Prof. Roberto Assumpção – EM423, turma A Pedro Alves Pires RA: 083985

1. UMA APRESENTAÇÃO SOBRE PROPRIEDADES CRISTALINAS E PRODUÇÃO DE SEMICONDUTORES. Prof. Roberto Assumpção – EM423, turma A Pedro Alves Pires RA: 083985 Guilherme di Creddo Miranda RA: 084392 Pedro Francisco Baraçal de Mecê RA: 082475 Caio Elias Silveira RA: 086302

2. Introdução aos semicondutores: • 1.) Características (O que define um semicondutor?) • Os Semicondutores são um grupo de materiais que possui condutividade elétrica intermediaria entre metais e isolantes. Isso ocorre porque a banda “proibida” de energia de tais elementos, que separa a banda de Valencia preenchida com elétrons e banda de condução vazia, é menor que a dos condutores e pouco maior que a dos isolantes. Esse “Gap” de energia, é o que define a condutividade do material. • É importante ressaltar, que a condutividade desses materiais pode variar com mudanças na temperatura, luz incidida e pureza do material.

3. Juntando suas características, podemos até chamar os semicondutores de “isolantes que apresentam muitas propriedades dos condutores.” • Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. • Como exemplos de Semicondutores elementares, ou seja, compostos de apenas um elemento, temos o Silício (Si) e o Germânio (Ge). Esse ultimo, era utilizado no desenvolvimento de transistores e diodos. Hoje, o silício tomou a posição de composto mais utilizado. • Além dos semicondutores elementares, podemos obter compostos semicondutores, como vistos na tabela abaixo:

4. Classificação dos sólidos • Cristais: são caracterizados pela chamada rede cristalina, uma estrutura altamente ordenada • Policristalinos: apresentam uma ordem intermediária, com pequenas regiões chamadas de grãos, tendo cada estrutura cristalina unida pelos limites dos grãos. • Amorfos: Estrutura totalmente aleatória, sem ordem definida.

5. 2.) Retículos Cristalinos • Um sólido cristalino pode ser distinto pelo fato de ter átomos que são dispostos de modo a formar um sistema periódico. Isto é, existem “unidades” básicas, idênticas,dispostas numa ordem tridimensional e repetitiva que formam o corpo do cristal. • Em química se aprende que, em condições normais, os átomos que possuem 4 elétrons na última camada de valência não são estáveis. Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma com que agrupam seus átomos (cada átomo fica eqüidistante e, relação a quatro outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a estabilidade fazendo quatro ligações químicas cova • O arranjo periódico de um cristal é a estrutura do cristal. • O retículo cristalino mais simples que há, é aquele formado por unidades cúbicas. Como exemplos, a cúbicas de face centrada, a de corpo centrado, e a cúbica simples.

6. A estrutura cristalina básica dos mais importantes semicondutores é chamada de cúbica diamante. Descoberta primeiramente nos diamantes, está presente também no silício e no germânio.

7. Tomaremos o silício cristalino como exemplo para correlacionarmos suas propriedades estruturais, com as propriedades mecânicas. Em termos de propriedades mecânicas, o silício se destaca pela fragilidade, o que torna difícil a sua conformação mecânica. Deflexão de uma viga de silício durante um teste mecânico.

8. Comparação das propriedades mecânicas do Si com o aço - Limite de escoamento maior que do aço 4×aço - Módulo de Young próximo do aço - Densidade próxima ao do alumínio 0.33×aço - Coeficiente de expansão térmica 0.2×aço - Condutividade térmica 1.5×aço

9. 3.) Crescimento cristalino - O silício utilizado atualmente na confecção de dispositivos, obtém impurezas na taxa de menos de uma parte por dez bilhões. Isso é proveniente do tratamento pelo qual o material é submetido. - O silício não é, normalmente, encontrado na forma pura naturalmente. Porem, em combinação com outros elementos, constitui 27,7% da crosta terrestre, e é o elemento mais abundante depois do oxigênio. Logo, necessitamos de processos para gerar o silício puro. - Existem vários métodos de crescimento de silício puro, dentre eles o método por derretimento, por zona flutuante, por crescimento cristalino epitaxial e pelo Processo de Czochralski. Cada um com um processo de resfriamento e geração do silício puro característico. - Muitas características mecânicas do filme de silício puro dependem dos processos de deposição e crescimento.

10. Propriedades mecânicas dos filmes finos: • Características desejáveis: • Excelente adesão • Baixo stress residual • Boa resistência mecânica • Resistência química Não são todos os processos de deposição e crescimento cristalino que podem entregar tais características. Deve-se buscar o processo ideal, afim de obter os aspectos mais uteis para a função que se deseja empregar o filme.

11. Processo de Czochralski

12. Exemplos: • Para aplicações em micromáquinas, estruturas com baixo stress residual são necessárias, como os polisilício:

13. Exemplificando a performance do Si Com tom de curiosidade, apresentamos um trabalho homolagado em 2005 na Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Nesse trabalho, verificou-se a viabilidade de usinagem do Silício cristalino por duas formas: abrasão ultra-sonora e por descargas elétricas. Ambos os métodos se apresentaram viáveis na usinagem do silício, porem com algumas divergências. O método de abrasão, apresentou-se mais rápido e eficaz na ação contra o silício, pois tomou menos tempo e apresentou um acabamento superficial mais satisfatório.

16. Como pudemos ver, a usinagem por descargas elétricas apresentou um acabamento superficial mais tosco, com crateras e cristais cúbicos evidenciados na superfície usinada. Essa fraca usinabilidade decorre devido ao caráter semicondutor do silício aliado a não homogeneidade das descargas elétricas, impossibilitando um maior arrancamento do material. Essa observação nos traz uma confirmação do importante e efetivo papel que o Si tem como semicondutor, mostrando a resistência ao desgaste quanto a cargas elétricas. Característica muito importante para um elemento que atua em diversos ramos da eletrônica, principalmente nos de sistemas embarcados.

17. Referências : • http://www.abmbrasil.com.br/materias • “Usinabilidade do silício por abrasão ultrasonora e eletroerosão: uma analise comparativa”. • Por: • Jorge Francisco Costa Brasil • Leandro Jacomine • Luciano José Arantes • Alberto Arnaldo Rasian • http://www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano • “Propriedades mecânicas do Silício” – Profº Fabiano Fruett • Solid State Electronic Devices – Ben G. Streetman • Semiconductor Fundamentals - Robert F. Pierret Bibliografia: