Tudo sobre um semicondutor

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2024-03-20 2515

Os semicondutores têm sido uma indústria chave para o desenvolvimento nacional nos últimos anos. Então o que exatamente são semicondutores?

Na vida diária, todos os objetos podem ser classificados aproximadamente pela sua condutividade elétrica em três categorias: condutores, semicondutores e isolantes.

Isso é fácil de entender; objetos conduzem eletricidade, não conduzem eletricidade ou conduzem um pouco. São precisamente esses materiais que são ambíguos e exibem condutividade parcial que proporcionam aos físicos diferentes oportunidades de exploração.

Materiais puramente condutores ou não condutores não são muito significativos; são as substâncias cuja condutividade muda sob diferentes condições que são interessantes.

Vamos dar uma olhada na condutividade elétrica dos materiais por meio de um diagrama para uma compreensão mais intuitiva.

De acordo com sua condutividade elétrica:

Isoladores: com baixa condutividade elétrica, variando aproximadamente de 20^-18S/cm a 10^-8S/cm, como quartzo fundido e vidro.

Condutores: com maior condutividade elétrica, variando de 10^4S/cm a 10^6S/cm, como metais como alumínio e prata.

Semicondutores: com condutividade elétrica situada entre isoladores e condutores.

Semicondutores elementares comuns encontrados na natureza incluem silício e germânio. Diz-se que os semicondutores baseados em germânio foram descobertos e usados ainda antes dos baseados em silício, mas a vantagem natural do silício é a sua acessibilidade. A areia comum na natureza contém uma grande quantidade de silício, você sabe!

Embora exista muita areia sílica na natureza, ela contém muitas impurezas e defeitos, por isso não pode ser usada diretamente e precisa ser refinada.

Como podemos refiná-lo? Em uma palavra – queime!

Assim como aprendemos na química do ensino médio, realizamos reações de oxidação-redução.

SiC + SiO2 → Si (sólido) + SiO2 (gás) + CO (gás)
Si (sólido) + 3HC → SiHCl3 (gás) + H2 (gás)
SiHCl3 (gás) + H2 (gás) → Si (sólido) + 3HCl (gás)

Após três reações químicas em alta temperatura, obtemos silício sólido, mas neste ponto o silício é policristalino.

O que é silício policristalino?

Assim como quando descascamos uma laranja, dentro dela existem muitos segmentos (segmentos policristalinos), e cada segmento tem um sabor diferente (orientação do cristal). Precisamos selecionar o segmento mais saboroso e deixá-lo crescer por conta própria!

Como fazer um pequeno cristal crescer individualmente?

Os físicos são realmente inteligentes, inventando um método para cultivar cristais únicos chamado método Czochralski, possivelmente em homenagem ao cientista que o desenvolveu.

Existe também um termo intuitivo na indústria para este processo, conhecido como método Bridgman!

Porque ao cultivar monocristais, é como puxar os pequenos cristais para cima! A velocidade de tração é um pouco lenta. Dê uma olhada neste dispositivo:

A haste cilíndrica azul na imagem é um silício monocristalino. Durante o processo de extração, ele gira enquanto é puxado para cima, resultando em um lingote cilíndrico cultivado pelo método Bridgman.

O lingote cultivado é então cortado em pedaços em forma de disco por meio de lâminas mecânicas, formando o que chamamos de wafers.

Esse processo lhe parece familiar?

É assim que os wafers são produzidos.

Embora agora tenhamos os wafers, neste estágio, as propriedades eletroquímicas do silício monocristalino não são suficientes para uso direto na fabricação de chips. Os engenheiros então trabalham na modificação das propriedades eletroquímicas do silício monocristalino.

Como eles modificam o silício monocristalino?

Primeiro, vamos nos aprofundar na compreensão do elemento silício. Na tabela periódica, o silício ocupa a 14ª posição. Um átomo de silício possui quatro elétrons em sua camada externa, que compartilha com quatro átomos vizinhos, formando quatro pares de elétrons compartilhados. Esta estrutura de pares de elétrons compartilhados é conhecida como ligação covalente. Cada par de elétrons forma uma ligação covalente.

Você pode ter aprendido sobre essa parte na química do ensino médio. Vamos dar uma olhada em uma imagem para uma compreensão mais visual:

A imagem da esquerda mostra a estrutura cristalina do silício monocristalino, que se assemelha à estrutura de um cristal de diamante. À direita, temos uma representação de átomos de silício compartilhando elétrons, com um átomo de silício no centro compartilhando elétrons com quatro átomos de silício “irmãos”.

Um dia, um físico teve uma ideia repentina: e se o silício não compartilhasse elétrons com seus átomos “irmãos” e convidasse outros “irmãos” para o grupo?

Um dia, o físico convidou Arsênico para se juntar ao grupo, e então aconteceu um milagre:

O “irmão” do arsênico tem 5 elétrons em sua camada externa, com 4 elétrons formando ligações com átomos de silício, deixando um elétron desemparelhado. Este elétron desemparelhado torna-se um agente livre, vagando e alterando a condutividade do silício devido à sua carga.

Ao fornecer um elétron extra à família do silício, o átomo de arsênico é conhecido como doador.

Com o aumento dos elétrons livres na família do silício, os portadores carregados negativamente aumentam, transformando o silício em um semicondutor do tipo n.

Por que é chamado de "tipo N"? Em inglês, “Negative” representa negativo. Pegar a primeira letra desta palavra nos dá N.

Da mesma forma, o físico pensou: se pudermos introduzir átomos de arsênico com elétrons extras, poderemos também convidar átomos de boro com menos elétrons para o grupo? Então o físico decidiu incluir átomos de boro na mistura para ver o que acontecia.

Devido ao átomo de boro ter apenas 3 elétrons em sua camada externa, um a menos que o silício, cada ligação covalente que originalmente tinha 2 pares de elétrons agora consiste em apenas um par, deixando para trás uma lacuna – um buraco carregado positivamente.

Neste ponto, o semicondutor baseado em silício é conhecido como semicondutor tipo p. Da mesma forma, “P” vem da primeira letra da palavra inglesa “Positivo”, e o átomo de boro é conhecido como aceitador.

É a introdução de diferentes átomos no silício monocristalino que resulta na formação de semicondutores do tipo N e do tipo P.

Quando temos silício monocristalino e podemos encontrar uma maneira de oxidar sua superfície em dióxido de silício, o dióxido de silício pode servir como isolante para muitas estruturas de dispositivos ou atuar como uma camada de barreira durante processos de fabricação de dispositivos, como difusão ou implantação iônica.

No processo de fabricação de uma junção pn, uma fina camada de dióxido de silício pode ser utilizada para definir a região da junção.

Dê uma olhada neste diagrama esquemático: (a) mostra um wafer de silício descoberto, pronto para a etapa de oxidação, enquanto (b) representa apenas a camada superior do wafer oxidado.

Com o conhecimento teórico dos semicondutores do tipo P e do tipo N, podemos dar um passo adiante e modificar a superfície do dióxido de silício para criar padrões desejados, como desenhar um gato ou uma flor.

O método para modificar a superfície do wafer é chamado de fotolitografia!

Mas a fotolitografia não requer equipamento avançado? Ouvi dizer que essas máquinas são realmente impressionantes... Vamos primeiro entender o princípio da fotolitografia:

Usando um revestidor giratório de alta velocidade, uma camada de material sensível à luz ultravioleta (UV) chamada fotorresiste é girada na superfície do chip. Após a retirada do chip do spinner, ele é cozido a uma temperatura entre 80°C e 100°C para eliminar o solvente do fotorresistente e endurecê-lo, aumentando sua adesão ao chip.

Em seguida, uma fonte de luz UV é usada para expor o chip através de uma máscara padronizada. Em seguida, o ácido fluorídrico tamponado é usado como um agente de ataque ácido para remover a superfície desprotegida do dióxido de silício. Finalmente, o fotorresistente é removido usando um solvente químico ou um sistema de cinzas de plasma.

Dê uma olhada no diagrama esquemático: Apenas (a) é mostrado.

O processo é semelhante ao de fazer um selo. Primeiro, um modelo é pintado em uma pedra com pigmento e depois é esculpido de acordo com as dimensões do modelo. É essencialmente o mesmo princípio.

Assim como as vedações podem ter designs elevados ou rebaixados, os wafers também podem ser tratados de forma semelhante. Dependendo da escolha do fotorresistente, seja positivo ou negativo, podem-se obter padrões elevados (positivos) e rebaixados (negativos). Os fotorresistentes usados são chamados de resistência positiva e resistência negativa.

Após a fotolitografia, a superfície do silício é exposta ao ambiente externo. Os físicos então introduzem outros elementos nesta superfície de silício através de um processo conhecido como implantação iônica.

Quando os íons boro (B) ou arsênio (As) são implantados, eles alteram as propriedades tradicionais do silício, alterando suas características eletroquímicas. Neste ponto, o semicondutor é denominado semicondutor extrínseco.

A junção formada pelo contato entre semicondutores do tipo P e do tipo N é chamada de junção pn!

Depois de concluída a dopagem, são feitos esforços para extrair o desempenho deste semicondutor. Isto envolve a metalização da superfície semicondutora, com etapas que incluem contato ôhmico e interconexão concluídas no processo de metalização subsequente. Filmes finos de metal podem ser formados usando deposição física de vapor (PVD) ou deposição química de vapor (CVD).

Com a conclusão da metalização, a junção pn agora pode funcionar!

Isso é tudo para o conhecimento básico de semicondutores!

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