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FACULDADE POLITÉCNICA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA ELÉTRICA
CARACTERÍSTICAS, OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DO SEMICONDUTOR ARSENETO DE GÁLIO Adauto Hanaoka Bruno Giacomine Hugo Gomes Jean C. Ribeiro José A. Lopes José R. Barbosa Luciano Correia
Jundiaí 2007
RA 0603498 RA 0506613 RA 0500005 RA 0500415 RA 0530027 RA 0300560 RA 0590057
FACULDADE POLITÉCNICA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA ELÉTRICA
CARACTERÍSTICAS, OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DO SEMICONDUTOR ARSENETO DE GALIO Monografia apresentada à Faculdade Politécnica de Jundiaí, com exigência para a composição do seminário e conclusão do Crédito de Materiais Elétricos. Orientador: Prof. Msc Eberval Castro Orientandos: Adauto Hanaoka Bruno Giacomine Hugo Gomes Jean C. Ribeiro José A. Lopes José R. Barbosa Luciano Correia
RA 0603498 RA 0506613 RA 0500005 RA 0500415 RA 0530027 RA 0300560 RA 0590057
Jundiaí 2007 2
FACULDADE POLITÉCNICA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA ELÉTRICA
CARACTERÍSTICAS, OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DO SEMICONDUTOR ARSENETO DE GALIO Monografia apresentada para a composição do seminário e conclusão do Crédito de Materiais Elétricos. Orientandos: Adauto Hanaoka Bruno Giacomine Hugo Gomes Jean C. Ribeiro José A. Lopes José R. Barbosa Luciano Correia
RA 0603498 RA 0506613 RA 0500005 RA 0500415 RA 0530027 RA 0300560 RA 0590057
Orientador: Prof. Msc. Eberval Castro
Jundiaí, 21 de Maio de 2007 3
RESUMO
Esta pesquisa descreve características, meios de obtenção e aplicações do Arseneto de Gálio. Frente ao seu comportamento particular como semicondutor, evidencia uma tendência em substituir os atuais semicondutores Germânio e Silício pelo Arseneto de Gálio, aumentando a performance de componentes eletrônicos e melhorando a aplicação de produtos da área médica, militar e energia.
Palavras-chave: ARSENETO DE GÁLIO, GaAs, SEMICONDUTORES.
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ABSTRACT This research to describe characteristics, obtain method, and application to Arsenide Galium. Forward in your particular reaction like semiconductor, show a tendency in to change the actual Germanium and Silicium semiconductor to Arsenide Galuim, increase electronic device performance and improving medical, army and power device application.
Word key: GALIUM ARSENIDE, GaAs, SEMICONDUCTOR.
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LISTA DE SIGLAS
GaAs-
Arseneto de Gálio
FET-
Field Effect Transistor
FM-
Freqüência Modulada
MIT
Massachussets Institute Technology
LED
Light Emition Diode
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
TAC
Tomografia Axial Computadorizada
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LISTA DE FIGURAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Estrutura cristalina do arseneto de gálio. GaAs com a visualização conforme Lattice e representação das bases. Representação vetorial conforme Lattice. Formação de plano de face. Formação de plano diagonal. Formação de plano prismático. Peso atômico e eletro negatividade. Formação planar do GaAs em relação aos átomos de Ge. Esquemático do experimento de refração dos cristais de GaAs. Esquema entre salto de átomos formando um plano geométrico estável. Esquema da ´bomba de elétrons`. Esquemático sobre a transferência de elétrons. Esquemático sobre a portabilidade de cargas Esquemático da ação FET sobre GaAs. Esquemático do efeito mesa sobre o GaAs. Efeito spin e da ´bomba` de elétrons em fonte DC e a troca de fase entre as barreiras. Esquemático de fabricação para promoção do efeito da bomba de elétrons. Relação de transformação entre foton e potencial. Esquemático para a produção do GaAs. Lâmina de microscópio de varredura da deposição de GaAs. Variados tipos de montagem por deposição de GaAs.
v x
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LISTA DE GRÁFICOS 1 2 3
Curva do calor específico x aumento de temperatura. Gráfico conversão corrente x potência dissipada e comprimento de onda. Gráfico de conversão mV x comprimento de onda do fóton.
w
8
LISTA DE TABELAS 1 2 3 4 5
Intensidades calculadas por diferentes linhas de refração. Intensidades calculadas por diferentes linhas de refração entre GaAs e Si. Comparação experimental entre GaAs e Si. Constantes eláticas para o GaAs para temperaturas T=77K e 300K. Posições dos átomos de Ga e seu vizinho átomo de As, como átomo de origem.
x
x
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SUMÁRIO INTRODUÇÃO 1. COMPOSIÇÃO DO ARSENETO DE GALIO 1.1 Características do arsênio 1.2 Aplicações do arsênio 1.3 Abundância e obtenção do arsênio 1.4 Características do gálio 1.5 Aplicações do galio 1.6 Abundância e obtenção do gálio 2. CARACTERÍTICAS DO ARSENETO DE GALIO 2.1 Estrutura cristalina do arseneto de gálio (GaAs) 2.2 Aplicação do GaAs como refrator de ondas 2.3 Aplicação do GaAs como formador de lacunas e barreiras 2.4 Estabilidade térmica do GaAs 3. APLICAÇÕES DO ARSENETO DE GALIO 3.1 Bandas portadoras de energia 3.2 GaAs e a spintrônica 3.3 Aplicação do GaAs em fotodiodos e lasers 4. PRODUÇÃO DO ARESENETO DE GALIO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS
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INTRODUÇÃO
Desde a descoberta das propriedades dos semicondutores e sua aplicação em componentes eletrônicos, a vida do homem moderno foi e ainda continua sendo alvo de inúmeras inovações, visando sempre viabilizar conforto e bem estar. Com a criação dos transistores (forma mais clássica da aplicação dos semicondutores), foi possível viabilizar a comunicação, o processamento de dados, o diagnóstico cada vez mais preciso de doenças, viagens espaciais, meio de transportes cada vez mais rápidos e seguros além de gerir o fantástico mundo do entretenimento e diversão. Entretanto, com o passar das décadas desde o advento dos semicondutores nos idos de 1940, o mundo moderno tem se dinamizado em uma velocidade assustadora. Atualmente faz-se necessário que uma determinada informação esteja de forma simultânea em diversos lugares do mundo, diagnósticos por imagem sejam os olhos dos médicos no interior do corpo humano, com uma clareza de imagem que suplantam em muito as tradicionais radiografias. Computadores atualmente cada vez mais poderosos necessitam de processadores velozes, precisos e que tenham capacidade de operação em ciclos cada vez mais rápidos com capacidade de processamento de dados que suplantam os gigabytes. No crescimento das cidades, grandes infra-estruturas necessitam de serem incrementadas como a energia elétrica. Grandes centrais geradoras de energia elétrica exigem hoje componentes eletrônicos de potência com grande capacidade de chaveamento de corrente e tensão além de alta confiabilidade e baixo custo operacional. Nesta crescente necessidade de rapidez e precisão, nos vemos limitados pelas características dos semicondutores atualmente utilizados. Assim, vem se desenvolvendo formas eficazes de aplicação de outros materiais semicondutores, que visam justamente atender as exigências das aplicações destes equipamentos eletrônicos, nas mais diversas aplicações. Focando em um material particular, o Arseneto de Gálio, esta pesquisa demonstra características técnicas, modos de obtenção e aplicação cada vez mais crescente em microprocessadores e micro controladores, bem como um comparativo entre os tradicionais semicondutores Silício e Germânio.
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COMPOSIÇÃO DO ARSENETO DE GALIO
1.1
Características do arsênio
O arsênio ou arsénio (do latim arsenium), ou ainda arsênico ou arsénico, é um elemento químico de símbolo As com número atômico 33 (33 prótons e 33 elétrons ) e com massa atômica 75 uma. É um semi-metal ( metalóide ) encontrado no grupo 15 (5A) da Classificação Periódica dos Elementos. O arsênio apresenta três estados alotrópicos, cinza ou metálico, amarelo e negro. O arsênio cinza metálico ( forma α ) é a forma mais estável nas condições normais e tem estrutura romboédrica, é um bom condutor de calor porém um péssimo condutor elétrico, sua densidade é de 5,73 g/cm³, é quebradiço e perde o brilho metálico exposto ao ar. O arsênio amarelo ( forma γ ) é obtido quando o vapor de arsênio é esfriado rapidamente. É extremamente volátil e mais reativo que o arsênio metálico e apresenta fosforescência a temperatura ambiente. O gás é constituído por moléculas tetraédricas de As4 de forma análoga ao fósforo e o sólido formado pela condensação do gás tem uma estrutura cúbica, é de textura saponácea e tem uma densidade aproximada de 1,97 g/cm³. Exposto a luz ou ao calor reverte a forma estável ( cinza ). Também se denomina arsênio amarelo o mineral trisulfeto de arsênio. Uma terceira forma alotrópica, o arsênio negro ( forma β ) de estrutura hexagonal e densidade 4,7g/cm³, tem propriedades intermediárias entre as formas alotrópicas descritas, e se obtém da decomposição térmica da arsina ou esfriando lentamente o vapor de arsênio. Todas as formas alotrópicas, exceto a cinza, não apresentam brilho metálico e apresentam uma condutibilidade elétrica muito baixa, comportando-se como metal ou não metal em função, basicamente, do seu estado de agregação. À pressão atmosférica, o arsênio sublima a 613 ºC, e a 400ºC arde com chama branca formando o sesquióxido 4O6. Reage violentamente com o cloro e se combina, quando aquecido, com a maioria dos metais para formar o arsenieto correspondente; reage, também, com o enxofre. Não reage com o ácido clorídrico em ausência de oxigênio, porém reage com o ácido nítrico aquecido, estando concentrado ou diluído, e com outros oxidantes como o peróxido de hidrogênio, o acido perclórico e outros. É insolúvel em água, porém muitos de seus compostos são solúveis. É um elemento químico essencial para a vida, ainda que tanto o arsênio como seus compostos sejam extremamente venenosos.
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1.2
Aplicações do arsênio
- Conservante da madeira ( arseniato de cobre e cromo), uso que representa, segundo algumas estimativas, cerca de 70% do seu consumo mundial. - O Arseneto de gálio é um importante semicondutor empregado em circuitos integrados mais rápidos e caros que os de silício. Também usados na construção de diodos laser e diodos LED. - Aditivo em ligas metálicas de chumbo e latão. - Inseticida ( Arseneto de chumbo ), herbicidas ( arsenito de sódio ) e venenos: No princípio do século XX se usavam compostos inorgânicos, porém seu uso foi desaparecendo em benefício dos compostos orgânicos ( derivados metílicos). - O dissulfeto de arsênio é usado como pigmento e em pirotécnica. - Descolorante na fabricação do vidro ( Trióxido de arsênio ). - Historicamente, o arsênio se tem empregado com fins terapêuticos praticamente abandonados pela medicina ocidental. Recentemente renovou-se o interesse principalmente pelo uso do trióxido de arsênio para o tratamento de pacientes com leucemia promiocelítica aguda. - Outra aplicação do Arsênico é no envenenamento de peles para taxidermia ( empalhamento ). Sua ação impede a proliferação de bactérias e fungos e o tecido permanece preservado por vários anos mantendo suas características.
1.3
Abundância e obtenção do arsênio
É o 20º elemento em abundância da crosta terrestre e é encontrado na forma nativa e, principalmente, na forma de sulfeto em uma grande variedade de minerais que contém cobre, chumbo, ferro ( arsenopirita ou mispickel ), níquel, cobalto e outros metais. Na fusão de minerais de cobre, chumbo, cobalto e ouro se obtém trióxido de arsênio ( As2O3 ) que se volatiliza no processo e é arrastado pelos gases da chaminé, podendo conter mais de 30% do óxido. Os gases da chaminé são refinados posteriormente misturando-os a uma pequena quantidade de galena ou pirita para evitar a formação de arsenitos, e pela queima se obtém trióxido de arsênio com 90 a 95% de pureza., por sublimação sucessiva pode-se obter com uma pureza de 99%. Reduzido-se o óxido com carbono obtém-se o metalóide ( semi-metal arsênio ), entretanto a maioria do arsênio é comercializado como óxido. Praticamente a totalidade da produção mundial de arsênio metálico é chinesa, que é também é o maior produtor mundial de trióxido de arsênio. Segundo dados do serviço de prospecções geológicas estadounidense ( U.S. Geological Survey ) as minas de cobre e chumbo contém aproximadamente 11 milhões de toneladas de arsênio, especialmente no Perú e Filipinas. O metalóide também é encontrado associado com depósitos de cobre-ouro no Chile e de ouro no Canadá.
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1.4
Características do gálio
O gálio é um elemento químico de símbolo Ga , de número atômico 31 ( 31 prótons e 31 elétrons e de massa atômica igual a 69,7 uma. É um metal pertencente ao grupo 13 ( 3A ) da classificação periódica dos elementos. À temperatura ambiente encontra-se no estado líquido. Foi descoberto em 1875 por Lecoq de Boisbaudran. Na forma metálica é utilizado para a produção de espelhos, ligas metálicas de baixos pontos de fusão e termômetro. O seu composto arsenieto de gálio é empregado na produção de circuitos integrados e diodos. O gálio é um metal mole, grisáceo no estado líquido e prateado brilhante ao solidificar, Quando sólido desagrega a baixas temperaturas pois funde ao redor da temperatura ambiente ( como o césio , mercúrio e rubídio ), inclusive quando colocado nas mãos, devido ao seu baixo ponto de fusão ( 28,76 ºC ). A faixa de temperatura na qual permanece no estado líquido é um dos mais altos entre os metais ( 2174ºC separam seus pontos de fusão e ebulição ) e sua pressão de vapor é baixa mesmo a altas temperaturas. O gálio se expande aproximadamente 3,1% ao solidificar e flota no seu líquido do mesmo modo que o gelo na água. Apresenta uma forte tendência a permanecer no estado líquido abaixo do seu ponto de fusão, sendo necessário um grão ( pequeno sólido adicionado ao líquido ) para ocorrer a solidificação. A cristalização não produz nenhuma das estruturas cristalinas simples. A fase estável nas condições normais é ortorrômbica com 8 átomos em cada célula unitária, na qual cada átomo apresenta um único átomo na vizinhança a uma distância de 2,44 Å, e com demais seis a 2,83 Å. Nesta estrutura a ligação química formada entre os átomos mais próximos é do tipo covalente sendo a molécula Ga2 a que realmente forma o retículo cristalino. Em outras condições de pressão e temperatura se tem encontrado numerosas fases estáveis e metaestáveis diferentes. O gálio corroi outros metais quando se difunde em suas redes cristalinas
1.5
Aplicações do gálio
A principal aplicação do gálio, na forma de arsenieto de gálio, é na construção de circuitos integrados e dispositivos optoeletrônicos como diodos de laser e diodos LED. Devido ao seu intenso aspecto prateado brilhante e a capacidade de impregnar superfícies de vidro e porcelana é utilisado na construção de espelhos. Se emprega para dopar materiais semicondutores e construir dispositivos diversos como transístores. Em termômetros de alta temperatura por seu baixo ponto de fusão. O gálio forma facilmente ligas metálicas com a maioria dos metais produzindo ligas de baixos pontos de fusão. O isótopo radioactivo Ga-67 é empregado em medicina nuclear como análogo fisiológico do ion Ferro 3+. Antes da descoberta da maioria das propriedades do elemento, estas já haviam sido previstas e descritas por Mendeleyev —que o chamou de eka-aluminio— baseando-se na posição que este elemento deveria ocupar na tabela periódica.
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1.6
Abundância e obtenção do gálio
Se tem encontrado traços do metal em minerais como a bauxita, carvão, diáspora, germanita e esfalerita , e como subproduto em processos de obtenção de vários metais. Em medicina nuclear se emprega o gálio como elemento traçador ( escaner de galio ) para o diagnóstico de enfermidades inflamatórias ou infecciosas ativas , tumores e abcessos devido ao seu acumulo nos tecidos que apresentam estas patologias. O isótopo Ga-67 é injetado na corrente sanguínea através de uma veia do braço na forma de citrato de gálio. O escaneamento é feito dois ou três minutos após a aplicação para dar tempo que este se acumule nos tecidos afetados. Posteriormente ocorre a sua eliminação pela urina e fezes. A exposição a radiação do gálio é inferior a de outros procedimentos como o raio X ou TAC.
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CARACTERÍSTICAS DO ARSENETO DE GALIO
2.1
Estrutura cristalina do arseneto de gálio (GaAs)
O metal arseneto de gálio consiste de uma estrutura cristalina cúbica de face centrada. A estrutura do arseneto de gálio pode ser observada na figura 1 baixo. Os átomos de gálio são os representados em preto e os átomos de arsênio são os que estão representados em vermelho. A composição do arseneto de gálio constitui de 14 átomos de gálio e 4 átomos de arsênio.
Figura 1 : estrutura cristalina do arseneto de gálio. Esta estrutura é conforme contante de Lattice, onde considera-se a formação cristalina e metálica quando a temperatura for igual a 300K. A esta temperatura, o comprimento da aresta constituinte em uma face das faces do cubo é da ordem de A=5,6325 Å. Vetorialmente, a base desta estrutura constituída de um átomo de Ga e um átomo de As. Sendo assim a base é dada por: r A r r r b = ⋅ (x + y + z ) 4
(1)
r r r Onde: ( x + y + z ) são as unidades vetoriais cartesianas
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Figura 2: GaAs com a visualização conforme Lattice e representação das bases. Para compreendermos melhor a estrutura de face centrada do GaAs, observamos uma constituição vetorial dado por: r A r r a1 = ⋅ ( x + y ) 2
(2)
r A r r a2 = ⋅ ( y + z ) 2
(3)
r A r r a3 = ⋅ ( z + x ) 2
(4)
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O ângulo entre dois vetores, ditos de primitivos são de 60º, formando um romboedro, cujo volume é dado por:
r r r A3 a1 ⋅ (a 2 × a3 ) = 4
(5)
Facilmente observado pela constituição das bases do cubo. Com isso observamos que o volume formado por este segmento prismático é ¼ do volume total do cristal.
Figura 3 : representação vetorial conforme Lattice.
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Esta geometria estável, isométrica e consequentemente com atuações de forças de Van del Waal constantes, faz com que o GaAs tenha evidenciada uma característica muito particular: a de formação de lacunas e barreiras eletrônicas bem definidas, bem como uma estabilidade atômica, o que confere manter seu último estado sem a necessidade de implementar energia em seu sistema. Podemos observar a formação livre de planos de face, prismáticos e diagonais:
Figura 4 : formação de plano de face.
Figura 5 : formação de plano diagonal.
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Figura 6 : formação de plano prismático.
Os átomos de arsenio possuem uma predisposição maior de doarem elétrons e assim tornarem eletropositivos. Existem átomos intermediários de gálio que possuem uma resultante vetorial nula em função da disposição dos átomos de Ga e As.
Figura 7 : peso atômico e eletro negatividade.
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Assim torna-se mais fácil compreender este corredor que se forma entre as diversas faces do GaAs onde sempre haverá em cada plano no mínimo três átomos de Ga conferindo assim um estado de instabilidade atômica no Ge permitindo uma facilidade de doar elétrons.
Figura 8 : formação planar do GaAs em relação aos átomos de Ge. Com esta configuração de planos diversos, podemos considerar uma infinidade de formas em que este plano é constituído, podendo os mesmos átomos de arsênio ou gálio serem substituídos por outros metais, tais como o magnésio, alumínio ou fósforo o que confere outras propriedades como aumento ou diminuição da permeabilidade magnética, estabilidade térmica, baixo consumo ou ainda armazenamento de estado físico sem a necessidade de consumo de energia. Com o incremento de energia sobre os vetores primitivos de Lattice podemos selecionar um dos três planos dentro da faces centradas da estrutura da GaAs. Assim observamos uma outra propriedade importante deste material: a de refração de ondas.
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2.2
Aplicação do GaAs como refrator de ondas
Para explicar a aplicação do GaAs como um refrator de ondas, e sua proporcionalidade de refração frente a energia aplicada à estrutura cristalina, segue descrição do método de verificação quantitativa desta importante propriedade. Utiliza-se uma fonte de raio x, com um comprimento médio de onda na faixa de 1,5418Å, do Ka da emissão do isótopos de Cu. Comumente utilizado para este tipo de experimento, o raio x, utilizamos o método de Laue, que consiste aplicar o raio x no material que promoverá a difração. Efetua-se a medição angular entre o raio refratado e o incidente, obtendo-se assim o que denominamos de condição de Bragg, uma condição estável desta refração. Esta condição é obtido fixando-se o raio incidente e rotacionando o cristal a ser mensurado em uma faixa de 0 a 90º. Aplicando este experimento sobre os planos de Lattice, obtemos uma equação da onda refratada como segue: nλ = 2d n ,k ,l senθ
(6)
Onde n : número de refrações. Para uma incersão inicial este índice é igual a 1. d : distância entre o plano de Lattice e índice de Muller, que determina o índice de refração. [n,k,l] : índice de Muller Q : ângulo entre raio incidente e raio refratado.
Detector
Raio Refratado
Raio Incidente
Sentido de Rotação
Figura 9 : esquemático do experimento de refração dos cristais de GaAs.
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Variando o comprimento de onda e sua intensidade, podemos obter uma matriz de valores que está associado a constante de Lorentz para refração dos raios pela iteração da força atômica. Esta intensidade pode ser obtida:
I = F2 ⋅ p⋅(
1 + cos 2 2θ ) sen 2θ cos θ
(7)
Onde: F : fator inerente a estrutura cristalina P : fator multiplicativo Q: ângulo de Bragg
Tabela 1 : intensidades calculadas por diferentes linhas de refração.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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Traçando um comparativo entre o semicondutor GaAs e o Si podemos concluir que o grau de reflexão é maior no Ga As, conforme os resultados experimentais que seguem: Tabela 2 : intensidades calculadas por diferentes linhas de refração entre GaAs e Si.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001. Tabela 3 : comparação experimental entre GaAs e Si.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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2.3
Aplicação do GaAs como formador de lacunas e barreiras
Para a formação de lacunas e barreiras que caracterizam o GaAs, temos inicialmente que quantificar a energia que se faz necessária para que este fenômeno ocorra. Como o salto de nível se faz de modo tridimensional, o mesmo pode ser expresso: r r v r r r r r r 2 1 r r r r r 2 r r r r r r 2 1 E ( R, R − a1 ) = α s a1 (u[ R + a1 ] − u[ R ] + α Φ u[ R + a1 ] − u[ R ] − a1 (u[ R + a1 ] − u[ R ] ( 8 ) 2 2
Onde: a1 – Constante elática entre duas bandas a
Φ
- Constante elástica entre duas bandas
v a1 - Vetor constituído entre o átomo 1 e átomo 2 r r R + a1 - Vetor constituído pelo átomo 2 e o próximo átomo r r u [R ] - Vetor equilíbrio entre o átomo 1 e 2
Quando esta energia é aplicada, existe uma faixa em que há um salto entre os átomos formado um plano geométrico de equilíbrio
Figura 10 : esquema entre salto de átomos formando um plano geométrico estável. Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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Para este caso em particular, observamos que
1 1 E Φ = α Φ S 2 = α Φ L2 Φ 2 2 2
(9)
Este fenômeno ocorre em toda a estrutura atômica do GaAs, o que nos leva a equacionar
1 E Φ = α Φ u ty − u jy 2 =
2
1 = αΦ x2 2
1 α Φ L2 sin 2 (Φ ) 2
(10.1) (10.2)
1 Φ3 = α Φ L2 (Φ − + ...) 2 2 3!
(10.3)
1 Φ4 = α Φ L2 (Φ 2 − + ...) 2 4!
(11)
Tabela 4: constantes eláticas para o GaAs para temperaturas T=77K e 300K.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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As movimentações entre os planos tridimensionais formados entre os diversos cubos de faces centradas seguem uma cíclica sucessão de forças e coordenadas formadas entre os átomos vizinhos. Tabela 5 : posições dos átomos de Ga e seu vizinho átomo de As, como átomo de origem.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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2.4
Estabilidade térmica do GaAs
O GaAs possui uma estabilidade térmica superior aos semicondutores atualmente utilizados, conforme a tabela de resposta do GaAs observamos que a constante de calor específico do cristal é estável em temperaturas que varia da faixa de 300K a 1000K, faixa esta em que operam a maioria das dos equipamentos industriais.
Gráfico 1: curva do calor específico x aumento de temperatura.
Fonte: GaAs Semiconductor Project – MIT – March 2001.
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APLICAÇÕES DO ARSENETO DE GALIO
Dentre as aplicações do GaAs, esta é uma que merece uma atenção especial frente a conjugação das propriedades fotoelétricos e magnético do GaAs. Quando se aplica em um semicondutor um substrato de GaAs associado a outros metais, podemos ter diversas configurações de componentes eletrônicos para o ramo industrial. 3.1
Bandas portadoras de energia
O GaAs quando associados a outros metais como Mg e P, adquire propriedades ferromagnética e paramagnéticas, o que os transformam sucessíveis ao magnetismo e correntes induzidas. Assim ele pode armazenar energia dentro dos seus níveis quânticos quando submetido a um determinado nível de energia e liberar esta energia quando submetido a um nível que torne este sistema instável.
Figura 11 : Esquema da ´bomba de elétrons`. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
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Este exemplo se assemelha muito ao funcionamento dos transistores de efeito de campo ( FET ) entretanto há um controle muito maior de cargas. O FET funciona como uma `válvula´ aumentando ou diminuindo uma banda portadora de elétrons aumentando ou obstruindo a passagem de elétrons. Entretanto este corredor que se forma pode ser danificado por uma sobre tensão nos terminais do componente o que provocaria um efeito avalanche, onde altas correntes fariam que o componente se queime. No caso do substrato de GaAs, observamos um efeito de `transbordo´ quando o potencial entre o substrato µ1 e µ2 variam, formado duas barreiras que limitam a entrada e saída dos níveis N+1.
Figura 11 : esquemático sobre a transferência de eletrons
Figura 12 : esquemático sobre a transferência de elétrons. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
Assim podemos ter no ramo da eletrônica de potência, semicondutores de efeito de campo com maior poder de condução de corrente, bem como tiristores com tensão de ruptura variável. No meio da microeletrônica podemos desenvolver microprocessadores com memórias dinâmicas onde os níveis energéticos podem ser considerados como binários.
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Figura 13 : esquemático sobre a portabilidade de cargas. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
Figura 14 : esquemático da ação FET sobre GaAs. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
Estas estruturas são fisicamente montadas de tal amenira a constituir o que os fabricantes denominam de mesa. Ali são diponibilizados a energia para os níveis quânticos subseqüentes.
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Figura 15 : esquemático do efeito mesa sobre o GaAs. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press 3.2
GaAs e a spintrônica
Spintrônica é a ciência que estuda componentes que desenvolvem o que se denomina de spin. Spin ( rotação em inglês ) é quando se retira um átomo de arsênio ou gálio e que isere-se no lugar um átomo de magnésio, tornando assim o semicondutor com propriedades magnéticas. A propriedade spin pode facultar o material em armazenar informações mesmo depois do semicondutor entrar em estado inativo de energia ( desligado ). Uma analogia do que ocorre com este tipo de fenômeno é a gravação de um compact disc ou ainda um hard disc. Existem uma infinidade de codificações 1 e 0 que são os setores que foram ionizados ou não, conforme as barreiras esquematizadas na figura 11. Cada elemento do GaAs pode levar uma informação 1 ou 0. Em um semicondutor com uma área um pouco maior de que alguns milímetros quadrados, podemos obter alguns bilhares de elementos, o que nos dá uma idéia da quantidade de informações que se pode armazenar.
Figura 16 : efeito spin e da ´bomba` de elétrons em fonte DC e a troca de fase entre as barreiras. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
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Figura 17 : esquemático de fabricação para promoção do efeito da bomba de elétrons. Fonte: J.H.Davies The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press
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3.3
Aplicação do GaAs em fotodiodos e lasers
Uma outra aplicação do GaAs é a propriedade de conversão de fótons em corrente elétrica e de corrente elétrica em fótons. A esta propriedade, podemos construir diodos emissores de luz (led) visível e infravermelhos além de laser para aplicações industriais e comunicação bem como medicina e militares. Existe uma corrente e comprimento de onda em que estes são ótimas para esta conversão. No exemplo abaixo observamos uma dopagem com Al onde temos uma corrente reversa de 3,5 A dissipando consumindo uma potência de carga Pl[W] muito baixa, da ordem de 0,3W e gerando uma onda com comprimento da ordem de 1800 cm −1
Gráfico 2 : gráfico conversão corrente x potência dissipada e comprimento de onda.
Fonte : 2nd Workshop - Center for micro and nanostructure ZMNS – Italy – Sep. 2006
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Com a passagem da corrente observamos a emissão de fótons. Gráfico 3 : gráfico de conversão mV x comprimento de onda do fóton.
Fonte : 2nd Workshop - Center for micro and nanostructure ZMNS – Italy – Sep. 2006
Figura 18: Relação de transformação entre foton e potencial. Fonte : 2nd Workshop - Center for micro and nanostructure ZMNS – Italy – Sep. 2006
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PRODUÇÃO DO ARSENETO DE GALIO
O GaAs é produzido graças a nanotecnologia aplicada a uma sofisticada indústria de produção. Basicamente a produção é dada mediante ao processo denominado de BEM – Molecular Beam Eptaxy ou feixe molecular epitaxial, no qual consistem em três pilhas no qul possue os materiais As, Ga e um terceiro com um outro material qualquer para a promoção da dopagem. Na frente destas pilhas há um obturador rotativo e no fundo subtratos simples que esperam as partículas de As, Ga. Todo este sistema se encontra dentro de uma câmara de altíssimo vácuo onde as partículas de As e Ga são bombardeadas mediante a um potencial muito alto da ordem de centenas de kV. Quando o obturador rotaciona vai liberando o bombardeio das partículas de Ga, As e Al que se depositam no substrato.
Figura 19 : esquemático para a produção do GaAs. Fonte : Peter W. Moran, IEEE Member– GaAs Manufacture Method – IEEE transaction vol 4 , Nº 4 november 1991.
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Com isso os substratos são produzidos e encapsulados conforme observamos abaixo:
Figura 20: lâmina microscópio de varredura da deposição de GaAs. Fonte : Peter W. Moran, IEEE Member– GaAs Manufacture Method – IEEE transaction vol 4 , Nº 4 november 1991.
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Figura 2’ : variados tipos de montagem por deposição de GaAs. Fonte : 2nd Workshop - Center for micro and nanostructure ZMNS – Italy – Sep. 2006
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CONCLUSÃO
As aplicações do arseneto de gálio são inúmeras e nos propicia uma gama de soluções para a engenharia moderna. Graças as aplicações do GaAs é possível observarmos as maravilhas da tecnologia em transmissão de dados de forma simultânea, precisa e com um volume que suplanta os gigabytes. Microprocessadores cada vez mais velozes nos permitem criar computadores cada vez mais performáticos que quando aplicados aos diversos ramos da engenharia permitem cálculos e simulações de plantas de processos, hidroelétricas, usinas atômicas, aviões, satélites antes mesmo da existência física destes. Entretanto a fabricação destes componentes é limitado a escassez dos materiais e ao custo da produção, em detrimento da abundância dos semi condutores atuais e abundancia de material para sua fabricação.
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REFERÊNCIAS
[1] – LEE, Janice.MONTOYA, Juan. TANASA, Corina. SINGH, Bhuwan. Real Semiconductor Project GaAs. Tomo I. USA, 2001. Pos Grade – MIT – Massachussets Institute Technology. [2] – LEE, Janice.MONTOYA, Juan. TANASA, Corina. SINGH, Bhuwan. Real Semiconductor Project GaAs. Tomo II. USA, 2003. Pos Grade – MIT – Massachussets Institute Technology. [3] – LEE, Janice.MONTOYA, Juan. TANASA, Corina. SINGH, Bhuwan. Real Semiconductor Project GaAs. Tomo III. USA, 2003. Pos Grade – MIT – Massachussets Institute Technology. [4] – WANG, Albert. Spin Effect in Low Dimensional GaAs Device. USA, 2003. PHD Grade – MIT – Massachussets Institute Technology. [5] – TU WIEN – 2nd Wokshop- Center for micro and nanostructure ZMNS – Italy – Sep. 2006 [6] -. MORAN, Peter W. IEEE Member– GaAs Manufacture Method – IEEE transaction vol 4 , Nº 4 november 1991. [7] -.DAVIES, J.H. The Phisics of Low Dimensional Semiconducter – Cambridge Press – 2005 [8] – Mathlab- Software Matemático de Simulação [9] – Massachussets Institute Technology – Library . Site disponível em : www.mit.com [10] – Cambridge University – Library and Thecnical Publisher. Site Disponível em:www.cambridgepress.com [11] – Universidade Estadual de Campinas – Biblioteca virtual. Site disponível em: www.unicamp.br [12] – HALKIAS, Christos. MILLMAN, Jacob. Eletrônica Vol 1. 2ª. Ed. São Paulo: mc grawhill, 1981. [13] – HALKIAS, Christos. MILLMAN, Jacob. Eletrônica Vol 2. 2ª. Ed. São Paulo: mc grawhill, 1981.
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