Materiais eletrônicos essenciais: Parte 1 - Silício
1 Introdução
O silício, um material fundamental na eletrônica moderna, é essencial em aplicações que vão de circuitos integrados a células solares. Como um quase-metal tetravalente e semicondutor, a estrutura e as propriedades do silício o tornam inestimável em dispositivos eletrônicos. Sua abundância, preço acessível e pureza altamente ajustável garantiram seu papel como o material fundamental do setor. Este artigo discute as propriedades básicas do silício, os processos de extração e produção e as aplicações, juntamente com suas vantagens e limitações, fornecendo uma visão geral do motivo pelo qual o silício continua a ser a pedra angular da ciência dos materiais eletrônicos.
2 Propriedades básicas do silício
O silício é um elemento químico com o símbolo Si, número atômico 14 e massa atômica relativa 28,0855. É um sólido cristalino duro e quebradiço, um quase metal tetravalente e um semicondutor. É um sólido cristalino duro e quebradiço, um quase metal tetravalente e um semicondutor. Possui dois isômeros, o silício amorfo e o cristalino, e pertence ao terceiro período da tabela periódica dos elementos, o grupo IVA de elementos metaloides. O silício cristalino é cinza-preto, com densidade de 2,32-2,34 g/cm3, ponto de fusão de 1410 ℃ e ponto de ebulição de 2355 ℃. O silício cristalino pertence ao cristal atômico. Insolúvel em água, ácido nítrico e ácido clorídrico, solúvel em ácido fluorídrico e lixívia. É duro e tem um brilho metálico.
O silício também é um elemento comum na natureza, geralmente na forma de silicatos complexos ou sílica, amplamente presente em rochas, cascalho e poeira. O silício é o oitavo elemento mais abundante no universo. Ele é amplamente distribuído em poeira, grãos de areia, planetesimais e planetas como sílica (silicatos) ou silicatos. Mais de 90% da crosta terrestre é composta de minerais de silicato, tornando o silício o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (cerca de 28% em massa), depois do oxigênio.
O átomo de silício está localizado no grupo principal IV da tabela periódica; ele tem um número atômico de 14 e 14 elétrons fora do núcleo. Os elétrons fora do núcleo, de acordo com o nível de energia do átomo de silício baixo para o alto, de dentro para fora, formam camadas ao redor. A primeira camada de elétrons fora do núcleo do átomo de silício tem 2 elétrons, e a segunda camada tem 8 elétrons, atingindo um estado estável. A camada mais externa tem 4 elétrons de valência, que desempenham um papel importante na condutividade do átomo de silício.
Como o átomo de silício tem essa estrutura, existem algumas de suas propriedades especiais: os 4 elétrons de valência mais externos fazem com que os átomos de silício se liguem covalentemente, o silício tem alto ponto de fusão e densidade; as propriedades químicas são mais estáveis, a temperatura ambiente é difícil de reagir com outras substâncias (exceto fluoreto de hidrogênio e soda cáustica); os cristais de silício na concentração de elétrons livres são muito baixos, podem ser condutores, mas a condutividade não é tão boa quanto a do metal, com o aumento da temperatura e o aumento das propriedades semicondutoras.
Fig. 1 Estrutura atômica do silício
3 Processo de extração e produção de silício
3.1 Preparação de silício amorfo e cristalino
A sílica amorfa pode ser produzida pela redução da sílica pelo magnésio. No laboratório, o pó de magnésio pode ser usado para reduzir a sílica em pó sob calor vermelho, e o óxido de magnésio e o pó de magnésio resultantes são lavados com ácido diluído e, em seguida, o ácido fluorídrico é usado para lavar a sílica que não sofreu ação, ou seja, a sílica monomórfica é obtida. Esse método de produção não é suficientemente puro para o silício amorfo, que é um pó marrom-escuro.
O silício cristalino pode ser produzido pela redução do dióxido de silício com carbono em um forno elétrico. O silício é produzido industrialmente pela redução da sílica (>99% SiO2) em um forno elétrico a arco. Os agentes redutores usados são o coque de petróleo e o carvão vegetal, entre outros. Quando se usa um forno a arco de corrente contínua, é possível usar coque de petróleo em vez de carvão vegetal. O coque de petróleo tem baixo teor de cinzas (0,3% a 0,8%), e o uso de sílica de alta qualidade (SiO2 superior a 99%) permite o refino direto de silício de alta qualidade para a fabricação de chapas de aço silício.
Fig. 2 Equipamento de preparação de silício cristalino - forno a arco CC
3.2 Preparação de silício de alta pureza, silício monocristalino e silício policristalino
O silício de alta pureza para a indústria eletrônica é produzido pela redução do triclorohidreto de silício ou do tetracloreto de silício com hidrogênio. O processo consiste em reduzir o triclorohidreto de silício de alta pureza SiHCl3 ou SiCl4 com hidrogênio em hastes de silício quentes a 1200 °C.
O silício monocristalino ultrapuro pode ser preparado por métodos de extração direta ou fusão por zona etc. O silício monocristalino de fusão por zona é preparado utilizando-se o método de fusão por zona flutuante, por isso também é conhecido como silício monocristalino FZ. O silício monocristalino de extração direta é preparado usando o método de Chernobyl, conhecido como silício monocristalino CZ. Esses dois tipos de silício monocristalino têm características diferentes e aplicações de dispositivos diferentes: o silício monocristalino de fusão de zona é usado principalmente em dispositivos de alta potência, apenas uma parte muito pequena do mercado de silício monocristalino, no mercado internacional, representando cerca de 10%, aproximadamente, e o silício monocristalino de tração reta é usado principalmente em circuitos integrados microeletrônicos e células solares, sendo o tema do silício monocristalino. Em comparação com o silício monocristalino de fusão por zona, o custo de fabricação do silício monocristalino de tração direta é relativamente baixo, tem alta resistência mecânica e é fácil de preparar um único cristal de grande diâmetro, de modo que o campo de células solares é usado principalmente na aplicação do silício monocristalino de tração direta, em vez do silício monocristalino de fusão por zona.
O método Czochralski foi inventado pelo polonês J. Czochralski em 1971, por isso também é conhecido como método de Che. Em 1950, Teal e outros serão usados para o crescimento de monocristais semicondutores de germânio e, em seguida, usarão esse método de crescimento de silício monocristalino de tração reta, com base no qual Dash propôs um crescimento de silício monocristalino de tração reta da tecnologia "necking", G. Ziegler propôs o crescimento rápido de necking da tecnologia de pescoço fino, constituindo a preparação moderna do método básico de silício monocristalino de tração reta sem deslocamento de grande diâmetro. O crescimento do silício monocristalino de tração reta tem sido a principal tecnologia para a preparação do silício monocristalino, mas também o principal método de preparação do silício monocristalino para células solares.
Fig. 3 Cristal de silício sendo cultivado pelo método Czochralski na Raytheon
O processo de preparação do silício monocristalino de tração direta geralmente inclui o carregamento e a fusão do polissilício, o cristal de semente, o estrangulamento, a liberação do ombro, a isometria e o acabamento.
Os cristais colunares de polissilício para células solares, com direção de crescimento do cristal verticalmente para cima, são obtidos por meio do processo de solidificação direcional (também conhecido como solidificação controlada, solidificação restrita), ou seja, no processo de cristalização, por meio do controle das mudanças no campo de temperatura, a formação de fluxo de calor unidirecional (direção de crescimento e a direção da direção oposta do fluxo de calor) e os requisitos da interface líquido-sólido no gradiente de temperatura são maiores que 0 e transversais aos requisitos da ausência de um gradiente de temperatura, para formar a formação de crescimento direcional dos cristais colunares. A realização do crescimento de solidificação direcional de polissilício dos quatro métodos é o método Brillman, o método de troca de calor, o método de fundição de lingote eletromagnético e o método de fundição. Atualmente, o método mais comum usado pelas empresas é o método de troca de calor para produzir polissilício. O método de troca de calor para a produção de fluxo de processo específico de polissilício fundido é geralmente o seguinte: carregamento → aquecimento → material químico → crescimento de cristal → recozimento → resfriamento.
4 Silício na indústria eletrônica
4.1 Circuito integrado (CI)
Na fabricação de circuitos integrados (CI), as pastilhas de silício servem como material de substrato do chip e se tornaram um componente essencial dos dispositivos eletrônicos modernos. A maioria dos dispositivos, como computadores, smartphones e tablets, depende internamente desses CIs baseados em silício para computação e processamento de dados. O silício tem excelentes propriedades semicondutoras, o que o torna um material ideal para a fabricação de transistores. Os transistores são os principais componentes dos circuitos integrados, permitindo que eles realizem operações de comutação e lógica por meio do controle do fluxo de corrente elétrica, que é a base das complexas funções de computação dos chips modernos.
Além disso, a abundância de materiais de silício e a sofisticação das tecnologias de purificação reduzem ainda mais seus custos de produção. O silício está disponível em abundância na Terra e pode ser facilmente purificado com um grau de pureza extremamente alto por meio do método de fusão por zona, que atende aos rigorosos requisitos de material para a fabricação de circuitos integrados. Essa característica não é apenas adequada para a fabricação em larga escala, mas também fornece ao setor de chips uma fonte sustentável de materiais de baixo custo, tornando os CIs baseados em silício a pedra fundamental para impulsionar o desenvolvimento da era da informação.
Fig. 4 Circuito integrado
4.2 Células solares
O silício monocristalino e policristalino, bem como os filmes finos feitos de silício, têm aplicações importantes em células solares.
As células solares de silício monocristalino são feitas de silício monocristalino de alta pureza, que tem a mais alta eficiência de conversão fotovoltaica (normalmente 20% ou mais) devido à sua estrutura celular homogênea e aos baixos defeitos de rede. O silício monocristalino tem boas propriedades de absorção de luz e reduz a perda de energia durante a conversão fotovoltaica. Devido à sua alta eficiência e estabilidade, as células solares de silício monocristalino são amplamente usadas em aplicações que exigem alta densidade de energia, como telhados de residências, edifícios comerciais e usinas de energia solar em escala de serviços públicos. Essas células são adequadas para instalações de longo prazo e situações que exigem alta eficiência energética e, apesar de seu custo relativamente alto, elas podem maximizar a geração de energia em situações em que o uso da terra é limitado.
As células solares de silício policristalino são moldadas a partir de blocos de silício policristalino, cuja estrutura cristalina contém um grande número de limites de grãos, resultando em eficiências de conversão fotovoltaica ligeiramente menores do que as do silício monocristalino (normalmente entre 15% e 18%). Os materiais de silício policristalino consomem menos energia para serem produzidos e são relativamente mais baratos. As células de silício policristalino são econômicas e, portanto, são comumente usadas em grandes painéis solares e para fornecer energia a empresas de serviços públicos e instalações industriais. Elas também são usadas em sistemas fora da rede em cenários como eletrificação rural e iluminação de sinais de trânsito. Essas células podem fornecer alta geração de energia e, ao mesmo tempo, ser econômicas, o que as torna ideais para ampla instalação em fazendas solares montadas no solo e em áreas fora da rede.
As células solares de silício de película fina são fabricadas depositando-se uma camada muito fina de material de silício em um substrato de vidro, metal ou plástico. Devido à fina camada de silício, sua eficiência de conversão fotovoltaica é geralmente baixa (normalmente em torno de 10% a 12%), mas elas são leves e flexíveis. Devido à sua leveza e flexibilidade, as células solares de silício de película fina são adequadas para aplicações integradas em edifícios (BIPV), onde podem ser montadas diretamente em fachadas de edifícios, janelas e outras superfícies para equipar a estrutura do edifício com recursos de geração de energia. Além disso, essas células podem ser usadas em dispositivos portáteis e vestíveis, como mochilas solares, tendas e outros aplicativos móveis para fornecer suporte de energia para pequenos dispositivos.
Fig. 5 Células solares
4.3 Sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sensores
O silício tem uma ampla gama de aplicações no campo de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sensores, graças à sua excelente estabilidade mecânica e elétrica. Os dispositivos MEMS utilizam as propriedades do silício para converter sinais mecânicos e elétricos em microescala e são usados em uma grande variedade de dispositivos, como acelerômetros, giroscópios, sensores de pressão, etc. Esses dispositivos desempenham um papel fundamental nos sistemas de airbag automotivo, no sensor de movimento de smartphones, no controle de equilíbrio de drones e muito mais. Esses dispositivos desempenham um papel fundamental nos sistemas de airbag automotivo, na detecção de movimento em smartphones e no controle de equilíbrio em drones. Além disso, os sensores baseados em silício podem medir com precisão os parâmetros ambientais, como temperatura, umidade e pressão, o que os torna amplamente utilizados nos setores automotivo, de automação industrial e de eletrônicos de consumo. O silício também é usado em dispositivos microfluídicos, cuja estrutura de microcanais permite o controle de alta precisão de fluidos, e é usado no "laboratório em um chip" da área médica para detectar substâncias minúsculas em amostras líquidas, o que promove o desenvolvimento portátil do diagnóstico de doenças e da bioanálise. Essas tecnologias de sensores e MEMS baseadas em silício estão impulsionando os avanços em eletrônica inteligente, automação e engenharia biomédica.
Fig. 6 MEMS
4.4 Eletrônica de potência
O silício desempenha um papel importante na eletrônica de potência e é amplamente utilizado em dispositivos semicondutores de potência, como MOSFETs e IGBTs. Devido à sua boa condutividade e velocidades de comutação, esses dispositivos são particularmente adequados para a conversão de energia de alta eficiência em aplicações como veículos elétricos, conversores de energia e carregadores. Os dispositivos de energia de silício também têm altas densidades e eficiências de energia, o que os torna amplamente usados em aplicações que exigem transmissão eficiente, como centros de dados, estações de base de comunicações e fontes de alimentação. Embora o desempenho do silício em ambientes de alta temperatura e alta tensão seja relativamente limitado, sua estabilidade e economia em aplicações de baixa e média potência são excelentes, tornando-o o material preferido para dispositivos de pequena e média potência. Ao mesmo tempo, para expandir o desempenho e as aplicações dos dispositivos de silício, muitos estudos estão explorando novos materiais e estruturas à base de silício para aprimorar seu desempenho em ambientes de alta temperatura ou extremos, impulsionando o desenvolvimento de futuras tecnologias de eletrônica de potência.
4.5 Aplicações fotovoltaicas de silício
O silício também desempenha um papel importante em aplicações optoeletrônicas, especialmente em optoeletrônica baseada em silício, LEDs baseados em silício e fotônica de silício. Os fotodiodos de silício são amplamente usados em sistemas de comunicação óptica como detectores de luz e fotodiodos em data centers e comunicações por fibra óptica para suportar a transmissão de dados de alta velocidade e longa distância. Embora o silício não seja um material ideal para emissão de luz, sua fotoresponsividade na faixa do infravermelho levou ao seu uso em LEDs infravermelhos e também no empacotamento de chips, especialmente em cenários em que são necessários baixo custo e durabilidade. Além disso, a fotônica de silício está surgindo como uma tecnologia que permite a transmissão, o processamento e a computação de sinais ópticos por meio de circuitos integrados optoeletrônicos baseados em silício, que podem desempenhar um papel importante em 5G, computação de IA e outras áreas que exigem transmissão de dados em alta velocidade. Essas aplicações de fotônica de silício impulsionam o desenvolvimento de comunicações de dados, processamento de informações e computação óptica, permitindo que o silício desempenhe um papel fundamental de apoio aos avanços tecnológicos na convergência da eletrônica e da óptica.
5 Vantagens e limitações do silício
5.1 Vantagens do silício
1. Abundância e sustentabilidade: O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, representando mais de 27% da massa da crosta, e é encontrado principalmente na areia e no quartzo. Isso significa que o silício é extremamente abundante, relativamente fácil de acessar e sustentável. A abundância de reservas não apenas garante uma cadeia de suprimentos estável para o silício, mas também o torna uma opção confiável para a produção industrial em larga escala, proporcionando ao setor uma garantia de crescimento a longo prazo.
Fig. 7 Conteúdo elementar da crosta terrestre
2. Alta pureza controlável: No setor de eletrônicos, a pureza dos materiais semicondutores é fundamental. O silício pode ser purificado por fusão de zona para atingir níveis de pureza extremamente altos (acima de 99,9999%), um nível de pureza que atende aos requisitos de dispositivos de alta precisão, como circuitos integrados e transistores. A fusão por zona é uma técnica de purificação altamente eficiente que remove as impurezas aquecendo áreas específicas de uma haste de silício e movendo lentamente a zona de fusão para atingir um nível extremamente alto de pureza dentro do material em uma faixa controlada. Essa pureza altamente controlável permite que o silício seja excelente em muitas aplicações eletrônicas complexas, especialmente em microeletrônica e circuitos integrados.
3. Menor custo: Em comparação com outros materiais semicondutores, como o arseneto de gálio e o carbeto de silício, a extração e o processamento do silício são mais baratos. Por um lado, as reservas naturais de silício são abundantes e fáceis de extrair, e o processo de purificação necessário é relativamente maduro e adequado para a produção em larga escala. Por outro lado, a alta estabilidade do silício o torna menos suscetível a perdas na fabricação e no processamento, o que reduz ainda mais os custos de produção. Como resultado, o silício se tornou a opção mais econômica em áreas como microprocessadores, memória e células solares.
5.2 Limitações do silício
1. Características ruins em altas temperaturas: Embora o silício tenha um comportamento estável em temperatura ambiente, sua condutividade em altas temperaturas não é ideal. Em ambientes de alta temperatura, a resistividade do silício diminui, levando a um fluxo de corrente instável, o que afeta o desempenho do dispositivo. Isso faz com que o silício seja limitado em ambientes de alta potência e alta temperatura, como aeroespacial, eletrônica militar e conversores de energia de alta potência, onde é necessária uma operação sustentada em altas temperaturas e a estabilidade térmica do silício não é suficiente para suportar essas aplicações. Esses tipos de requisitos geralmente exigem a seleção de materiais com melhor desempenho em altas temperaturas, como o carbeto de silício, para substituir o silício.
2. Limitação de bandgap: O silício tem um baixo bandgap (1,1 eV), que, embora conduza à alta sensibilidade em algumas aplicações, é indesejável em dispositivos de alta velocidade e alta frequência. O bandgap mais baixo limita a velocidade com que os elétrons podem alternar, fazendo com que o silício tenha um desempenho inferior em altas frequências do que outros materiais com bandgaps mais amplos, como o arseneto de gálio, e, portanto, é limitado em aplicações de comunicação de alta velocidade, como 5G, dispositivos de ondas milimétricas e amplificadores de potência de RF. Essas aplicações exigem materiais com bandgaps mais altos para garantir que os dispositivos possam suportar frequências mais altas e maior velocidade de transmissão de dados.
6 Conclusão
O papel do silício na eletrônica é incomparável devido à sua abundância, custo-benefício e propriedades semicondutoras exclusivas. Sua alta pureza e facilidade de fabricação permitem que ele se destaque em áreas como microeletrônica, energia solar e MEMS. No entanto, o silício enfrenta limitações em ambientes de alta temperatura e aplicações de alta frequência, onde materiais alternativos, como carbeto de silício e arseneto de gálio, costumam ser preferíveis. Os avanços contínuos na tecnologia do silício visam a enfrentar esses desafios, garantindo sua relevância duradoura na evolução da eletrônica. O silício continua indispensável, impulsionando a inovação e apoiando a transformação contínua dos cenários de energia digital e renovável.
A Stanford Advanced Materials (SAM) é uma importante fornecedora de materiais de silício de alta qualidade, apoiando essas aplicações críticas com soluções de materiais confiáveis.
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