O que é um semicondutor? Um engenheiro elétrico explica como esses componentes eletrônicos críticos funcionam e como são feitos

Oct 26, 2023

Professor de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual do Arizona

Trevor Thornton não trabalha, consulta, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que se beneficiaria deste artigo e não revelou nenhuma afiliação relevante além de sua nomeação acadêmica.

A Arizona State University fornece financiamento como membro do The Conversation US.

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Os semicondutores são uma parte crítica de quase todos os dispositivos eletrônicos modernos, e a grande maioria dos semicondutores é fabricada em Tawain. As crescentes preocupações com a dependência de Taiwan para semicondutores - especialmente devido ao relacionamento tênue entre Taiwan e China - levaram o Congresso dos EUA a aprovar a lei CHIPS and Science no final de julho de 2022. A lei fornece mais de US$ 50 bilhões em subsídios para impulsionar os semicondutores dos EUA produção e tem sido amplamente noticiado. Trevor Thornton, um engenheiro elétrico que estuda semicondutores, explica o que são esses dispositivos e como são feitos.

De um modo geral, o termo semicondutor refere-se a um material – como o silício – que pode conduzir eletricidade muito melhor do que um isolante como o vidro, mas não tão bem quanto metais como o cobre ou o alumínio. Mas quando as pessoas estão falando sobre semicondutores hoje, geralmente estão se referindo a chips semicondutores.

Esses chips são normalmente feitos de fatias finas de silício com componentes complexos dispostos sobre eles em padrões específicos. Esses padrões controlam o fluxo de corrente usando interruptores elétricos – chamados transistores – da mesma forma que você controla a corrente elétrica em sua casa ao apertar um interruptor para acender uma luz.

A diferença entre sua casa e um chip semicondutor é que os interruptores semicondutores são inteiramente elétricos – sem componentes mecânicos para virar – e os chips contêm dezenas de bilhões de interruptores em uma área não muito maior do que o tamanho de uma unha.

Os semicondutores são como os dispositivos eletrônicos processam, armazenam e recebem informações. Por exemplo, os chips de memória armazenam dados e software como código binário, os chips digitais manipulam os dados com base nas instruções do software e os chips sem fio recebem dados de transmissores de rádio de alta frequência e os convertem em sinais elétricos. Esses diferentes chips trabalham juntos sob o controle do software. Diferentes aplicativos de software executam tarefas muito diferentes, mas todos funcionam comutando os transistores que controlam a corrente.

O ponto de partida para a grande maioria dos semicondutores é uma fina fatia de silício chamada wafer. As bolachas de hoje são do tamanho de pratos de jantar e são cortadas de cristais de silício simples. Os fabricantes adicionam elementos como fósforo e boro em uma camada fina na superfície do silício para aumentar a condutividade do chip. É nesta camada superficial onde são feitas as chaves do transistor.

Os transistores são construídos adicionando finas camadas de metais condutores, isolantes e mais silício a todo o wafer, esboçando padrões nessas camadas usando um processo complicado chamado litografia e, em seguida, removendo seletivamente essas camadas usando plasmas controlados por computador de gases altamente reativos para deixar padrões e estruturas específicas. Como os transistores são muito pequenos, é muito mais fácil adicionar materiais em camadas e, em seguida, remover cuidadosamente o material indesejado do que colocar linhas microscopicamente finas de metal ou isoladores diretamente no chip. Ao depositar, padronizar e gravar camadas de diferentes materiais dezenas de vezes, os fabricantes de semicondutores podem criar chips com dezenas de bilhões de transistores por polegada quadrada.

Existem muitas diferenças, mas a mais importante é provavelmente o aumento do número de transistores por chip.

Entre as primeiras aplicações comerciais para chips semicondutores estavam as calculadoras de bolso, que se tornaram amplamente disponíveis na década de 1970. Esses primeiros chips continham alguns milhares de transistores. Em 1989, a Intel introduziu os primeiros semicondutores a exceder um milhão de transistores em um único chip. Hoje, os maiores chips contêm mais de 50 bilhões de transistores. Essa tendência é descrita pelo que é conhecido como lei de Moore, que diz que o número de transistores em um chip dobrará aproximadamente a cada 18 meses.