Tal como acontece com qualquer indústria produtiva, o setor eletrónico está em constante evolução e avanço. Atualmente, uma das maiores tendências é a miniaturização à medida que cresce a demanda por componentes menores e mais leves, principalmente no mercado de PCBs.
A tecnologia de semicondutores também diminuiu de tamanho, levando à miniaturização e integração de circuitos. Agora, com exceção dos indutores e de alguns componentes passivos, é possível fabricar a maioria dos dispositivos eletrônicos em um único chip de silício.
O silício é o material semicondutor mais comum usado na fabricação de circuitos integrados (CI), embora não seja o único. Vamos investigar os diferentes materiais semicondutores usados na fabricação de IC e investigar por que o silício ainda domina a indústria de semicondutores.
Materiais
Dispositivos de estado sólido são construídos usando um tipo de material semicondutor, por meio do qual a eletricidade pode fluir. Os semicondutores têm uma condutividade elétrica (10-7 a 10-13 mho/m) que está entre um bom condutor (> 10-7 mho/m) e um isolante (< 10-13 mho/m).
Os materiais semicondutores são um único cristal ou um composto.
Exemplos de semicondutores de cristal:
- Silício (Si)
- Germânio (Ge)
Exemplos de semicondutores compostos:
- Arseneto de gálio (GaAs)
- Nitreto de gálio (GaN)
- Fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP)
- Sulfeto de cádmio (CdS)
- Sulfeto de chumbo (PbS)
- Carboneto de silício (SiC)
Originalmente, os dispositivos de estado sólido eram fabricados com germânio, mas sua forte sensibilidade à temperatura era uma desvantagem. À medida que as técnicas de fabricação melhoraram, o uso do silício tornou-se gradualmente popular devido à sua estabilidade térmica e disponibilidade.
À medida que o enfoque electrónico avançou da comutação e controlo para a computação e comunicação, a procura por dispositivos de alta velocidade aumentou. Como resultado, o arsenieto de gálio foi considerado ideal, pois oferece uma taxa de transistor cinco vezes mais rápida do que a de silício.
O silício continua sendo o material semicondutor mais utilizado, no entanto, o arsenieto de germânio é usado exclusivamente para projetos de integração de alta velocidade e em grande escala (VLSI). O germânio também ainda é usado para certas aplicações.
Este trio – silício, germânio e arsenieto de gálio – são os materiais semicondutores mais comumente usados. Outros ainda podem ser usados, mas apenas para montagens ou propósitos específicos.
Fabricação de CI
Existem razões pelas quais materiais semicondutores são usados na fabricação de CIs eletrônicos. Por um lado, tais materiais (incluindo silício, germânio e gálio) oferecem uma estrutura cristalina devido à ligação covalente entre os seus átomos.
Essas ligações covalentes são formadas por meio de elétrons de valência compartilhados (que são os elétrons da camada mais externa) com os átomos adjacentes. Devido à abundância de calor e luz ambiente, muitos desses elétrons ganham energia cinética suficiente para se moverem livremente por todo o material. Na verdade, costuma-se dizer que os elétrons se movem da banda de energia de valência para a banda de energia de condução.
Como os elétrons dentro do material são tecnicamente “livres”, eles podem ser apontados em uma determinada direção com a aplicação de um campo elétrico ou tensão externa.
Para garantir as propriedades elétricas e físicas ideais, os materiais semicondutores são normalmente refinados até sua forma mais pura – e, como tal, são rotulados como materiais intrínsecos. A tecnologia tornou possível obter apenas um átomo de impureza em 10 bilhões dentro de um cristal intrínseco e refinado.
O que é interessante sobre esses materiais semicondutores intrínsecos é que sua condutividade e propriedades elétricas podem ser facilmente alteradas e controladas pela adição de átomos de impureza à sua estrutura de rede. Por exemplo, a adição de apenas um átomo de impureza por 10 milhões de átomos pode alterar drasticamente a sua condutividade.
Este processo é denominado dopagem e, posteriormente, um material semicondutor é denominado material extrínseco. Existem dois tipos de materiais extrínsecos: tipo n e tipo p. O silício e o germânio são tetravalentes, o que significa que têm valência quatro. Para o arsenieto de gálio, o gálio é trivalente e o arsenieto é pentavalente (uma valência de cinco).
Independentemente do número de elétrons de valência, é importante notar que o silício, o germânio e o arsenieto de gálio têm uma estrutura cristalina devido à ligação covalente.
Agora, quando uma impureza pentavalente como arsênico, fósforo ou antimônio é adicionada a um semicondutor intrínseco, ele se torna um material extrínseco do tipo n. Os átomos pentavalentes dão um elétron extra ao cristal, que atua como portador de carga livre.
Impurezas difusas com cinco elétrons de valência são chamadas de átomos doadores. A difusão de átomos de impureza não altera a carga elétrica geral do material, pois o número de elétrons permanece o mesmo que a carga positiva nos núcleos. Em vez disso, os átomos de impureza produzem outra banda de energia discreta entre a banda de valência e a banda de condução. Isso é chamado de nível de doador.
Se for adicionado apenas um átomo de impureza em 10 milhões de átomos de material intrínseco – que inicialmente tinha apenas um átomo de impureza em 10 mil milhões de átomos – a concentração de portadores de carga livre é alterada por um factor de 1.000.
Da mesma forma, o material do tipo p é produzido pela adição de impurezas trivalentes, como gálio, boro ou índio, a um material intrínseco. As impurezas trivalentes têm um elétron insuficiente para completar completamente a ligação covalente na nova estrutura cristalina. Essa vaga atua como uma carga positiva e é chamada de buraco. Os elétrons livres no material extrínseco do tipo p preencherão continuamente uma ou outra lacuna, sempre deixando uma lacuna.
Quando um campo elétrico externo é aplicado a um material tipo n ou tipo p, elétrons e buracos presentes como portadores de carga livre são movidos pela direção do campo e resultando na condução da corrente elétrica.
Essa corrente elétrica é o resultado do movimento dos elétrons e buracos. Nos materiais do tipo n, os elétrons são portadores com carga majoritária, enquanto os buracos são os portadores com carga minoritária. No material tipo p, é invertido. As lacunas são os portadores com carga majoritária, enquanto os elétrons são os portadores com carga minoritária.
Dispositivos eletrônicos de estado sólido são construídos com materiais do tipo p e do tipo n. Muito parecido com um diodo, um tipo n e um tipo p do material são imprensados para formar uma junção com a condução de corrente entre os dois terminais. Em um transistor, dois tipos p e um tipo n, ou um tipo p e dois tipos n são imprensados para formar duas junções entre eles – e a condução da corrente flui através de três terminais.
Isso é semelhante ao modo como todos os outros dispositivos de estado sólido são fabricados.
Comparações de materiais
Conforme mencionado, o silício, o germânio e o arsenieto de gálio são atualmente os semicondutores intrínsecos mais amplamente utilizados para a fabricação de CIs.
Os elétrons livres no material intrínseco são chamados de portadores intrínsecos e são os seguintes para esses materiais (por centímetro cúbico):
- Silício: 1,5*1010
- Germânio: 2,5*1013
- Arseneto de gálio: 1,7*106
Outro fator importante é a mobilidade relativa dos transportadores intrínsecos, uma vez que a capacidade dos transportadores livres de se moverem através do material é determinada por ela. Por definição, mobilidade relativa é a velocidade média do portador de carga quando sujeito a um campo elétrico. É medido em metros por segundo dividido por volts por metro.
A mobilidade relativa para estes materiais é a seguinte:
- Silício: 1500 cm2/Vs
- Germânio: 3900 cm2/Vs
- Arseneto de gálio: 8500 cm2/Vs
Você notará que o arsenieto de gálio tem o menor número de portadores intrínsecos, mas a maior mobilidade relativa, e é por isso que os dispositivos feitos com GaAs oferecem a maior velocidade de resposta.
As propriedades elétricas dos materiais semicondutores dependem do número de portadores livres e da sua mobilidade relativa. Além disso, o comportamento térmico e óptico dos materiais semicondutores depende em grande parte da lacuna entre as suas bandas de valência e de condução.
Os semicondutores têm um coeficiente de resistência de temperatura negativo, enquanto os condutores têm um coeficiente de resistência de temperatura positivo. Quanto menor for o gap, menor será a estabilidade térmica do material.
O band gap é medido em elétron-volts da seguinte forma:
- Silício: 1,14 eV
- Germânio: 0,67 eV
- Arseneto de gálio: 1,43 eV
O germânio não é muito estável termicamente devido ao seu menor gap. É por isso que normalmente é selecionado para uso em dispositivos sensíveis ao calor e à luz.
Quanto maior o gap, mais estável termicamente é o material – o que significa que também é mais provável que emita energia na forma de luz em vez de calor. Por esta razão, o GaAs é frequentemente usado no projeto de diodos emissores de luz.
Materiais termicamente estáveis também são mais adequados para aplicações de computação e comunicação.
Opções de silício
Os wafers de silício ainda são o material mais comumente usado na fabricação de CI. Existem três razões principais para isso.
1. O silício é abundante e facilmente obtido. Além do mais, o processo de refino do silício melhorou drasticamente nas últimas décadas, de modo que é possível obter silício intrínseco com níveis de pureza extremamente altos em comparação com outros materiais semicondutores.
2. As aplicações eletrônicas modernas baseiam-se em computação e comunicação, e não em comutação e controle. Essas aplicações exigem que os circuitos sejam termicamente estáveis, o que significa que o silício (com um intervalo de banda de 1,14 eV) é uma combinação ideal, especialmente em comparação com outros semicondutores compostos.
3. O silício tem uma história. O primeiro transistor de silício foi projetado em 1954, então os projetistas de chips estão familiarizados com ele e desenvolveram designs de chips e redes de silício altamente eficientes ao longo dos anos. É também por isso que é mais econômico projetar um circuito integrado em um substrato de silício em comparação com qualquer outro material semicondutor.
Eventualmente, o arsenieto de gálio poderá substituir totalmente o silício e atualmente serve como uma alternativa para projetos VLSI e ULSI. Os GaAs oferecem velocidades cinco vezes maiores que os circuitos de silício, portanto, à medida que a demanda por circuitos de alta velocidade se intensifica, pode se tornar mais atraente.
Isto é particularmente verdadeiro à medida que a tecnologia e os designs de rede evoluem – o que, se o passado for uma indicação do futuro, é apenas uma questão de tempo.