Os dispositivos piezoelétricos são comuns na eletrônica moderna, utilizando materiais tanto em escala macroscópica quanto nanométrica para criar dispositivos que aproveitam o efeito piezoelétrico. No entanto, os dispositivos piezoelétricos convencionais não são a única classe de dispositivos que podem explorar o estresse e a piezoeletricidade de um material. Um desses dispositivos é o dispositivo piezotrônico. Dispositivos piezotrônicos exibem o efeito piezotrônico, que ocorre quando um piezopotencial é usado como uma tensão de gate para ajustar e controlar as propriedades dos portadores de carga do dispositivo.
Os dispositivos piezotrônicos são uma classe muito específica de dispositivos piezoelétricos que requerem materiais semicondutores piezoelétricos, pois os mecanismos dos dispositivos dependem tanto do piezopotencial quanto das propriedades semicondutoras do material.
O design dos dispositivos piezotrônicos é bastante diferente da tecnologia de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) em relação à forma como modulam a corrente eletrônica. Até agora, o interesse nos dispositivos piezotrônicos tem se concentrado em transistores, operações lógicas, memórias eletromecânicas, sensores e dispositivos de filme fino. Embora não estejamos focando nessas aplicações especificamente neste artigo, vamos analisar detalhadamente como os dispositivos piezotrônicos usam o efeito piezotrônico e quais arquiteturas de dispositivos se beneficiam mais desse fenômeno de ajuste dos portadores de carga.
O Efeito Piezotrônico
Antes de olharmos para o efeito piezotrônico, vamos primeiro entender o efeito piezoelétrico. O efeito piezoelétrico ocorre quando um material adquire uma carga elétrica ao se aplicar pressão ou estresse sobre ele. Essa carga surge porque os íons se rearranjam internamente sob essa carga mecânica e geram uma tensão elétrica. Isso é piezoeletricidade.
Quando as cargas se rearranjam dentro da rede de um material piezoelétrico, geram mudanças de dipolo em cada extremidade do material. Isso é particularmente verdadeiro para redes que possuem um alto grau de anisotropia—dependência direcional—e uma simetria não central, já que o deslocamento das cargas cria momentos dipolares mais fortes no material. A soma de todos os momentos dipolares ao longo de um material piezoelétrico pode resultar em uma queda de potencial macroscópica ao longo do eixo de deformação. Isso é chamado de potencial piezoelétrico, também conhecido como piezopotencial. O piezopotencial é dependente da tensão aplicada, portanto, ele persistirá enquanto a tensão mecânica continuar sendo aplicada.
Agora, esse piezopotencial pode ser aproveitado e usado como uma tensão de gate para construir dispositivos piezotrônicos. Para que os dispositivos piezotrônicos sejam funcionais, o material submetido à tensão também precisa ser semicondutor. Isso ocorre porque o piezopotencial atua como um gate para ajustar e controlar as propriedades dos portadores de carga em uma interface semicondutora—seja em um contato semicondutor-metal ou em uma junção p-n semicondutora.
Dada a necessidade de materiais com dependência direcional, os projetistas criam muitos dispositivos piezotrônicos usando nanofios, pois são materiais unidirecionais, permitindo que os elétrons fluam em apenas uma direção. Diferente dos dispositivos piezoelétricos que podem usar materiais macroscópicos e em escala nanométrica, os materiais piezotrônicos surgiram devido à nanotecnologia.
Nos dispositivos piezotrônicos, o nanofio pode ser usado para criar um piezopotencial que seja ao longo ou perpendicular ao seu eixo longo. Para induzir um piezopotencial ao longo de seu eixo, os nanofios são colocados entre dois eletrodos de metal. O nanofio é frequentemente posicionado horizontalmente em um material flexível que se dobra com qualquer deformação mecânica. Para criar o piezopotencial, os nanofios passam por alongamento ou compressão, gerando um piezopotencial ao longo de seu eixo. O piezopotencial altera o campo elétrico e a altura da barreira de Schottky, o que será discutido em mais detalhes posteriormente. Um piezopotencial positivo em uma extremidade reduz a altura da barreira de Schottky no contato, enquanto um piezopotencial negativo aumentará a altura da barreira de Schottky, levando as propriedades de transporte a serem alteradas e ajustáveis com base no piezopotencial.
Uma segunda abordagem é anexar o nanofio a um eletrodo de metal em uma das extremidades do dispositivo, deixando-o livre na outra extremidade. Nesta abordagem, uma força mecânica é aplicada à extremidade livre do nanofio para dobrá-lo, e o piezopotencial se distribui perpendicularmente ao seu eixo longo. O campo piezoelétrico induzido, portanto, fica perpendicular à direção de transporte dos elétrons, que é ao longo de seu eixo devido ao confinamento quântico dos elétrons nas outras duas dimensões. O potencial induzido está relacionado à razão de aspecto do nanofio nessa abordagem, sendo muito semelhante aos princípios de aplicação de uma tensão de gate em transistores de efeito de campo (FETs). Essa abordagem induz características I-V assimétricas que permitem que as propriedades de transporte de elétrons sejam alteradas ajustando a tensão de gate do piezopotencial perpendicular.
Principais áreas arquitetônicas para o efeito piezotrônico
Como mencionado anteriormente, existem várias áreas arquitetônicas chave para dispositivos piezotrônicos, que incluem dispositivos semicondutores tanto na interface metal-semicondutor (M-S) quanto em uma junção p-n.
Interfaces Metal-Semicondutor
Um metal e um semicondutor se unem para formar uma interface M-S. Quando isso ocorre, as cargas se redistribuem porque as funções de onda eletrônicas dos materiais se sobrepõem. Isso acontece até que a interface atinja um equilíbrio térmico e os níveis de Fermi em ambos os lados da interface se alinhem. Isso, por sua vez, causa uma transferência líquida de carga na interface.
Se a afinidade eletrônica do semicondutor for menor que a função de trabalho do metal na interface, os elétrons fluirão através da interface do semicondutor para o metal. Isso também forma uma região de depleção na interface e deforma as bandas de energia próximas à interface. Essa descontinuidade das bandas de energia perto da interface é conhecida como barreira de Schottky e pode ter diferentes “alturas” dependendo de quão próxima está da interface.
A barreira de Schottky é uma medida do desajuste do nível de energia para os portadores de carga através da interface. O desajuste do nível de energia determina o nível de transporte dos portadores de carga através da interface e é um aspecto crucial dos dispositivos semicondutores. Uma corrente só pode passar pela barreira de Schottky se a polarização elétrica (positiva) aplicada no metal for maior que um valor de limiar.
Este é o princípio das junções M-S, mas quando o lado do semicondutor possui propriedades piezoelétricas, a tensão induzida no lado do semicondutor leva à geração de cargas de polarização piezoelétrica negativas. As cargas de polarização negativas podem repelir os elétrons para longe da interface, criando uma zona de depleção maior e uma altura maior da barreira de Schottky. Por outro lado, se a polaridade da tensão for invertida, o piezopotencial gerado pode atrair os elétrons. Isso resulta em uma redução da zona de depleção na interface e uma altura menor da barreira de Schottky.
A capacidade de atrair ou repelir os elétrons através da barreira usando a tensão induzida e o piezopotencial dos nanofios oferece uma maneira de modular as características de contato local através da junção e a corrente através do dispositivo. Variando a magnitude e a polaridade da tensão aplicada, os sistemas piezotrônicos podem ajustar a corrente através da interface M-S, o que pode ser utilizado para modular dispositivos semicondutores.
Junções P-N
As junções p-n tornaram-se um bloco de construção vital na eletrônica moderna. Junções p-n têm duas regiões semicondutoras, onde cada região é dopada de forma oposta à outra—uma é dopada com portadores de carga positivos e a outra é dopada com portadores de carga negativos.
Quando materiais dopados do tipo p e do tipo n formam uma junção, os buracos carregados positivamente do lado tipo p e os elétrons carregados negativamente do lado tipo n migram através da junção. À medida que os dois portadores de carga viajam pela junção, os elétrons combinam-se com os buracos para formar uma zona de depleção neutra. Esse processo redistribui o equilíbrio das cargas e o potencial local, levando a um equilíbrio térmico devido ao alinhamento da energia de Fermi em todo o sistema.
A formação de uma zona de depleção deixa portadores de carga—buracos e elétrons—separados em cada lado da zona. A presença de uma zona de depleção pode aumentar o efeito piezotrônico se esses materiais forem usados como parte da junção semicondutora. Isso ocorre porque as cargas de polarização piezoelétricas são preservadas devido aos portadores livres residuais na zona de depleção serem insignificantes.
Para esses tipos de junções aprimoradas por piezotrônicos, apenas o material do tipo n é tipicamente piezoelétrico. Uma vez que uma tensão é induzida no dispositivo contendo a junção, cargas de polarização piezoelétricas positivas—e um piezopotencial positivo—são induzidos próximos à junção no lado do tipo n. Isso atrai os elétrons em direção à interface, resultando na captura ou acumulação de elétrons adjacentes à interface, o que causa uma mudança no perfil das bandas eletrônicas ao redor da interface. A capacidade de mudar esse perfil de bandas com o efeito piezotrônico significa que as propriedades eletrônicas e a corrente através do dispositivo podem ser moduladas alterando o fluxo de portadores de carga em direção à junção.
Conclusão
Dispositivos piezotrônicos são um subconjunto de dispositivos piezoelétricos facilitados pela nanotecnologia, que utilizam o piezopotencial gerado nos dispositivos piezoelétricos para modular a transferência de portadores de carga em junções semicondutoras. Eles são tipicamente compostos por materiais unidimensionais, como nanofios semicondutores, e estão ganhando interesse em dispositivos semicondutores. Até agora, eles têm sido utilizados em interfaces metal-semicondutor e junções p-n e oferecem propriedades diferentes em comparação com outros dispositivos piezoelétricos, incluindo dispositivos de modulação de portadores de carga CMOS.
Artigo publicado por Liam Critchley no blog da Mouser Electronics: What Are Piezotronic Devices?
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
