No primeiro semestre de 2002, eu iniciei meu primeiro curso técnico em Informática
Industrial, mais conhecido como Mecatrônica na Escola Técnica de Campinas no colégio
São Jose da rede Salesiana de São Paulo. Foi lá que que aprendi praticamente tudo da
área tecnológica que sei hoje. Eu costumo dizer que “sai da obscuridade e das trevas
tecnológicas e vir a conhecer o glorioso e maravilhoso mundo da tecnologia.”
Como já mencionado, eu fizera cursos superiores, sendo que a segunda graduação
terminei em dezembro de 2012, devido as viagens internacionais. Eu praticamente
estudei na mesma escola por mais de 10 anos que foram os melhores dias de aprendizados,
desenvolvimentos e satisfação pessoal.
Foi na quela escola que aprendi que o silício é fácil de achar, pois depois do oxigênio, ele
é considerado o segundo elemento mais abundante na crosta da Terra e quase sempre
aparece em um composto com outros elementos. Ele é comumente encontrado como um
silicato (SiO4, ou um átomo de silício ligado a quatro átomos de oxigênio) e de sílica
(SiO2, ou um átomo de silício ligado a dois átomos de oxigênio). Aprendi também que o
composto químico dióxido de silício, também conhecido como sílica, de uma forma
grosseira e altamente contaminada, e é o componente primário da areia. Feldspato,
granito, quartzo, entre outros materiais, são baseados em compostos de silício-oxigênio.
Figura 1 – Pedra de silício sem impurezas
Fonte – Pedra de silício sem impurezas – tirado da internet
O silício é um dos constituintes fundamentais do universo. Ele foi isolado pela primeira vez em 1824 por um químico sueco chamado Jons Jacob Berzelius. Em uma forma pura, o silício tem uma estrutura cristalina e ocupa o 14º lugar na tabela periódica, onde está escrito como Si. Ele também é um dos principais componentes do mundo eletrônico, e a base para todos os processadores presentes nos computadores atuais, e se isso não for o bastante, ele também é um elemento bem provável para ser base da vida alienígena.
Mas o que torna o silício um material tão especial a ponto de emprestar o seu nome para o Vale do Silício, região da Califórnia (EUA) e na região de Campinas, São Paulo, Brasil, dominada por empresas de tecnologia? Confira alguns motivos:
SILÍCIO COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
Os compostos de silício têm uma ampla variedade de propriedades úteis, principalmente porque eles podem se ligar firmemente a outros átomos e criar arranjos complexos. Vários silicatos, como o silicato de cálcio, são os principais componentes do cimento Portland, um tipo de cimento muito utilizado na construção civil por sua resistência.
Alguns materiais ricos em silicatos podem ser aquecidos para produzir cerâmicas endurecidas, como a porcelana. Além disso, o silício também pode ser útil como aditivo de rastreio de outras substâncias, como o ferro fundido, que usa o carbono e o silício para fazer um ferro mais resistente. O carboneto de silício (SSiC) tem praticamente as mesmas propriedades de um diamante e controla a corrosão, abrasão e a erosão de forma hábil já que suporta o desgaste por fricção. Por fim, mas não menos importante, o silício também é o principal componente estrutural do silicone sintético.
SILÍCIO NOS COMPONENTES ELETRÔNICOS E CHIPS DE COMPUTADOR
Ao selecionar um elemento que será usado como base de um transistor de computador, a palavra-chave é resistência. Condutores têm baixa resistência e passam adiante a corrente elétrica com mais facilidade, enquanto isoladores têm (previsivelmente) alta resistência e podem bloquear o fluxo de elétrons. Para um transistor, que deve ser capaz de ligar e desligar a todo momento, é preciso ter um semicondutor, uma substância com resistência que fique entre a de um condutor e a de um isolador.
O silício não é a única substância semicondutora da Terra – na verdade ele sequer é o melhor semicondutor existente – mas ele é, de longe, o semicondutor mais abundante do planeta. O silício pode ser prontamente encontrado em todo o mundo; não é preciso importá-lo de minas africanas especiais, por exemplo. É fácil trabalhar com esse elemento e, mais importante, os cientistas descobriram uma forma confiável de cultivá-lo em cristais perfeitamente ordenados.
O cultivo desses cristais de silício quase perfeitos é uma das habilidades primárias na fabricação de chips de computadores. Esses cristais são cortados em pequenas fatias chamadas wafers, como mostra a figura 7 abaixo e, em seguida, recebem diversos tipos de polimentos e tratamentos químicos antes de serem cortados de forma individual e embalados na forma de processador.
Figura 2 – Engenheiro segurando um wafer de silício (Imagem: Reprodução / Intel)
THE CZOCHRALSKI PROCESS
The Czochralski method, also Czochralski technique or Czochralski process, is a method of crystal growth used to obtain single crystals of semiconductors (e.g., silicon, germanium and gallium arsenide), metals (e.g. palladium, platinum, silver, gold), salts and synthetic gemstones. The method is named after Polish scientist Jan Czochralski, who invented the method in 1915 while investigating the crystallization rates of metals. He made this discovery by accident: instead of dipping his pen into his inkwell, he dipped it in molten tin, and drew a tin filament, which later proved to be a single crystal.
The most important application may be the growth of large cylindrical ingots, or boules, of single crystal silicon used in the electronics industry to make semiconductor devices like integrated circuits. Other semiconductors, such as gallium arsenide, can also be grown by this method, although lower defect densities in this case can be obtained using variants of the Bridgman–Stockbarger method.
The method is not limited to production of metal or metalloid crystals. For example, it is used to manufacture very high-purity crystals of salts, including material with controlled isotopic composition, for use in particle physics experiments, with tight controls (part per billion measurements) on confounding metal ions and water absorbed during manufacture.
Figura 3 – THE CZOCHRALSKI PROCESS
High-purity, semiconductor-grade silicon (only a few parts per million of impurities) is melted in a crucible at 1,425 °C (2,597 °F; 1,698 K), usually made of quartz. Dopant impurity atoms such as boron or phosphorus can be added to the molten silicon in precise amounts to dope the silicon, thus changing it into p-type or n-type silicon, with different electronic properties. A precisely oriented rod-mounted seed crystal is dipped into the molten silicon. The seed crystal’s rod is slowly pulled upwards and rotated simultaneously. By precisely controlling the temperature gradients, rate of pulling and speed of rotation, it is possible to extract a large, single-crystal, cylindrical ingot from the melt. Occurrence of unwanted instabilities in the melt can be avoided by investigating and visualizing the temperature and velocity fields during the crystal growth process. This process is normally performed in an inert atmosphere, such as argon, in an inert chamber, such as quartz.
Figura 4 – Lingotes de silício monocristalino para a produção de wafers
Atualmente, os cristais de silício (chamados de “lingotes”) são feitos em cilindros de 300 milímetros de diâmetro, mas pesquisadores estão tentando criar lingotes de 450 milímetros. Isso deve ajudar a manter os baixos custos de produção por pelo menos alguns anos. Depois disso, pode ser que haja a necessidade de escolher um elemento menos abundante e fácil de trabalhar para criar os processadores – uma boa notícia para quem espera mais velocidade de processamento.
FORMA MATEMÁTICA
No que diz respeito a uma expressão matemática de incorporação de impurezas da fusão, considere o seguinte. A concentração de impurezas no cristal sólido que resulta do congelamento de uma quantidade de volume pode ser obtida considerando o coeficiente de segregação.
K0 : Coeficiente de segregação
IL: Volume inicial
I0: Número de impurezas
C0: Concentração de impurezas no fundido
VL: Volume do derretimento
IL: Número de impurezas no fundido
CL: Concentração de impurezas no fundido
VS: Volume de sólido
CS: Concentração de impurezas no sólido
Durante o processo de crescimento, o volume de fusão dV, congela e há impurezas do fundido que são removidas pelas seguintes expressões:.
EXISTEM DOIS TIPOS DE IMPUREZAS OU DOPAGENS:
Tipo N – Na dopagem tipo N, o fósforo ou o arsênico é adicionado ao silício em pequenas quantidades. O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres o suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo silício. O silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N.
Tipo P – Na dopagem tipo P, o boro (em inglês) ou o gálio (em inglês) é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam “buracos” ou “lacunas” na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor.
Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de silício de bom
isolante a um condutor viável, mas não excelente – daí o nome “semicondutor”.
Os silícios tipo N e tipo P não são tão impressionantes sozinhos; mas quando você os
coloca juntos, consegue um comportamento bem interessante na união dos dois.
Na realidade gosto de dizer que graças a esse união, foi possível criar um dos
componentes mais básico da eletrônica e também a invenção mais importante e criativo
do século 20 que substituiu as válvulas e ajudou a revolucionar o mundo tecnológico.
O NASCIMENTO DO DIODO REVOLUCIONOU O MUNDO TECNOLÓGICO
Este componente chamado de diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível do mundo tecnológico. Eu e muitos profissionais da eletrônica moderna nunca montamos ou desenvolvemos algo que usassem as válvulas e nem sequer vimos, aparelho que use esses componentes antigos, a não ser como sucata ou em algum museu, casa de antiguidades ou filme antigo. No entanto, há quem diga que as válvulas são muito importantes. A até hoje existem equipamentos que as usam esses componentes, pois poucos profissionais, dizem que os componentes modernos não as superam em desempenho em muitos casos, o que eu sei que é falta de conhecimento técnico científico. A válvula termiônica, ou simplesmente válvula, tem muitas desvantagens importantes em relação aos componentes equivalentes mais modernos, que são os transistores. Ela é muito maior, trabalha quente e precisa de tensões muito elevadas para funcionar. A menor válvula que já encontrei, pesquisando na internet, tem dimensões acima de 5 centímetros enquanto os transistores e diodos estão na casa de 7 nanômetros. Um nanômetro equivale a um milímetro dividido por um milhão.
Figura 5 – Uma coleção de 5Y3 de diversas épocas e fabricantes.
Fonte – Uma coleção de 5Y3 de diversas épocas e fabricantes – fotos da Internet.
A válvula foi inventada muito antes do transistor. A válvula diodo (de dois elementos) foi quem deu início a tudo. Ela foi inventada por Fleming em 1904, sendo seguida pela válvula tríodo (de três elementos) que é o equivalente mais próximo do transistor, que foi inventada em 1906 por Lee de Forest. Apareceram válvulas com mais elementos depois como a tetrodo, pêntodo, hexodo e outras, que foram praticamente extintas do mundo eletrônico
Graças ao conhecimento adquirido nas escolas da UNISAL, tenho uma boa base técnica e cientificas suficiente para desbravar e acompanhar o mundo tecnológico. Com esse conhecimento observo os surgimentos de novas tecnologias e acompanho de perto a evolução em todos os sentidos.
A válvula foi inventada muito antes do transistor. A válvula diodo (de dois elementos) foi quem deu início a tudo. Ela foi inventada por Fleming em 1904, sendo seguida pela válvula tríodo (de três elementos) que é o equivalente mais próximo do transistor, que foi inventada em 1906 por Lee de Forest. Apareceram válvulas com mais elementos depois como a tetrodo, pêntodo, hexodo e outras, que foram praticamente extintas do mundo eletrônico
Graças ao conhecimento adquirido nas escolas da UNISAL, tenho uma boa base técnica e cientificas suficiente para desbravar e acompanhar o mundo tecnológico. Com esse conhecimento observo os surgimentos de novas tecnologias e acompanho de perto a evolução em todos os sentidos.
POSSÍVEL SUBSTITUIÇÃO DO SILÍCIO
Há alguns anos, a IBM deu o primeiro passo para a substituição do silício e a comercialização dos novos chips ao trabalhar com nanotubos de carbono e agora outras empresas estão seguindo essa linha para vencer as limitações do silício. As simulações feitas sugerem que o nanotubo de carbono pode ser cinco vezes mais rápido que um de silício usando a mesma quantidade de energia. Já a Intel apontou recentemente o semicondutor lll-V, tal como o arseneto de gálio, como substituto mais provável para o silício na indústria tecnológica. Este semicondutor possui elétrons maiores do que os de silício, o que significa que eles podem ser formados de maneira mais rápida, com velocidade maior de comutação de transistores.
Nesta altura, julguei ser conveniente e oportuno falar também do nióbio, pois ele é um elemento químico metálico representado na tabela periódica como Nb, ele é uma poeira de cor prateada, com elevado ponto de fusão utilizado em altíssima tecnologia na indústria bélica, espacial, aeronáutica, ressonância magnética, acelerador de partículas, super condutores e recentemente usado nos computares quânticos, assunto que vou descrever no próximo tópico com mais detalhe e precisão.
Este elemento é mais caro que o ouro no comercio mundial. As reservas naturais desse tesouro existem em apenas 3 países, Austrália e o Canada possuem cerca de 2% de Nb no mundo. Já o BRASIL tem 98% da reserva natural de Nb do mundo!!! A CBMM Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração gerencia esse tesouro. As reservas estão no Amazonas (21%), na cidade de São Miguel da Cachoeira e Presidente Figueiredo, Minas Gerais (75%) na cidade de Araxá e Tapira, e por fim em Goiás (3%) em Catalão e Ouvidor.
Ouvi falar desse minero pelo já falecido deputado federal Enéas Carneiro, em 2006. Ele dizia se elaborássemos meios e tratássemos bem desse elemento, só a riqueza arrecadada dele no Brasil, era suficiente por ampliar significativamente a riqueza econômica do Brasil por séculos. Mas ao contrário disso, em 2011 a CBMM vendeu 30% da empresa para um grupo de empresas chinesas, japonesas e sul coreanas. A CBMM exporta há 60 anos num preço ínfimo, onde as indústrias mundiais compram e fazem suas próprias
reservas de Nb. Na prática basta usar um punhadinho de 100 gramas de Nb no meio de uma tonelada de aço e a liga se torna muito mais forte e maleável em carros, pontes, turbinas de aviões, aparelhos de ressonância magnética, mísseis, marcapassos, usinas nucleares, sensores de sondas espaciais, catalizadores e tudo o que é eletrônico e os foguetes mais avançados do mundo levam nióbio.