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Domingo, Agosto 14, 2022

Cientistas podem ter encontrado o melhor semicondutor do mundo

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Crédito: Christine Daniloff, MIT.

Praticamente todos os eletrônicos hoje são baseados em silício, com o semicondutor alimentando tudo, desde fornos de micro-ondas até os supercomputadores mais rápidos do mundo. Silício é o elemento mais abundante na crosta terrestre, o que o torna barato e prontamente disponível, além de ser muito fácil de fabricar em chips e wafers graças à sua estrutura cristalina. Mas embora o silício tenha nos servido bem, está longe de ser perfeito e está começando a atingir seus limites.

Pesquisadores do MIT e da Universidade de Houston experimentaram um novo material chamado arsenieto de boro cúbico, mostrando que o novo semicondutor pode superar uma série de limitações que afetam o silício e reduzem algumas de suas aplicações em eletrônica.

Muito melhor que o silício, mas pode passar no teste do tempo?

Embora os cristais de silício sejam ótimos para conduzir elétrons, eles são muito menos acomodados para seus “buracos”, o segundo tipo de portador de carga responsável por gerar uma corrente elétrica em um material semicondutor. Um buraco pode ser visto como o “oposto” de um elétron, embora de forma bastante confusa, os buracos não são realmente partículas da mesma forma que os elétrons são, mas representam a ausência de um elétron em um átomo.

Além da má transferência de furos, o silício também não é um bom condutor de calor, o que explica por que seu smartphone começará a superaquecer um pouco depois de usar aplicativos que consomem muitos recursos.

Para superar essas limitações, cientistas de todo o mundo vêm experimentando todo tipo de alternativas, em busca do ‘graal de ouro’ dos semicondutores. Em 2018, pesquisadores liderados pelo professor de engenharia mecânica do MIT Gang Chen previram teoricamente que o arseneto de boro cúbico (c-BAs) deveria ter uma condutividade térmica ultra-alta comparável ao diamante, bem como excelente mobilidade elétron-buraco. Essa combinação de propriedades torna o material bastante único e um bloco de construção ideal para transistores.

Agora, os pesquisadores empregaram métodos especiais de detecção óptica para sondar o material experimentalmente no menor nível quântico, confirmando as previsões teóricas feitas anteriormente.

De acordo com os resultados divulgados em Ciência, o arseneto de boro tem uma condutividade térmica estupendamente alta que é quase 10 vezes maior que a do silício, mantendo um bandgap comparável. O band gap é uma banda de energia não permitida entre a banda de valência e a banda de condução, de modo que um elétron na banda de valência requer uma quantidade de energia pelo menos igual ao band gap para se tornar um elétron livre. Ter um gap de banda é o que torna um material um semicondutor. Além disso, os pesquisadores descobriram que o arseneto de boro cúbico tem alta mobilidade para elétrons e buracos.

“Isso é importante porque é claro que em semicondutores temos cargas positivas e negativas de forma equivalente. Então, se você construir um dispositivo, você quer ter um material onde elétrons e buracos viajem com menos resistência”, disse Chen em um comunicado.

Anteriormente, os pesquisadores só conseguiam encontrar semicondutores com boa mobilidade de uma maneira, mas baixa mobilidade na outra. Mas o arseneto de boro é ótimo para a mobilidade de elétrons e buracos – e isso pode torná-lo um divisor de águas na indústria.

Empresas como a Tesla há algum tempo pararam de usar silício em sua eletrônica de potência, substituindo-o por carboneto de silício, que tem cerca de três vezes a condutividade térmica do silício. O carboneto de silício tem menor mobilidade eletrônica do que o silício puro, mas Tesla, no entanto, ainda considera o material superior ao silício porque mais do que compensa sua deficiência com desempenho aprimorado devido à melhor dissipação de calor. Agora, imagine o que o arseneto de boro cúbico poderia fazer com dez vezes a transferência de calor e ainda melhor mobilidade elétron-buraco.

Chen compara essa constelação de propriedades úteis às do grafeno, muitas vezes apelidado de “material maravilhoso” por causa de sua combinação única de propriedades excepcionais. O grafeno não é apenas o mais fino, mas também um dos materiais mais fortes; conduz o calor melhor do que todos os outros materiais; é um excelente condutor de eletricidade; é opticamente transparente, mas tão denso que é impermeável aos gases – nem mesmo o hélio, o menor átomo de gás, pode passar por ele.

“Isso é impressionante, porque na verdade não conheço nenhum outro material, além do grafeno, que tenha todas essas propriedades”, diz ele. “E este é um material a granel que possui essas propriedades.”

Esses experimentos foram realizados em laboratório em pequena escala. O desafio agora está em fabricar arsenieto de boro cúbico em quantidades suficientes de forma barata e útil. No momento, o principal método de fabricação deste promissor novo semicondutor produz um material não uniforme que não é adequado para aplicações de trabalho em eletrônica. Para comparação, o silício usado nos chips de computador atuais é cerca de 99,99999999% puro. Os pesquisadores também terão que testar o desempenho do material ao longo do tempo, já que a estabilidade a longo prazo pode ser outro fator limitante no caminho da adoção em larga escala. Portanto, o silício provavelmente continuará sendo o rei dos semicondutores por algum tempo, mas sua coroa é definitivamente impressionante.

“O silício é o carro-chefe de toda a indústria”, diz Chen. “Então, ok, nós temos um material que é melhor, mas ele realmente vai compensar a indústria? Nós não sabemos.”



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