A versatilidade do silício se deve à sua abundância na crosta terrestre e às suas propriedades como metaloide.
Você pode encontrar mais detalhes sobre a importância do silício na tecnologia no vídeo Silício O Elemento que Sustenta a Era Digital!. Este vídeo curto de química explica como o silício se tornou a base para a indústria eletrônica moderna e a transição energética.
A principal razão pela qual o silício é o material mais utilizado na fabricação de componentes semicondutores (como chips, transistores e células solares) é a sua propriedade de semicondutibilidade inerente e controlável.
💡 Propriedades Ideais do Silício para Semicondutores
O silício é um metaloide tetravalente, ou seja, possui quatro elétrons em sua camada de valência (n=4), o que permite que ele forme ligações covalentes estáveis com outros átomos de silício em sua estrutura cristalina. Suas características únicas que o tornam o material preferido são:
1. Semicondutibilidade Controlável (Dopagem)
O silício puro é um semicondutor intrínseco. No entanto, sua condutividade pode ser precisamente controlada por um processo chamado dopagem.
Dopagem: Consiste em adicionar pequenas quantidades de impurezas (átomos de outros elementos), como Boro (valência 3) ou Fósforo (valência 5), à estrutura cristalina do silício.
Ao juntar silício tipo N e P, é possível criar as junções P-N, que são a base de diodos e transistores , permitindo que os dispositivos controlem o fluxo de eletricidade, ligando e desligando.
2. Abundância e Custo
O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (cerca de 28% em massa), tornando a matéria-prima relativamente barata e amplamente disponível (principalmente na forma de sílica, SiO2, presente na areia e no quartzo).
3. Formação Estável de Óxido
O silício forma um óxido de silício (SiO2) de altíssima qualidade (isolante elétrico) na superfície do wafer quando exposto ao oxigênio a altas temperaturas.
O SiO2 atua como um excelente isolante e camada protetora nos dispositivos eletrônicos.
Esta camada pode ser cultivada de maneira uniforme e controlada, o que é essencial para o isolamento entre as diferentes partes dos microchips.
4. Estabilidade Térmica e Mecânica
O silício é um material quimicamente inerte e possui alta estabilidade em uma ampla faixa de temperaturas, o que garante a confiabilidade e longevidade dos dispositivos eletrônicos, que muitas vezes geram calor durante a operação.
Essas propriedades combinadas garantem que o silício seja a espinha dorsal da microeletrônica, sendo usado em wafers de altíssima pureza para a produção de microprocessadores e memórias.
⚡ Silício na Transição Energética
Na produção de células solares (fotovoltaicas), o silício é o material mais usado devido ao seu band gap (diferença de energia entre as bandas de valência e condução) ser ideal para absorver o espectro da luz solar de forma eficiente e converter essa energia em corrente elétrica.
🔍 Silício de Grau Metalúrgico (SiGM) vs. Silício de Grau Eletrônico (SiGE)
A diferença fundamental entre o Silício de Grau Metalúrgico (SiGM) e o Silício de Grau Eletrônico (SiGE), também conhecido como polissilício de grau eletrônico, reside no nível de pureza e, consequentemente, em suas aplicações.
1. Silício de Grau Metalúrgico (SiGM)
Pureza: Geralmente tem uma pureza de $98% a $99,5%. As impurezas restantes são principalmente Ferro (Fe), Alumínio (Al) e Cálcio (Ca).
Processo de Obtenção: É produzido pela redução de quartzo (SiO2) em um forno de arco elétrico, utilizando carvão como agente redutor. É um processo relativamente simples e de baixo custo.
Custo: Mais barato de produzir devido ao menor nível de pureza necessário.
Aplicações:
Metalurgia: É o principal uso, como agente de liga para fortalecer metais como o aço (aumenta a resistência e elasticidade), alumínio (liga de alumínio-silício, para peças de motor e construção leve) e latão.
Silicatos e Silicones: É a matéria-prima para a produção de compostos de silício, como os silicatos (usados em cimento, cerâmica, vidro) e silicones (polímeros usados em lubrificantes, adesivos, selantes e na medicina).
Células Solares (Grau Menor): Em algumas aplicações de células solares de menor eficiência, pode ser usado um silício menos puro, mas ainda assim mais purificado que o SiGM puro.
2. Silício de Grau Eletrônico (SiGE) / Polissilício de Grau Eletrônico
Pureza: Possui uma pureza extremamente alta, geralmente $99,9999999% (9 N's) ou mais. Isso significa que há menos de 1 parte por bilhão (ppb) de certas impurezas. Impurezas como Boro e Fósforo, mesmo em níveis de partes por trilhão, podem afetar drasticamente as propriedades elétricas dos semicondutores.
Processo de Obtenção: Deriva do SiGM, que passa por um processo complexo de purificação química, como o Processo Siemens, onde é convertido em um composto gasoso (como triclorossilano, HSiCl3), destilado várias vezes para remover impurezas, e depois decomposto de volta a silício sólido puro. Este silício é inicialmente policristalino.
Custo: Muito mais caro de produzir devido à complexidade e energia intensiva dos processos de purificação.
Aplicações:
Microeletrônica: A base para a fabricação de chips de computador, microprocessadores, memórias (RAM, Flash), circuitos integrados e transistores para smartphones, computadores, veículos autônomos e toda a eletrônica moderna. Para isso, o polissilício é transformado em silício monocristalino via métodos como Czochralski ou Fusão Zonal.
Células Solares de Alta Eficiência: Componente chave para painéis solares de alta performance, onde a pureza é vital para a eficiência de conversão de luz em eletricidade.
🔑 A Importância da Pureza
A diferença crítica reside no fato de que, para que o silício funcione como um semicondutor controlável em dispositivos eletrônicos, ele precisa ter uma estrutura cristalina quase perfeita e um nível de impurezas tão baixo que até mesmo átomos de impurezas individuais podem alterar suas propriedades elétricas. Essas impurezas indesejadas criariam defeitos na estrutura cristalina e nos níveis de energia, impedindo o controle preciso do fluxo de elétrons e buracos.
Em resumo, enquanto o SiGM é um produto de massa para aplicações industriais mais básicas, o SiGE é um material de alta tecnologia, essencial para a indústria eletrônica moderna e para o avanço tecnológico.
