Por que processadores e outros chips são feitos de silício?

Na área da tecnologia, você ouve falar dele em todos os cantos: inúmeras peças usam silício como base, o ponto quente da indústria é o Vale do Silício e ele é base de um polímero sintético também cheio de aplicações, o silicone.

O silício é o material básico da fabricação de processadores e outros chips e, mesmo que alguns concorrentes surjam volta e meia como opções futuras ou substitutos, é improvável que ele seja destronado em curto prazo.

Mas, afinal, que elemento é esse e o que torna ele tão essencial em nosso cotidiano? Para entender isso, precisamos de uma rápida revisão de Química e entender o que uma substância precisa fazer para ser a escolhida da indústria para uma tarefa tão importante.

Prazer, silício

Na tabela periódica, o silício é um semimetal que tem como símbolo "Si" e 14 como número atômico. A classificação indica que ele possui algumas características físicas e químicas de metais e outras de ametais (ou não-metais). O elemento tem como ponto de fusão 1.414 ºC, valor alto que o torna ideal como componente de equipamentos que esquentam bastante.

O silício foi isolado pela primeira vez em 1824 pelo sueco Jöns Jacob Berzelius. Porém, foi Antoine Lavoisier (sim, aquele da lei!) quem primeiro levantou a possibilidade de a sílica ser um óxido de um elemento único e fundamental.

Só que a curiosidade que mais nos interessa é que ele é o segundo material mais abundante na Terra, perdendo apenas para o oxigênio. Em massa, ele ocupa 27,7% da crosta terrestre e, em termo de minerais, engloba 90% da categoria. É muita coisa, mas isso não significa que você vai esbarrar em uma pilha de silício enquanto estiver andando na rua.

Isso porque ele não é encontrado em sua forma pura, de "Si", mas como um composto: há o silicato (SiO4, que é o silício com quatro átomos de oxigênio) e a sílica, ou dióxido de silício (SiO2, com apenas dois átomos de oxigênio). O primeiro envolve minerais como feldspato, granito e mica, enquanto o segundo é famoso na Química pelo quartzo, por existir em organismos vivos — parte da estrutura de esponjas, por exemplo — e ser um dos componentes básicos da areia.

Por que ele?

A principal razão para o silício ser a estrela de chips na indústria é a sua caracterização como semicondutor. Apesar de serem observados desde o século XIX, os semicondutores são a base da eletrônica moderna, sendo essenciais para a possibilidade de criação de máquinas internamente mais simples e eficientes. Para entender o que isso significa, é preciso fazer a diferenciação: condutores têm baixa resistência elétrica e deixam passar correntes facilmente, enquanto isolantes possuem alta resistência e desaceleram ou bloqueiam a passagem dos elétrons.

Para a fabricação de um transistor, que é uma peça que age como controlador e interrompe ou libera a passagem de corrente elétrica, era importante achar um elemento com ambas as propriedades atuando ao mesmo tempo — um semicondutor.

Apesar dessa nomenclatura, o material normalmente não age sozinho: o nível de condutividade pode ser manipulado usando pequenas concentrações de átomos "impuros", como fósforo e boro. Por ter aplicações tanto de isolante elétrico quanto de condutor a partir de um "controle de fluxo", o silício é ideal para um componente de um eletrônico. Além disso, os semicondutores reduzem a resistência na medida em que a temperatura aumenta.

O elemento ainda tem facilidade em criar ligações com outros átomos, formando compostos estáveis e complexos. Imagine o silício como uma peça de LEGO bastante comum, cheia de pinos e que pode receber vários outros blocos em sua estrutura.

O ciclo de vida do silício

O primeiro passo, claro, é coletar o silício. As fabricantes não deixam claro exatamente onde fica o local da extração, mas a substância pode ser o quartzo ou grandes quantidades de areia. Em seguida, ele é purificado em uma série de etapas que envolvem altíssimas temperaturas, até ser transformado em grandes cristais em forma de cilindro. O passo seguinte é o corte em forma de wafer, fatias com aspecto de disco com a menor espessura possível.

A técnica da fotolitografia (basicamente, desenhos com luz) cria a forma do processador e separa a parte moldada do resto do disco. Só aí que os tais átomos impuros são usados para "dopar" o silício e permitir a alteração na condutividade do material. Após a adição de contatos e uma série de cortes, o resultado é um die, o circuito principal. Ele é integrado com outras peças para formar o produto completo que conhecemos.

O procedimento é bastante complexo e cheio de etapas. Você pode conferir neste artigo do TecMundo como é a tarefa completa de fabricação de um processador.

Não é o ideal, mas é o que tem

O silício pode ser importante, mas não é exatamente o elemento ideal para a fabricação de chips. Outros componentes da tabela periódica são semicondutores mais eficientes, como o germânio e o composto arsenieto de gálio.

A razão mais importante para o mantermos como escolhido é a questão técnica: muito tempo e dinheiro foram investidos para aprimorar as maneiras de extração, refinamento e fabricação usando o silício. Imagine só o trabalho e o custo para empresas e laboratórios encontrarem um novo material, otimizarem os processos de transformação da substância “bruta” em transistores e nivelarem tudo isso com o custo/benefício do silício.

Além disso, o aprimoramento nas técnicas envolvendo o silício não para, o que significa que os componentes feitos com ele continuam melhorando. É importante procurar um “plano B”, mas descartar totalmente o grande protagonista da indústria seria um erro. Ou seja, mesmo que exista uma opção melhor, o "Si" continua sendo a mais eficiente por enquanto.

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O silício combina características que, juntas, tornam ele um componente ideal entre os possíveis elementos para a fabricação de chips — abundância, estabilidade, semicondução e baixo custo de extração comparado com os concorrentes, além das técnicas já plenamente desenvolvidas. Por isso, todas as vezes em que você ligar um computador ou um smartphone, agradeça ao silício.

Alienígenas feitos de silício? Em Star Trek, eles existem

Como curiosidade final: depois do carbono, o silício tem a segunda maior possibilidade de ser o elemento básico da estrutura de vida alienígena — caso ela exista, lógico. Em um episódio da série clássica de "Jornada nas Estrelas",  conhecemos um organismo chamado Horta que é formado por compostos de Si. Porém, aí já é outra história.