O que é um semicondutor?

Substâncias que conduzem eletricidade são conhecidas como condutoras, enquanto substâncias que não o fazem são conhecidas como isolantes. Os semicondutores têm propriedades únicas que se aplicam a ambos, o que significa que, sob certas condições, eles podem conduzir eletricidade e, em outras, podem resistir a ela. Essa classificação única torna os semicondutores ideais para tecnologias como chips de computador, chips de inteligência artificial (IA) e dispositivos da Internet das coisas (IOT) que dependem da condução de uma grande quantidade de energia através de uma pequena área. 

Na maioria das tecnologias modernas, os semicondutores agem como pequenos comutadores elétricos, desligando e ligando repetidamente para permitir o fluxo de eletricidade. A condutividade de um semicondutor (a facilidade ou dificuldade com que uma corrente elétrica flui através dele) varia, dependendo da corrente e da tensão.

Os semicondutores são amplamente usados em muitos setores, incluindo computadores pessoais (PCs), eletrônicos domésticos, automotivos, manufatura industrial e muito mais. De acordo com um relatório recente da Semiconductor Industry Association (SIA), as vendas de semicondutores aumentaram de US$ 139 bilhões em 2001 para US$ 526 bilhões em 2023. Esse crescimento representa uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 6%.¹

A rápida taxa de inovação da indústria de semicondutores pode ser em grande parte atribuída à Lei de Moore, a regra de que a velocidade e a capacidade dos computadores dobram a cada dois anos. No setor de semicondutores, a Lei de Moore se aplica ao número de transistores que um microchip deve conter para acompanhar as crescentes demandas dos dispositivos de computação. Os principais fabricantes buscam continuamente maneiras de dobrar o número de transistores a cada dois anos, garantindo avanços na tecnologia de semicondutores.

A maioria dos semicondutores é feita de cristais devido às suas propriedades atômicas únicas. Enquanto os elementos condutores mais comuns têm um único elétron em sua camada mais externa, os semicondutores têm quatro. Isso e outros fatores tornam os cristais semicondutores (normalmente o silício) perfeitos para controlar as correntes elétricas que sustentam dispositivos tecnológicos complexos e modernos.

Para controlar o fluxo de eletricidade através de circuitos e dispositivos eletrônicos, os engenheiros manipulam o fluxo de elétrons através de semicondutores criando regiões com cargas positivas e negativas, um processo conhecido como doping.

Na produção de semicondutores, a doping é um processo no qual impurezas, também conhecidas como átomos de impurezas, são intencionalmente introduzidas na rede cristalina de um semicondutor para modificar suas propriedades elétricas. Ao introduzir átomos dopantes, os engenheiros podem tornar o material mais ou menos condutivo. Existem dois tipos de doping: tipo N e tipo P.

• Doping do tipo N: o doping do tipo N é onde os engenheiros adicionam elementos com mais elétrons de valença do que o material hospedeiro. Essa mudança aumenta o número de portadores de carga livre no átomo, tornando o material semicondutor mais condutor do que era anteriormente.

• Doping do tipo P: o doping do tipo P também torna o material mais condutivo, mas usando um método ligeiramente diferente. Na dopação do tipo P, elementos com menos elétrons de valença do que o material hospedeiro são adicionados, criando o que é conhecido na ciência da computação como um "buraco": um lugar que falta elétrons que normalmente carregam cargas e aumentam a condutividade.

Os semicondutores são normalmente classificados em dois tipos principais: intrínsecos e extrínsecos. Veja aqui as diferenças mais de perto.

• Semicondutores intrínsecos: semicondutores intrínsecos são semicondutores feitos de um material único e puro que não foi manipulado de forma alguma. Os semicondutores intrínsecos são frequentemente chamados de semicondutores "elementais", pois muitos deles são elementos bem conhecidos na tabela periódica, como carbono, boro, silício e germânio.

• Semicondutores extrínsecos: os semicondutores extrínsecos são semicondutores que passaram por doping, uma contaminação intencional para alterar a condutividade de um material. Os semicondutores de radiofrequência (RF), por exemplo, são considerados extrínsecos porque combinam materiais como arseneto de gálio (GaAs), nitreto de gálio (GaN) e silício (Si), que fazem com que os semicondutores funcionem em frequências de rádio mais altas.

Dispositivos semicondutores são componentes eletrônicos que utilizam condutores e isolantes para controlar o fluxo de correntes elétricas. O tipo mais popular de dispositivo semicondutor é o transistor, amplamente utilizado, um componente eletrônico pequeno e durável que alimenta a maioria dos eletrônicos modernos.

Até os transístores serem inventados, em 1947, os tubos a vácuo eram amplamente usados para o mesmo propósito. Os transistores se mostraram mais compactos e eficientes do que os tubos a vácuo e os substituíram rapidamente. Atualmente, os transistores são usados em uma ampla variedade de dispositivos, incluindo chips de computador, microprocessadores, carros, dispositivos robóticos e muito mais. Os transistores são altamente flexíveis: além de atuarem como condutores e isolantes, eles também podem atuar como comutadores, ampliadores e retificadores.

• Comutadores: componentes em dispositivos semicondutores que são ligados ou desligados para controlar o fluxo de corrente elétrica.

• Amplificadores: circuitos que aumentam a magnitude de um sinal de entrada em um dispositivo eletrônico.

• Retificadores: os retificadores, ou diodos retificadores, são pequenos dispositivos semicondutores que convertem correntes elétricas de corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC), permitindo que a eletricidade flua em uma direção.

Os semicondutores são fabricados em fundições, que são empresas altamente especializadas que se concentram exclusivamente na fabricação de semicondutores, deixando o projeto e a distribuição para outros. Devido a uma série de fatores, a maioria das fundições do mundo fica em Taiwan.

Atualmente, 60% dos chips de semicondutores do mundo e mais de 90% dos chips avançados são fabricados na relativamente pequena ilha de Taiwan.² A força de trabalho altamente qualificada de Taiwan, a invenção do modelo de fundição de fabricação de semicondutores e outros fatores levaram ao seu domínio quase total do mercado de semicondutores.

Talvez a fundição mais conhecida do mundo seja a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), fundada em 1987, que produz os chips mais avançados do mundo para clientes como Apple e NVIDIA. 

Hoje, o domínio da TSMC no mercado de semicondutores a tornou uma parte crucial da cadeia de suprimentos global para semicondutores. Como resultado, Taiwan tornou-se um ponto focal geopolítico nas estratégias de política externa de grandes nações como China e Estados Unidos.

Os semicondutores são fabricados por meio de um rigoroso processo conhecido como fabricação de pastilhas, ou "wafer fab", que começa com o fatiamento do material semicondutor em um segmento fino. As pastilhas de silício são as mais comuns, mas também são feitas de arseneto de gálio, carboneto de silício,germânio e outros.

Após a criação da pastilha, ela é polida e retificada por meio de uma série de máquinas diferentes e altamente especializadas, e um circuito integrado (CI) é instalado em sua superfície por meio de quatro etapas altamente envolvidas.

• Etapa 1. Oxidação: antes de instalar um CI, a pastilha deve ser pré-limpa com água desionizada altamente pura. Alguns tipos de pastilhas, especialmente as de silício, são aquecidas durante essa etapa e expostos ao oxigênio puro, um método conhecido como ferrugem térmica.

• Etapa 2. Mascaramento: durante a parte de mascaramento da fabricação de semicondutores, fotomáscaras (estênceis altamente precisos) são usadas para criar padrões nas pastilhas, uma tarefa conhecida como fotolitografia. Cada máscara é fundamental na definição do circuito do semicondutor e com que eficiência ele opera como um CI.

• Etapa 3. Gravidade: na parte de ataque do processo de fabricação, o material desnecessário é removido da pastilha para dar a ela um padrão ou forma intencional. Assim como o mascaramento, a gravação é importante para o estabelecimento de CIs e outros tipos de dispositivos com uma finalidade específica que deve ser conectada à superfície da pastilha.

• Etapa 4. Doping: finalmente, os materiais semicondutores extrínsecos são criados pela adição de impurezas à sua estrutura cristalizada para alterar suas propriedades elétricas. Os compostos usados durante esta etapa incluem arseneto de gálio, antimoneto de índio e muitos tipos de óxidos.

Nos últimos 75 anos, os semicondutores tornaram-se fundamentais para muitas tecnologias modernas. Desde a era precoce da computação até a disseminação da internet, mídias sociais, tecnologia móvel e IA, elas desempenharam um papel crítico no funcionamento dos dispositivos eletrônicos. Aqui estão alguns dos benefícios mais importantes dos semicondutores.

Os semicondutores permitem o uso da maioria dos dispositivos eletrônicos modernos e, portanto, têm casos de uso que abrangem muitos setores. Estes são alguns dos mais comuns.

Semicondutores e dispositivos semicondutores, como circuitos integrados (ICs), sensores e chips semicondutores, são amplamente utilizados em diversos dispositivos eletrônicos de consumo. De smartphones e notebooks a eletrodomésticos inteligentes, assistentes virtuais, TVs e muito mais, os semicondutores são a base dos dispositivos tecnológicos dos quais a maioria dos consumidores depende tanto em sua vida privada quanto profissional.

Os carros de hoje usam muitas funcionalidades que as pessoas esperam de seus smartphones e PCs, como reconhecimento de voz, conectividade sem fio e a capacidade de transmitir diferentes tipos de mídia. Os chips de semicondutores sustentam as tecnologias que os carros usam para permitir essas funcionalidades, permitindo que os passageiros acessem a internet, recebam mensagens de voz e de texto em voz alta, recebam orientações e muito mais.

Os semicondutores e os chips semicondutores tornaram-se cruciais na área médica, essenciais para a operação de uma ampla gama de dispositivos e aplicações médicas. Os semicondutores alimentam dispositivos que permitem imagens médicas, diagnósticos, monitoramento de pacientes e muito mais, permitindo que dados críticos que ajudam a melhorar os tratamentos e resultados dos pacientes sejam transmitidos quase em tempo real.

A manufatura inteligente, também conhecida como Indústria 4.0, é a integração de novas tecnologias digitais, como a Internet das coisas (IOT), a IA e a computação em nuvem, nos processos de fabricação. Na fabricação inteligente, os semicondutores e os chips semicondutores alimentam sensores avançados, softwares incorporados e robótica que coletam e analisam dados em uma configuração de fábrica, ajudando a agilizar processos desatualizados e ineficientes.