Introdu o a nanotecnologia
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Introdução a Nanotecnologia. NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS Aula 1. Mauricio Pamplona Pires IF-UFRJ. Programa. Motivação O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores? Dopagem n e p Crescimento epitaxial Junção p-n e heteroestruturas Dispositivos convencionais

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Presentation Transcript


Introdu o a nanotecnologia

Introdução a Nanotecnologia

NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS

Aula 1

Mauricio Pamplona Pires

IF-UFRJ


Programa

Programa

  • Motivação

  • O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores?

  • Dopagem n e p

  • Crescimento epitaxial

  • Junção p-n e heteroestruturas

  • Dispositivos convencionais

  • Técnicas de caracterização

  • Processamento e fotolitografia

  • Nanoestruturas: poços, fios, discos e pontos quânticos

  • Dispositivos e aplicações


1 motiva o

1. Motivação

Qual a relação entre

semicondutores

e

nanotecnologia?

Vamos começar pelo começo...


Motiva o

Motivação

Válvula?


Introdu o a nanotecnologia

Triodo

Diodo

http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube


Introdu o a nanotecnologia

  • Grande avanço na eletrônica:

  • Amplificador

  • Rádios

  • Equipamentos telefônicos

  • Televisores

  • Primeiros computadores

  • Porém não eram perfeitas...

  • Grandes

  • Não duravam muito

  • Pouco confiáveis (queima do filamento, vácuo,...

  • Grande consumo de energia

  • Produção de calor

Triodo

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html


Descoberta do transistor

Descoberta do transistor

Bardeen (1908-1991)

Shockley (1910-1989)

Brattain (1902-1987)

John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e fabricaram o 1o dispositivo em Dezembro de 1947.

Prêmio Nobel de Física de 1956


Introdu o a nanotecnologia

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html


Introdu o a nanotecnologia

http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html


Lei de moore

Lei de Moore

Gordon Moore

Co-fundador da Intel

“O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”


Introdu o a nanotecnologia

Lei de Moore:

Redução do tamanho dos telefones celulares como resultado do aumento do número

de transistores num único circuito integrado

Physics and the communications industry, W. F. Brinkman and D. V. Lang


Introdu o a nanotecnologia

Laboratório

Tempo ?....

Comercial

Physics and the communications industry,

W. F. Brinkman and D. V. Lang

Diferença de tempo entre o que está no laboratório e o que é

utilizado comercialmente

Avanço da capacidade de

transmissão na fibra ótica


Introdu o a nanotecnologia

Mudança de escala de componentes microeletrônicos

Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna


Introdu o a nanotecnologia

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html


Efeitos qu nticos em mosfets

Efeitos quânticos em MOSFETs

B

E

C


Mas a lei de moore n o tudo

Mas a Lei de Moore não é tudo....

  • Mais rápido

  • Mais eficiente

  • Menor custo

  • ....

Novas necessidades

Como fazer isto???

Solução:

  • Transições óticas

  • Correntes

  • ...

  • Novos efeitos

Mudança de escala

provoca mudanças nas


Nano dispositivos

Nano dispositivos

Feitos de ...


2 o que s o semicondutores

d

L

2. O que são semicondutores?

Nem condutores nem isolantes...

10-8

  • Resistividade ( m) Resistência ()

  • (L=1m, d =1mm)

    • Alumínio2.8x10-83.6x10-2

    • Cobre1.7x10-82.2x10-2

    • Platina 10x10-8 12.7x10-2

    • Prata 1.6x10-8 2.1x10-2

    • Germánio0.45 5.7x105

    • Silício  640  6x108

    • Porcelana 1010 - 1012 1016 - 1018

    • Teflon 1014 1020

    • Sangue1.51.9x106

    • Gordura24 3x107

Metais

10-3

107

Semicondutores

Resistividade a T ambiente(.m)

Isolantes

1014


S lidos cristalinos

Sólidos cristalinos

Como os átomos se organizam nos sólidos?

a

Rede cúbica

Rede cúbica de corpo centrado

Rede cúbica de face centrada

a – parâmetro de rede do cristal

IMPORTANTE


Usados para eletr nica

C, Si ou Ge

Usados para eletrônica...

Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio

Rede cúbica de face centrada

Rede do diamante

Duas redes transladadas de

¼ da diagonal central

Cada átomo está ligado a 4 outros


Introdu o a nanotecnologia

... e na opto-eletrônica

Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs...

Rede Zincblend

Ga, In, Al

As, P


Introdu o a nanotecnologia

Tabela periódica dos elementos

III

IV

V


Introdu o a nanotecnologia

Sólido

Átomo de hidrogênio

luz

níveis eletrônicos

+

Surgimento de bandas de energias

Vários átomos?

1 átomo


Introdu o a nanotecnologia

+

+

Surgimento de bandas de energias

2 átomos distantes

independentes


Introdu o a nanotecnologia

+

+

+

Bandas

átomos próximos

Surgimento de bandas de energias

Quais bandas estarão cheias e vazias?

Três possibilidades ... metais, isolantes e semicondutores


Introdu o a nanotecnologia

Metais

Próxima banda

Energia do elétron

incompleta

Última banda

Posição

METAL


Introdu o a nanotecnologia

Metais

Próxima banda

Energia do elétron

elétron livre

incompleta

Última banda

Posição

METAL

Próximo estado disponível:

+ e

Outra possibilidade ...


Introdu o a nanotecnologia

Cálculos de estrutura de bandas

Gap

Gap


Introdu o a nanotecnologia

Isolantes e semicondutores

Banda de Condução (1a banda vazia)

Energia do elétron

Banda de Valência (última banda cheia)

Posição

Si (14 elétrons) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Ne + 3s2 3p2

4 elétrons disponíveis


Introdu o a nanotecnologia

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Elétrons ligados

(BV)

Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?


Introdu o a nanotecnologia

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Elétrons livre

(BC)

Falta de 1 elétron

“buraco”


Introdu o a nanotecnologia

Banda de Condução (1a banda vazia)

elétron livre

tem massa e carga

Eg

Energia do elétron

buraco

também tem massa e carga ...

Banda de Valência (última banda cheia)

Posição

GAP

Eg grande

ISOLANTE

(vários eV)

Eg pequeno

SEMICONDUTOR


Introdu o a nanotecnologia

Eg

Eg

Metal

Isolante

Semicondutor


Introdu o a nanotecnologia

E= hc/l

E= 1240 /l (eV/nm)

E= 1,24 /l (eV/mm)


Introdu o a nanotecnologia

Semicondutores

BC

BC

Eg

Eg

Energia do elétron

Energia do elétron

BV

BV

Posição

Posição

Eg pequeno

Facilidade para elétrons saírem da BV para a BC

Temperaturae luz


Introdu o a nanotecnologia

BC

Eg

Energia do elétron

BV

Posição

Probabilidade: e-Eg/kT


Introdu o a nanotecnologia

Mecanismos de condução diferentes

Aumento no número de

portadores de carga

r

-

T

r

+

T

O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron


3 dopagem p e n

3. Dopagem p e n

Em relação ao Si:

III

IV

V

Si – Ne + 3s2 3p2

B: He + 3s2 3p1

menos um elétron (grupo III) – tipo p

As: Ar + 3s2 3p3

mais um elétron (grupo V) – tipo n


Introdu o a nanotecnologia

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Doador tipo n

“Sobra” 1 elétron

As

Qual a energia necessária para liberar este elétron?


Introdu o a nanotecnologia

Doador tipo n

BC

BC

+

Ed

Ed

Energia do elétron

Energia do elétron

BV

BV

Posição

Posição

Do + Ed = D+ + e-


Introdu o a nanotecnologia

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Doador tipo p

“Falta” 1 elétron

B

Qual a energia necessária para liberar este elétron?


Introdu o a nanotecnologia

Doador tipo p

BC

BC

Energia do elétron

Energia do elétron

-

Ea

Ea

BV

BV

Posição

Posição

Ao + Ea = A- + h+


Crescimento de camadas epitaxiais

Crescimento de Camadas Epitaxiais

  • LPE

  • VPE

  • MBE – Molecular Beam Epitaxy

  • MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour Deposition


Introdu o a nanotecnologia

Reator MBE

No final dos anos de 60 foi desenvolvido também na Bell-Labs, por Cho a técnica chamada epitaxia por feixe molecular.(Molecular Beam Epitaxy – MBE). Este tem sido o mais sofisticado método de crescimento.

O princípio deste crescimento reside na evaporação de fontes sólidas altamente purificadas em alto vácuo (10-10 torr sem crescimento e 10-8 a 10-6 torr durante o crescimento), produzindo feixes moleculares irecionados sobre a superfície aquecida do substrato.

Cho, A. Y. e Arthur J. R.; Molecular Beam Epitaxy, Progress in Solid State Chemistry, 10, 3, 157-191 (1975).


Introdu o a nanotecnologia

Reator MBE


Introdu o a nanotecnologia

Reator MBE


Reator mocvd

Reator MOCVD

Uma outra técnica distinta chama-se deposição química por fase vapor (Chemical Vapour Deposition – CVD). Uma variante desta técnica é a epitaxia por fase gasosa de organo-metálicos (Metal Organic Vapour Phase epitaxy – MOVPE, ou Metal Organic Chemical Vapour Deposition – MOCVD).

O princípio de crescimento do MOVPE baseia-se num fluxo laminar sobre o substrato aquecido por rádio freqüência ou lâmpadas infra-vermelhas. Embora o MOVPE tenha sido desenvolvido no fianl dos anos 60, ele só apareceu como alternativa a partir do começo da década de 80. Houve, nesta última década, o desenvolvimento e a purificação das fontes organometálicas para o uso no processo MOVPE.

Manasevit, H., Applied Physics Letters, 12, 156 (1968).


Reator mocvd1

Reator MOCVD

  • Temperatura

  • Pressão

  • Gases:

  • AsH3

  • PH3

  • TMGa

  • TMIn

  • TMAl, ...

  • Fluxos


Introdu o a nanotecnologia

Onde ?

MOCVD

Rio de Janeiro

MBE

São Paulo

Campinas

Belo Horizonte


Introdu o a nanotecnologia

TMAl,TMIn

PH3

Crescimento Epitaxial

TMGa

AsH3

Substrato GaAs


Introdu o a nanotecnologia

AlAs

GaP

InP

InAs

GaxAl1-xAs

InxGa1-xP

InxGa1-xAs

InxAl1-xAs

GaAs


Introdu o a nanotecnologia

a’ > a

InAs

a

a

Material casado

Material descasado

AlGaAs

InAs tensionado

GaAs

GaAs


Introdu o a nanotecnologia

x 10000

x 4000

x 10

x 8.3

x 3


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