Silício a partir da areia à revolução digital

O silício é o elemento que impulsionou as maiores mudanças em nossas vidas modernas. Os chips de silício em computadores, telefones e todos os outros dispositivos revolucionaram tanto a maneira como trabalhamos quanto a maneira como jogamos, enquanto as fibras ópticas feitas de sílica cruzam o globo para criar as redes de comunicação no coração do nosso mundo conectado.

O poder da eletrônica de silício advém, é claro, das propriedades semicondutoras do elemento, que permitem a criação de dispositivos de estado sólido que podem ser alternados repetidamente entre estados “ligado” e “desligado”. Mas o silício não é o melhor material eletrônico – o germânio, por exemplo, suporta transporte de elétrons mais rápido, e era um sério rival do silício quando os transistores semicondutores estavam sendo desenvolvidos na década de 1950. O silício, entretanto, tem importantes vantagens para a adoção em massa: é barato e abundante – sendo o silício o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre – e camadas finas de isolamento necessárias para estruturas de transistores são fáceis de serem feitas aquecendo pastilhas de silício forno para formar dióxido de silício estável.

O primeiro transistor de silício a operar a velocidades mais rápidas do que o germânio foi demonstrado em 1961 pelo físico Jean Hoerni da Fairchild Semiconductor, que adicionou dopantes de ouro para controlar e melhorar as propriedades eletrônicas naturais do silício. O trabalho de Hoerni foi financiado por Cray, que passou a construir o primeiro supercomputador do mundo a partir de 600.000 transistores individuais que foram embalados em um módulo especialmente projetado para minimizar os comprimentos de conexão.

Mas foi o surgimento de circuitos integrados de silício no início dos anos 1960 que trouxeram computadores para o mainstream. O número de componentes que poderiam ser combinados em um único chip dobrou a cada ano e, a partir de 1975, a cada dois anos – como previsto por Gordon Moore, diretor de pesquisa e desenvolvimento da Fairchild. A Lei de Moore, desde então, tornou-se uma profecia auto-realizável que impulsionou a inovação contínua na indústria de silício, com os mais recentes projetos usando técnicas de fabricação em nanoescala para empilhar mais de um bilhão de transistores em um único chip.

A capacidade de fabricação e o baixo custo da microeletrônica de silício também geraram outras micro. As células solares feitas de silício cristalino dominam o mercado fotovoltaico, sendo responsáveis ​​por mais de 90% dos dispositivos instalados, embora as propriedades ópticas menos que perfeitas do silício limitem as eficiências de conversão para cerca de 20%. E os pesquisadores estão ampliando os limites do que é possível com a fotônica de silício, desenvolvendo chips ópticos que aumentariam a velocidade de transmissão de dados e interconexões no chip, e trabalhos recentes exploraram o silício para demonstrar os componentes básicos dos processadores quânticos.

O que é crítico para essas aplicações de alta tecnologia é a capacidade de criar wafers de silício ultrapuro. Lingotes cilíndricos enormes, ou “bocha”, de silício monocristalino quase livre de defeitos podem ser formados puxando um cristal de semente de silício fundido, e esses bocados são então fatiados e polidos para formar pastilhas de até 450 mm de diâmetro. Dopantes também podem ser adicionados ao fundido, fornecendo aos engenheiros controle preciso sobre as propriedades eletrônicas das pastilhas. Mas apenas uma pequena porcentagem de silício elementar é produzida com uma pureza tão alta. Outras aplicações, que incluem a fabricação de metais e a produção de produtos químicos, como silicones, podem tolerar níveis mais altos de impureza e podem ser produzidos usando processos industriais mais baratos.

Enquanto isso, a grande maioria do silício usado na vida cotidiana explora sua forma natural, com o dióxido de silício cristalino – na forma de areia e quartzo – constituindo cerca de 12% da crosta terrestre. Esta sílica é quimicamente inerte e tem um alto ponto de fusão, tornando-se um ingrediente popular em materiais de construção, cerâmica, alimentos e cosméticos – e até mesmo as pequenas sacos que removem a umidade de produtos embalados.

A sílica também pode ser transformada em vidro, que é feito por aquecimento de areia a cerca de 1600 °C e depois resfriada rapidamente para formar um sólido amorfo. O vidro de sílica pura é usado principalmente para aplicações exigentes que exigem alta resistência térmica e estabilidade química, tais como cadinhos e tubos de fornos, enquanto o material de vidro encontrado em laboratórios de ciência contém tipicamente cerca de 80% de dióxido de silício.

Mais recentemente, o vidro de sílica encontrou uma nova importância como o material de escolha para a maioria das fibras ópticas usadas nas redes de comunicação atuais. A sílica oferece uma boa transmissão óptica nos comprimentos de onda de 1,55 µm, mas foi apenas em 1986 – quando David Payne, da University of Southampton, e Emmanuel Desurvire, da Bell Labs, inventaram o amplificador de fibra dopado com érbio – que os sistemas ópticos se tornaram opção viável para ligações intercontinentais. Combinado com a invenção da multiplexação por divisão de comprimento de onda, que permite a transmissão de múltiplos sinais ópticos através de uma única fibra, esses sistemas ópticos permitiram que as empresas de telecomunicações dobrassem a capacidade a cada seis meses entre 1992 e 2001, quando a taxa de dados atingiu 10 Tb / s.

O Silicon, então, não apenas permitiu que engenheiros de dispositivos empacotassem mais energia de computadores em dispositivos menores, mas também fornecessem os links de dados de alta velocidade que nos permitem ficar conectados, coletar e processar grandes quantidades de dados científicos e transmitir vídeos em nossos telefones. E ainda mais surpreendente é que esse mundo de alta tecnologia é, literalmente, baseado na areia. Por essa razão, o silício recebe meu voto.

Fonte: Physics World