Qual é o semicondutor mais comum? A história por trás do domínio do silício na eletrônica moderna

Entre em qualquer laboratório de eletrônica e pergunte qual material mantém os engenheiros empregados, e você ouvirá sempre a mesma palavra. Silício. Tem sido a resposta há tanto tempo que a pergunta quase não é mais feita. Uma região inteira da Califórnia leva seu nome. As maiores empresas do mundo são construídas sobre isso, literal e financeiramente. Mas o silício não chegou a esta posição porque alguém decidiu que era o melhor semicondutor imaginável. Chegou lá através de uma combinação de boa química, timing afortunado e o tipo de impulso industrial que é quase impossível de reverter depois de iniciado.

 

 

Semicondutor

 

Não começou com silício

O primeiro transistor não era feito de silício. Quando Bardeen e Brattain demonstraram seu dispositivo no Bell Labs em dezembro de 1947, o material por baixo dos contatos de ouro era germânio. Havia boas razões para isso. O germânio era mais fácil de purificar até os níveis exigidos pelos primeiros trabalhos com semicondutores, e os elétrons moviam-se através dele mais livremente do que através do silício, nas tensões que os pesquisadores estavam usando. Se você fosse um físico em 1950 e apostasse em qual material dominaria a indústria eletrônica, o germânio não teria sido uma escolha irracional.

Perdeu de qualquer maneira. E a forma como perdeu diz algo importante sobre a forma como a tecnologia realmente se desenvolve, o que raramente segue o caminho que parece mais promissor à partida.

A falha fatal do germânio foi térmica. Seu bandgap é de 0,67 elétron-volts, estreito o suficiente para que o aumento da temperatura faça com que os dispositivos vazem corrente de maneiras que os engenheiros não poderiam controlar facilmente. Coloque um transistor de germânio dentro de uma peça de equipamento militar, ou próximo a um tubo de vácuo quente, ou simplesmente em um dispositivo que esteja funcionando há uma hora, e seu comportamento mudará. Esse tipo de imprevisibilidade é tolerável em laboratório. Não é tolerável em um produto.

 

Uma camada de vidro que mudou a fabricação

O silício tem um bandgap de 1,1 elétron-volts, o que lhe confere estabilidade térmica significativamente melhor. Dispositivos construídos em silício poderiam funcionar de forma confiável em temperaturas que causavam o mau comportamento do germânio. Só isso poderia ter sido suficiente para fazer pender a balança. Mas o silício tinha uma segunda vantagem que ninguém havia previsto e que acabou sendo mais importante do que qualquer outra coisa.

Quando o silício é exposto ao oxigênio, forma-se uma camada fina, dura e uniforme de dióxido de silício em sua superfície. O dióxido de silício é eletricamente isolante, quimicamente estável e se liga ao silício abaixo dele com uma consistência que pode ser controlada e repetida em todo o wafer. Quando os engenheiros, no final da década de 1950, estavam descobrindo como construir transistores em uma superfície plana e conectá-los ao metal depositado, essa camada de óxido nativo tornou-se o ingrediente essencial. Serviu como barreira isolante entre os componentes. Você poderia cultivá-lo termicamente, gravar janelas com ácido, depositar novas camadas sobre ele e fazer tudo isso com precisão suficiente para definir características que o olho não pode ver.

O germânio não possui esse óxido. O dióxido de germânio se dissolve na água e se desfaz nas temperaturas exigidas pelo processamento de semicondutores. Este não era um problema solucionável com uma engenharia melhor. Era uma propriedade material e efetivamente desqualificava o germânio do processo de fabricação para o qual a indústria estava convergindo.

O silício venceu não apenas pelo que era, mas pelo que fazia dentro de um ambiente de fabricação. O processo planar precisava de um material com um óxido estável e cultivável. Silício tinha um. Todo o resto se seguiu a isso.

 

Qual é a aparência de noventa por cento dos wafers do mundo

O silício agora representa mais de noventa por cento de todos os wafers semicondutores produzidos globalmente. É o substrato para os processadores do seu laptop, a memória do seu telefone, o sensor de imagem da sua câmera, os transistores de potência do controlador do compressor da sua geladeira e as células solares que vão para um número crescente de telhados. A amplitude da sua presença é difícil de exagerar.

Parte do que sustenta isso é a pura escala industrial. Uma moderna fábrica de pastilhas de silício custa algo entre dez e vinte bilhões de dólares para ser construída, e cada ferramenta dentro dela, cada processo químico, cada procedimento de controle de qualidade, foi desenvolvido e refinado ao longo de décadas tendo o silício especificamente em mente. Os fotorresistentes são formulados para silício. Os produtos químicos de gravação são ajustados para silício. Os engenheiros conhecem o silício.

O que a maioria das pessoas fora do setor não pensa é na infraestrutura de suporte que faz um funcionamento fabuloso. A fabricação de semicondutores depende de um fluxo ininterrupto de água ultrapura, gases de processo e agentes químicos agressivos que se movem através de sistemas de distribuição cuidadosamente controlados. Cada caminho de fluido em uma fábrica, desde os circuitos de água deionizada que enxáguam os wafers entre as etapas até as linhas que transportam ácido fluorídrico para remoção de óxido, requerem componentes que possam lidar com meios corrosivos sem contaminar o processo. UMválvula de esfera de aço inoxidávelé um dos pontos de controle mais comuns nesses sistemas, utilizado para isolar linhas, regular a vazão e permitir manutenção sem desligar todo o circuito. Os padrões de limpeza aplicados a essas válvulas em um ambiente de semicondutores são consideravelmente mais exigentes do que na maioria das outras indústrias, porque mesmo vestígios de contaminação por metais provenientes de uma conexão mal especificada podem arruinar um lote inteiro de wafers. Por esse motivo, os engenheiros da fábrica tratam a seleção de cada válvula de esfera de aço inoxidável em um sistema de distribuição de produtos químicos com a mesma seriedade com que especificam equipamentos de processo, revisando certificações de materiais, padrões de acabamento superficial e níveis de contaminantes extraíveis antes que uma única válvula seja instalada na linha.

Esta é a camada da indústria que raramente aparece na cobertura de chips e fabricação, mas é tão essencial quanto as próprias máquinas de litografia. Quando as pessoas falam que a cadeia de fornecimento de semicondutores é difícil de replicar ou realocar, estão falando em parte sobre isso: a especificidade acumulada de cada componente no processo, até os acessórios e hardware de controle de fluxo dentro de um gabinete de entrega de produtos químicos.

 

Válvula de esfera de aço inoxidável LEADTEK 2PC

 

Os lugares onde o silício fica fora do caminho

O silício tem limites genuínos e, em certas aplicações, esses limites deixaram de ser preocupações teóricas e passaram a ser problemas reais de engenharia.

O nitreto de gálio tem um bandgap de 3,4 elétron-volts, mais de três vezes o do silício. Essa lacuna maior permite que os transistores GaN bloqueiem tensões mais altas, alternem em frequências mais altas e dissipem o calor de forma mais eficaz do que um dispositivo de silício de tamanho comparável. Os carregadores rápidos fornecidos com smartphones e laptops atuais usam transistores de potência GaN em vez de silício, e é por isso que eles podem acomodar sessenta ou cem watts de capacidade de carregamento em algo pequeno o suficiente para esquecer no bolso da jaqueta. O silício precisaria de um dispositivo fisicamente maior para fazer o mesmo trabalho com a mesma eficiência. Os amplificadores GaN também são fundamentais para a infraestrutura da estação base 5G, onde os limites de frequência do silício se tornam um teto rígido em vez de uma diretriz flexível.

O carboneto de silício desempenha um papel semelhante em níveis de potência mais elevados, particularmente onde a remoção de calor é a restrição de ligação. Sua condutividade térmica é aproximadamente três vezes maior que a do silício, o que é importante quando você direciona centenas de quilowatts através do inversor de um veículo elétrico. Vários grandes fabricantes mudaram seus inversores de tração de IGBTs de silício para módulos de carboneto de silício, e os ganhos de eficiência foram reais o suficiente para aparecer nos números de autonomia.

Além destes dois, existem materiais que geram considerável interesse de investigação, mas que ainda não passaram para a produção convencional. O óxido de gálio tem um bandgap próximo a cinco elétron-volts e características teóricas de ruptura que o tornariam útil em aplicações de tensão muito alta, mas a tecnologia para o crescimento de wafers-livres de defeitos em escala ainda está sendo desenvolvida. A mobilidade dos elétrons do grafeno é teoricamente de cerca de duzentos mil centímetros quadrados por volt{3}}segundo, um número que supera os mil e quatrocentos do silício, e os pesquisadores têm apontado esse número há quase vinte anos, enquanto os transistores de grafeno práticos que realmente competem com o silício em um circuito real permanecem em grande parte fora de alcance.

 

A posição honesta

O silício é o semicondutor mais comum e assim permanecerá por mais tempo do que a maioria das pessoas que atualmente trabalham na indústria poderá ver. GaN e SiC não estão substituindo amplamente o silício. Eles estão conquistando áreas específicas do mercado onde a física do silício realmente deixou de ser adequada, e o silício está cedendo essas áreas sem muita luta, porque a economia ali mudou contra ela.

O que realmente está mudando é algo mais sutil. Durante a maior parte da história da indústria de semicondutores, o silício não foi apenas o material mais comum. Era o material presumido, o ponto de partida para qualquer conversa sobre design, o padrão do qual você só se afastava quando tinha um motivo extraordinariamente forte para isso. Essa suposição está se afrouxando nas bordas. Não desabando, não sendo derrubado, apenas afrouxando. O semicondutor mais comum ainda é o silício. A questão mais interessante em materiais semicondutores no momento é onde o silício deixa de ser a resposta óbvia e o que preenche o espaço que ele deixa.