletrónica: o silício dopado fabrica transístores e circuitos integrados, os semicondutores compostos fabricam díodos emissores de luz, díodos laser e fotodetectores, e a pureza e perfeição cristalina alcançadas por uma química cuidadosa determinam o desempenho do dispositivo.

History

A compreensão dos semicondutores cristalizou-se em torno da invenção do transístor em 1947, que mostrou que a dopagem controlada de silício e germânio poderia criar um dispositivo comutável e amplificador. O desenvolvimento do refino por zona e do crescimento de monocristais forneceu então material ultrapuro, e os semicondutores compostos estenderam o campo para a emissão de luz e eletrónica de alta velocidade.

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

Como a dopagem transforma um cristal com aparência isolante num condutor útil?

Adicionar uma quantidade minúscula de um elemento com um eletrão de valência a mais ou a menos do que o hospedeiro introduz níveis de energia rasos perto das bordas da banda. Estes libertam eletrões ou lacunas que são facilmente ativados, aumentando a condutividade em ordens de magnitude e definindo se a condução é por portadores negativos ou positivos.

Por que os dispositivos emissores de luz usam semicondutores compostos em vez de silício?

O silício tem um band gap indireto, então a recombinação eletrão-lacuna raramente emite um fotão. Muitos semicondutores compostos têm gaps diretos, onde a recombinação produz luz eficientemente, tornando-os os materiais preferidos para díodos emissores de luz e díodos laser.