Silício
Linas JuozėnasPartilhar
Silício: um elemento tetraédrico que liga a pedra, o vidro, a luz e a lógica
O silício liga duas escalas que raramente são abordadas ao falar da mesma substância. Na crosta terrestre, forma estruturas, cadeias, camadas e tetraedros isolados com oxigénio no centro, dos quais se formam o quartzo, o feldspato, a argila, a mica, o piroxeno, o anfíbolo e muitos outros minerais. Purificado até à forma elementar, o mesmo átomo torna-se um semicondutor controlado com precisão, cuja condutividade pode ser alterada com quantidades ínfimas de boro, fósforo e outros dopantes semelhantes. O seu valor não se deve à abundância de um metal nem à cor de uma pedra preciosa, mas sim à sua estrutura: quatro ligações covalentes, um óxido estável, uma banda proibida ajustável e um sistema de fabrico que permite formar milhares de milhões de dispositivos na superfície de um cristal polido.
Factos breves
O silício elementar é um semicondutor ligado por ligações covalentes, e não um metal comum. A sua superfície polida pode ter um aspeto metálico, mas as suas propriedades elétricas, a fratura quebradiça, a absorção ótica e a estrutura cristalina, na qual cada átomo tem quatro vizinhos, colocam-no numa categoria diferente de materiais. Quase todo o silício encontrado na natureza está quimicamente combinado com oxigénio e outros elementos; as amostras de silício elementar com dimensões adequadas para coleções são geralmente purificadas ou cultivadas em laboratório.
| Termo | Significado | Distinção importante |
|---|---|---|
| Silício | Elemento químico Si, presente sob a forma de substância elementar, liga, material cristalino, policristalino ou amorfo. | O silício elementar não é quartzo nem um polímero de silicone flexível. |
| Dióxido de silício | Dióxido de silício, SiO₂, presente sob as formas de quartzo, tridimite, cristobalite, coesite, stishovite, opala, vidro e formas afins. | O dióxido de silício contém oxigénio e as suas propriedades diferem bastante das do silício elementar. |
| Silicato | Grande grupo de minerais e materiais cuja estrutura se baseia em tetraedros de silício e oxigénio, ligados a metais e outros catiões. | Feldspato, mica, argila, piroxena, anfíbola, olivina e granada são silicatos, não silício elementar. |
| Silicone | Família de materiais polissiloxânicos sintéticos cujas cadeias principais de polímero contêm átomos de silício e oxigénio dispostos alternadamente. | Os silicones podem ser semelhantes a borracha, líquidos, resinosos ou pegajosos; não são silício elementar. |
| Carboneto de silício | O SiC é uma cerâmica covalente dura, que ocorre na natureza como moissanite rara e é produzida em várias formas para aplicações técnicas. | É mais duro, mais denso e difere do silício elementar nas suas propriedades óticas. |
| Polissilício | Silício policristalino de elevada pureza, depositado sob a forma de barras, fragmentos ou grânulos para o fabrico de produtos semicondutores e fotovoltaicos. | A designação refere-se a numerosos grãos cristalinos, não a um polímero que contenha silício. |
| Silício monocristalino | Cristal contínuo cuja orientação cristalográfica é uniforme em todo o volume utilizado. | A maioria das bolachas de circuitos integrados é fabricada a partir de lingotes monocristalinos cuidadosamente cultivados. |
| Silício amorfo | O silício não cristalino, depositado sob a forma de película fina, é geralmente hidrogenado para reduzir o número de defeitos eletrónicos. | Não possui a ordem de longo alcance da estrutura cúbica do tipo diamante encontrada nos cristais de uma bolacha. |
Identidade, designação e distinção entre elemento e mineral
O silício é um elemento, não uma designação genérica para todas as substâncias que contêm silício. Esta distinção é importante porque o silício elementar é um semicondutor escuro, opaco e frágil, com uma estrutura cúbica do tipo diamante, enquanto o quartzo é dióxido de silício transparente ou semitransparente e o silicone é um polímero sintético.
A origem do nome remonta a palavras relacionadas com o sílex e a pedra dura. Os primeiros químicos perceberam que o dióxido de silício provavelmente continha um elemento desconhecido, muito antes de conseguirem isolá-lo. A forma inglesa moderna silicon foi adotada antes de existirem amostras suficientemente puras para estudos físicos detalhados.
A ocorrência de silício elementar natural foi relatada em estudos de meteoritos raros e de ambientes terrestres fortemente redutores, mas estas descobertas são geralmente microscópicas e têm de ser confirmadas por análises. Uma amostra do tamanho da palma da mão identificada como «silício» é quase sempre um material industrial: silício de grau metalúrgico, polissilício, cristal cultivado a partir de uma massa fundida, uma bolacha ou um componente processado.
Silício elementar
Cristal covalente constituído apenas por átomos de silício, sem contar os dopantes, as impurezas, o óxido superficial e as camadas formadas durante o processamento.
Dióxido de silício
Formas cristalinas, vítreas, opalinas ou de alta pressão do dióxido de silício. A sua estrutura de oxigénio determina propriedades óticas e químicas totalmente diferentes.
Minerais silicatados
Minerais nos quais os tetraedros de silício e oxigénio se ligam ao alumínio, magnésio, ferro, cálcio, sódio, potássio e outros elementos.
Ligas de silício
O ferrossilício e as ligas de alumínio-silício contêm bastante silício, mas apresentam as propriedades de materiais metálicos multifásicos, não as de semicondutores puros.
Silicones
Polímeros produzidos industrialmente, cuja flexibilidade, propriedades de vedação, estabilidade térmica e propriedades superficiais são determinadas pela cadeia principal de Si–O com grupos laterais orgânicos.
Terminologia de colecionadores
As descrições devem indicar se a amostra é de grau metalúrgico, polissilício, monocristalina, policristalina, material para bolachas, revestida, dopada ou tratada.
Arquitetura atómica: porque é que quatro ligações mudam tudo
À pressão normal, o silício cristalino tem uma estrutura cúbica do tipo diamante. Cada átomo liga-se a quatro átomos vizinhos, dispostos nas direções dos vértices de um tetraedro. Esta rede aberta e direcional explica a fragilidade, a clivagem, a estrutura de bandas semicondutora, a densidade relativamente baixa e a expansão invulgar do silício ao solidificar.
Coordenação tetraédrica
Cada átomo de silício forma quatro ligações covalentes fortes, cujo ângulo ideal entre si é de cerca de 109,5°. Esta geometria repete-se no cristal em três dimensões.
Rede cúbica do tipo diamante
Esta estrutura pode ser descrita como duas sub-redes cúbicas de faces centradas, interpenetradas e deslocadas uma em relação à outra.
Escalabilidade e clivagem
Os monocristais podem clivar-se ao longo dos planos {111}. Os fragmentos também apresentam superfícies curvas de fratura concoidal, sobretudo quando a fratura não segue um único plano definido.
Expansão ao solidificar
No silício líquido, os átomos estão mais compactamente dispostos do que na estrutura tetraédrica aberta do silício sólido, pelo que o material se expande ao solidificar – uma propriedade invulgar, também característica da água e de alguns materiais afins.
Estruturas de alta pressão
Sob pressão extremamente elevada, o silício transforma-se em fases mais densas com propriedades metálicas. Isto mostra que as propriedades elétricas dependem não só da composição, mas também da disposição dos átomos.
Composição isotópica
No silício natural predomina o ²⁸Si, enquanto o ²⁹Si e o ³⁰Si são menos abundantes. O enriquecimento isotópico é importante na metrologia de precisão e em alguns estudos de dispositivos quânticos.
Monocristal
Uma única orientação cristalográfica contínua permite prever o transporte eletrónico, controlar a clivagem e garantir a reprodutibilidade do fabrico de dispositivos.
Silício policristalino
Numerosos grãos com orientações diferentes encontram-se nos limites, que podem aprisionar cargas, dispersar portadores, concentrar impurezas ou facilitar a fratura.
Silício amorfo
Não existe ordem a longo alcance. Quando utilizado em eletrónica de película fina, as numerosas ligações interrompidas são geralmente passivadas com hidrogénio.
Silício poroso e nanoestruturado
A gravação ou o crescimento controlados criam poros, fios, partículas e estruturas fotónicas com propriedades diferentes das do cristal maciço.
O silício na Terra: tetraedros, meteorização, sedimentos e vida
O silício é o segundo elemento mais abundante em massa na crosta terrestre, mas a maior parte encontra-se combinada com oxigénio. O tetraedro SiO₄ é uma das unidades estruturais mais importantes da mineralogia; estes tetraedros ligam-se de várias formas e formam rochas que vão do manto à superfície dos continentes.
| Disposição estrutural | Como os tetraedros se ligam | Materiais característicos |
|---|---|---|
| Tetraedros isolados | Cada unidade SiO₄ permanece isolada e liga-se às outras através de outros catiões. | Olivina, granada, zircão e muitos minerais do manto ou metamórficos. |
| Grupos duplos e anéis | Os tetraedros partilham determinados átomos de oxigénio, formando unidades duplas ou anéis fechados. | Estruturas do grupo do epídoto, berilo, turmalina e minerais afins. |
| Cadeias simples | Cada tetraedro partilha dois átomos de oxigénio ao longo de uma cadeia extensa. | Piroxenas, como a augite, a diopsídio e a enstatite. |
| Cadeias duplas | Duas cadeias de tetraedros unem-se periodicamente para formar bandas mais largas. | Anfíbolas, como a hornblenda e a tremolite. |
| Camadas | Cada tetraedro partilha três átomos de oxigénio, formando camadas extensas. | Micas, minerais de argila, talco, serpentina e clorite. |
| Cadeias | Os quatro vértices do tetraedro participam numa rede tridimensional. | Feldspatos, feldspatoides, zeólitos, quartzo e vidro de quartzo. |
Rochas ígneas
O teor de silício e a saturação em dióxido de silício ajudam a determinar a viscosidade do magma, a associação mineral, o tipo de erupção e se irão cristalizar quartzo, feldspato, piroxena, olivina ou feldspatoides.
Meteorização e solo
A meteorização dos silicatos liberta ácido silícico dissolvido e forma minerais de argila, consumindo dióxido de carbono atmosférico ao longo do tempo geológico.
Areia e sedimentos
O quartzo resiste a muitos ciclos de meteorização e acumula-se em areias, arenitos, depósitos de praia, dunas e sistemas fluviais.
Dióxido de silício biogénico
As diatomáceas, os radiolários, muitas esponjas e os fitólitos das plantas formam estruturas de dióxido de silício hidratado ou amorfo, extraído da água ou do solo.
Comportamento do silício no interior da Terra
No manto, o silício faz parte da composição dos silicatos de alta pressão. A pressões ainda mais elevadas, a coordenação altera-se e as estruturas densas tornam-se estáveis.
Diagénese do dióxido de silício
A opala biogénica e o vidro vulcânico, quando enterrados sob sedimentos, podem transformar-se em opala-CT, calcedónia ou quartzo, alterando a porosidade e a resistência da rocha.
Propriedades físicas, térmicas, químicas e óticas
Os valores de referência dependem da temperatura, da orientação do cristal, da concentração de impurezas, da densidade de portadores de carga, da estrutura dos grãos e do tratamento da superfície. Por isso, as propriedades de um monocristal de qualidade semicondutora são mais reprodutíveis do que as de um bloco de silício metalúrgico que contenha ferro, alumínio, cálcio, carbono e outras impurezas.
| Propriedade | Valor ou comportamento típico | Importância prática |
|---|---|---|
| Número atómico | 14. | Determina a posição do silício no 3.º período, entre o alumínio e o fósforo, e no grupo do carbono. |
| Massa atómica padrão | 28,085. | Reflete a mistura natural dos três isótopos estáveis. |
| Sistema cristalino | Cúbica, estrutura do diamante; grupo espacial Fd3̅m. | Determina a clivagem, as propriedades mecânicas anisotrópicas, as bandas de energia eletrónicas e a orientação da lâmina. |
| Densidade | Cerca de 2,329 g/cm³ a uma temperatura próxima da temperatura ambiente. | Mais leve do que a galena, a hematite, o carbeto de silício e a maioria dos materiais semelhantes com aspeto metálico. |
| Dureza | Cerca de 6,5–7 na escala de Mohs. | Resistente a riscos provocados por aço comum, mas pode ser riscado por quartzo, corindo, diamante e poeiras abrasivas duras. |
| Clivagem e fratura | Clivagem pronunciada segundo os planos {111}; noutras direções, a fratura é concoidal ou irregular. | Lâminas finas e fragmentos afiadas podem partir-se subitamente quando são dobrados ou quando se pressiona a sua extremidade. |
| Ponto de fusão | Aproximadamente 1414 °C. | Permite o crescimento de cristais a partir do material fundido, mas requer sistemas controlados de fabrico de cristais resistentes a altas temperaturas. |
| Ponto de ebulição | Aproximadamente 3265 °C. | É importante no processamento a altas temperaturas e no controlo da contaminação na fase de vapor. |
| Condutividade térmica | Monocristal de elevada pureza, a uma temperatura próxima da ambiente – aproximadamente 148 W/m·K. | Elevada em comparação com outros semicondutores e materiais sólidos semelhantes à cerâmica, mas inferior à do cobre ou da prata. |
| Expansão térmica | Pequeno; o seu caráter direcional é limitado pela rede cristalina cúbica. | É útil em instrumentos de precisão, embora as pastilhas ainda possam fissurar devido a gradientes de temperatura. |
| Largura da banda proibida | Banda proibida indireta, com uma largura de aproximadamente 1,12 eV à temperatura ambiente. | É adequado para eletrónica e para converter energia solar em eletricidade, mas não emite luz tão eficientemente como os semicondutores de banda proibida direta. |
| Ótica de luz visível | Absorve fortemente a luz e, na forma maciça habitual, parece opaco. | As pastilhas polidas parecem cinzentas-escuras, cinzento-acastanhadas ou quase pretas sob os revestimentos superficiais. |
| Ótica infravermelha | Índice de refração elevado e transmitância adequada para uso prático em algumas regiões do infravermelho próximo e médio. | Permite fabricar lentes infravermelhas, janelas, sensores e dispositivos de fotónica integrada. |
| Óxido superficial natural | Forma-se espontaneamente no ar uma fina película de óxido de silício; uma camada de óxido mais espessa e de alta qualidade é produzida ou depositada industrialmente. | Passiva a superfície e forma uma interface tecnologicamente valiosa. |
| Propriedades químicas | Devido ao óxido superficial, é estável na água e resistente a muitos ácidos à temperatura ambiente; é atacado por agentes de gravação especializados e bases fortes. | Normalmente, não é necessário limpar com produtos domésticos; isso pode danificar os revestimentos ou as camadas de metalização. |
Física dos semicondutores: portadores de carga, impurezas dopantes, junções e interfaces
No silício cristalino puro, à temperatura ambiente, há muito poucos portadores de carga móveis em comparação com um metal. A sua utilidade prática revela-se quando a temperatura, a luz, os campos elétricos e as impurezas cuidadosamente selecionadas alteram o número e o movimento dos eletrões e das lacunas.
Silício intrínseco
A energia térmica transfere ocasionalmente um eletrão através da banda proibida, deixando um estado vazio móvel, chamado lacuna. Há igual número de eletrões e lacunas.
Silício do tipo n
Os átomos dadores, como o fósforo, o arsénio ou o antimónio, fornecem eletrões que se movem pelo cristal com mais facilidade do que os portadores de carga intrínsecos.
Silício do tipo p
Os átomos aceitadores, geralmente de boro, criam buracos móveis que, na estrutura da banda de valência, atuam como portadores de carga positiva.
Junção p–n
No local onde as regiões do tipo p e do tipo n se encontram, forma-se um campo elétrico interno devido à redistribuição de carga. O funcionamento de díodos, fotodíodos, transístores e células solares depende das propriedades desta junção.
Interface MOS
Uma camada de óxido ou de um dielétrico semelhante, formada em condições controladas, separa o elétrodo de porta do silício. Os campos elétricos na interface criam ou eliminam então o canal condutor.
Defeitos e armadilhas
Vacâncias, deslocações, impurezas, limites de grão, ligações insaturadas e superfícies contaminadas podem capturar carga ou reduzir o tempo de vida dos portadores de carga.
| Estado do material | Portadores de carga predominantes | Como é obtido | Utilização habitual |
|---|---|---|---|
| Silício intrínseco | Igual número de eletrões e buracos gerados termicamente. | Cristal extremamente puro, sem impurezas dopantes eletricamente ativas introduzidas intencionalmente. | Ponto de referência para avaliar propriedades, material para detetores e base inicial para a conceção de dispositivos. |
| Silício do tipo n | Eletrões. | Dopagem intencional com impurezas dadoras, frequentemente fósforo, arsénio ou antimónio. | Regiões de transístores, contactos, díodos, sensores e estruturas de células solares. |
| Silício do tipo p | Buracos. | Dopagem intencional com impurezas aceitadoras, geralmente boro. | Substratos, regiões de transístores, junções, sensores e dispositivos fotovoltaicos. |
| Silício compensado | É determinado pelo equilíbrio entre átomos dadores e aceitadores. | Existem impurezas dopantes dos dois tipos, introduzidas intencionalmente ou provenientes de contaminação. | Controlo preciso da resistividade ou compensação dos efeitos de impurezas indesejadas. |
| Silício degeneradamente dopado | Concentração muito elevada de eletrões ou buracos. | Dopagem intensa por implantação, difusão ou durante o crescimento do cristal. | Contactos de baixa resistência e regiões com propriedades parcialmente condutoras. |
Do quartzo ao cristal para eletrónica
O fabrico do silício é uma sequência de etapas em que a composição química e a estrutura são controladas com precisão crescente. O quartzo é reduzido a silício metalúrgico, que é purificado com recurso a compostos voláteis, depositado sob a forma de polissilício, cristalizado num lingote, cortado em lâminas e, em seguida, submetido a centenas de etapas tecnológicas rigorosamente controladas, nas quais são formadas estruturas.
- Redução carbotérmicaO quartzo ou quartzito de elevada pureza reage com carbono num forno de arco elétrico submerso. Reação global simplificada: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silício de grau metalúrgicoO produto obtido no forno contém normalmente cerca de 98–99 % de silício, mas o teor de impurezas continua a ser bastante elevado para a eletrónica avançada.
- Transformação químicaAs reações químicas transformam o silício em clorossilanos voláteis ou silano, permitindo a sua destilação repetida e purificação química.
- Deposição de silício policristalinoOs gases purificados decompõem-se em superfícies aquecidas ou em sistemas de leito fluidizado, formando barras ou grânulos de pureza ultraelevada.
- Crescimento de cristaisA puxagem de cristais pelo método de Czochralski ou a purificação por fusão zonal sem cadinho produz monocristais com propriedades controladas; a fundição ou a solidificação direcional produz material multicristalino.
- Fabrico de bolachasAntes de se iniciar o fabrico dos dispositivos, os lingotes são orientados e cortados em bolachas; as arestas são arredondadas e as superfícies são alisadas, gravadas e polidas.
O quartzo é reduzido a alta temperatura
Nas reações químicas que ocorrem num forno elétrico, os materiais que contêm carbono removem o oxigénio, formando silício fundido com um teor de impurezas controlado, mas ainda elevado.
O silício é transformado em gases adequados para purificação
Os compostos voláteis permitem separar, através de tratamento químico, o boro, o fósforo, os metais, as partículas químicas que contêm carbono e outros contaminantes.
É depositado silício policristalino de pureza ultraelevada
A pureza, expressa por uma percentagem com muitos noves, é alcançada porque, em cada etapa do processamento, são removidas ou separadas impurezas que, de outro modo, alterariam o tempo de vida dos portadores de carga e a resistividade.
A orientação do cristal é determinada
O cristal-semente orienta o crescimento de modo a manter a orientação escolhida e a controlar a concentração de impurezas dopantes no lingote em crescimento.
O lingote é transformado em bolachas
O corte com serra de fio produz discos finos. O tratamento das arestas, a gravação química e a polimento químico-mecânico criam uma superfície plana e com poucos defeitos.
Os dispositivos são formados em camadas
A oxidação, a deposição, a litografia, a gravação, a implantação, a difusão, a limpeza, o recozimento e a metalização criam estruturas eletrónicas em toda a bolacha.
Formas industriais, tipos de cristais e amostras de coleção
As amostras de silício elementar são normalmente produtos de fabrico, e não achados de expedições geológicas. Por isso, as informações mais úteis sobre a sua proveniência são de natureza industrial: processo de fabrico, grau de pureza, método de crescimento, orientação do cristal, revestimento, fabricante, data e utilização original.
Silício de grau metalúrgico
Pedaços escuros, de cor cinzenta-aço, com superfícies de fratura brilhantes, impurezas distribuídas de forma irregular, fratura vítrea e, por vezes, uma pátina superficial azulada ou bronzeada.
Barra de polissilício
Silício depositado de elevada pureza, com uma superfície mate, nodosa, granulosa ou semelhante a uma couve-flor em torno de um filamento central.
Grânulos de silício policristalino
Partículas pequenas e soltas, produzidas para facilitar o manuseamento e a fusão durante o crescimento de cristais ou o fabrico de dispositivos fotovoltaicos.
Lingote monocristalino
Cristal cilíndrico ou de outra forma, cuja orientação, diâmetro, teor de oxigénio, dopante e resistividade são cuidadosamente controlados.
Bolacha polida até ficar espelhada
Disco fino e extremamente plano, com um entalhe ou uma secção reta na borda para determinar a orientação. A cor pode dever-se a películas de óxido, nitreto, fotorresiste ou multicamadas.
Bolacha multicristalina
Corte que contém muitos grãos cristalinos, frequentemente revelados por limites atacados, textura direcional ou reflexos distintos.
Silício dendrítico
Formas cristalinas ramificadas, crescidas a partir de material fundido por arrefecimento controlado, em vez de se formarem através do crescimento natural habitual dos minerais.
Película de silício amorfo
Uma camada fina depositada, utilizada em eletrónica, detetores, ecrãs e estruturas fotovoltaicas, não sendo um cristal de coleção autónomo.
Silício crescido pelo método de Czochralski
Cresce a partir de silício fundido num cadinho de sílica. O teor de oxigénio pode ser controlado, influenciando a resistência mecânica e o comportamento dos defeitos.
Silício crescido por fusão zonal sem cadinho
Uma zona estreita fundida desliza ao longo da barra sem utilizar cadinho, produzindo silício com um teor de oxigénio extremamente baixo e uma resistividade elevada.
Silício multicristalino para células solares
Tradicionalmente, era fundido em blocos que continham muitos grãos cristalinos. Devido aos limites dos grãos e às impurezas, são necessárias passivação e uma conceção cuidadosa das células solares.
Pastilha tecnologicamente processada
Pedaço de bolacha cortado com transístores, sensores, condutores de interligação, estruturas óticas ou padrões de teste. As cores visíveis devem-se sobretudo a películas superficiais.
Bolacha histórica
Uma bolacha com proveniência documentada, associada a um programa de investigação, uma linha de produção, uma geração de dispositivos ou uma instituição reconhecíveis, pode ter um significado tecnológico que ultrapassa o seu valor material.
Pepita rara de silício
Os grãos naturais de silício elementar são geralmente microscópicos, identificados por métodos analíticos e encontrados incrustados num meteorito ou numa matriz terrestre de origem invulgar, e não vendidos como grandes cristais isolados.
Química da superfície, cores de películas finas e luz infravermelha
O silício não revestido não é naturalmente azul-vivo, violeta ou dourado. Estas cores surgem normalmente quando a luz se reflete tanto no limite superior como no limite inferior de uma película transparente fina. Mesmo pequenas variações na espessura do óxido ou do nitreto alteram significativamente a cor de interferência.
Óxido nativo
A exposição ao ar forma uma camada de óxido muito fina que passiva quimicamente a superfície, mas pode ser demasiado fina para criar uma cor visível intensa.
Óxido térmico
A oxidação controlada cria uma camada densa de SiO₂, cuja espessura pode ser medida por métodos óticos e ajustada para isolamento, mascaramento e controlo das propriedades da superfície.
Nitreto de silício
Os revestimentos de Si₃N₄ são utilizados para passivação, controlo de tensões mecânicas, mascaramento e redução da reflexão. As suas cores de interferência podem ser semelhantes às do óxido ou mais vivas.
Fotorresiste e películas de processamento
Fotorresistes orgânicos, metais, dielétricos e estruturas multicamada conferem cores adicionais que não refletem a cor do silício elementar em si.
Transparência à radiação infravermelha
Abaixo do limite de absorção, o silício suficientemente puro transmite parte do espectro infravermelho e apresenta um elevado índice de refração.
Absorção por portadores livres
A dopagem intensa cria portadores de carga móveis que absorvem a radiação infravermelha e estreitam a janela ótica útil.
| Aspeto observado | Causa provável | Aspetos a considerar na avaliação |
|---|---|---|
| Superfície de fratura uniformemente cinzenta-aço | Superfície fresca de silício elementar, com uma película superficial decorativa mínima. | As impurezas metalúrgicas podem escurecer a superfície ou torná-la manchada. |
| Pastilha azul, violeta, rosa ou âmbar | Interferência em películas finas, causada por óxido, nitreto, fotorresiste ou processamento multicamada. | A cor, por si só, não revela o tipo de dopante, a pureza ou a finalidade do dispositivo. |
| Superfície polida, negra e espelhada | Absorção da luz visível combinada com uma superfície refletora extremamente plana. | O aspeto escuro não significa que o material seja amorfo ou impuro. |
| Superfície policristalina mate | Numerosas pequenas paredes cristalinas, limites de grão, protuberâncias depositadas ou corrosão química. | A textura pode surgir durante o fabrico, e não devido à cristalização natural. |
| Marcas radiais ou em espiral na pastilha | Polimento, limpeza, deposição irregular, estrias de crescimento do cristal ou resíduos do processo de fabrico. | A distinção entre vestígios de fabrico e danos pode exigir uma análise microscópica profissional. |
| Entalhe regular ou segmento reto da aresta | Elemento de orientação e manuseamento formado durante o fabrico. | Não se trata de dano causado por degradação natural. |
Aplicações: da química dos compostos que formam as rochas às superfícies programáveis
A importância do silício vai muito além dos processadores de computador. Os seus compostos predominam nos materiais geológicos, enquanto o silício elementar purificado é utilizado na conversão de energia, em sensores, na mecânica, na ótica, na química e em medições de precisão.
Vidro e cerâmica
O dióxido de silício e os silicatos são utilizados no fabrico de vidro para janelas, fibras, vidro ótico, porcelana, materiais refratários, vidrados, material de laboratório e cerâmica técnica.
Cimento e betão
Os silicatos de cálcio determinam a maior parte da hidratação do cimento Portland e do aumento da resistência do betão.
Circuitos integrados
Nas pastilhas de silício são criados sistemas de lógica, memória, eletrónica analógica, gestão de energia, comunicações e sinais mistos.
Fotovoltaica
O silício cristalino absorve a luz solar, separa nas junções os portadores de carga gerados pela luz e continua a ser a base da maioria dos módulos solares convencionais.
MEMS e sensores
O silício micromaquinado é utilizado no fabrico de acelerómetros, sensores de pressão, microfones, giroscópios, sistemas de controlo de fluidos e estruturas ressonantes.
Ótica infravermelha e fotónica
O elevado índice de refração e a transmissão de radiação infravermelha permitem criar guias de onda, moduladores, detetores, lentes e circuitos ópticos integrados.
Ligas metalúrgicas
O silício melhora a fundibilidade, desoxida o aço, altera as propriedades das ligas de alumínio e integra a composição de silicietos resistentes ao calor.
Materiais de silicone
Os produtos finais da química industrial do silicone incluem vedantes, elastómeros, lubrificantes, materiais de encapsulamento, materiais de qualidade médica e polímeros resistentes ao calor.
Metrologia de precisão
Cristais e esferas de silício de elevada pureza e composição isotópica controlada são utilizados em medições dimensionais e no estudo de constantes fundamentais.
Dispositivos quânticos
O silício purificado isotopicamente pode reduzir o ruído magnético em torno de estados quânticos baseados em spin e oferecer uma plataforma de fabrico bem desenvolvida.
Identificação e materiais frequentemente confundidos
O silício elementar maciço é identificado com maior fiabilidade através de um conjunto de características: baixa densidade para um material de aspeto metálico, fratura concoidal frágil, cor cinzenta-escura, superfície dura, ausência de maleabilidade típica dos metais e origem industrial. As bolachas fabricadas são mais fáceis de identificar pela geometria, pelo entalhe, pelo polimento e pelas camadas tecnológicas do que através de testes de campo.
Sequência de exame não destrutivo
Antes de testar uma superfície brilhante, examine todo o objeto. A embalagem, os rótulos, as marcas de processamento, os entalhes de orientação e o equipamento associado de um material industrial podem fornecer mais informações do que a própria fratura.
- Determine o tipo de objetoDistingua entre silício obtido em forno, polissilício, monocristal, bolacha, chip, substrato revestido, liga ou imitação.
- Avalie qualitativamente a densidadeO silício parece surpreendentemente leve quando comparado com galena, hematite, aço ou carboneto de silício de tamanho semelhante.
- Examine a geometria da fraturaProcure curvaturas semelhantes a conchas, arestas afiadas, superfícies refletoras de luz e variações nos limites dos grãos.
- Examine o sistema de camadas superficiaisDetermine se a cor é conferida por um óxido, nitreto, metal, fotorresiste, contaminantes ou revestimento decorativo.
- Procure uma estrutura granularNum material policristalino, podem ser visíveis limites entre cristais, grãos, impurezas segregadas e trajetórias de fratura irregulares.
- Verifique as propriedades magnéticasO silício puro não é ferromagnético; uma reação forte pode indicar ferrossilício, metal aderente ou contaminação.
- Evite testes de riscagem em bolachasOs testes de dureza danificam as superfícies polidas e podem provocar fissuras com origem nas extremidades.
- Recorra a métodos de análise, se necessárioA espectroscopia Raman, a difração de raios X, as medições da resistividade elétrica, da transmissão de radiação infravermelha e os métodos de análise da composição podem confirmar a identidade do material e o seu estado tecnológico.
| Material | Porque pode ser confundido com o silício | Características distintivas úteis |
|---|---|---|
| Quartzo ou vidro de quartzo | Dureza semelhante, fratura concoidal e composição química rica em silício. | O quartzo e o vidro de quartzo são SiO₂, geralmente transparentes ou translúcidos e não metálicos; o silício elementar é escuro e opaco à luz visível. |
| Carboneto de silício | Material covalente escuro, cujas superfícies apresentam brilho metálico ou iridescente. | O SiC é consideravelmente mais duro e denso; apresenta frequentemente um brilho artificial iridescente mais intenso ou cristais lamelares. |
| Galena | Aspeto metálico cinzento-chumbo e fragilidade. | A galena é muito mais pesada, mais macia e apresenta clivagem cúbica perfeita. |
| Hematite | Superfícies cinzentas-aço, com brilho metálico ou semimetálico. | A hematite é mais densa e deixa um traço castanho-avermelhado. |
| Grafite | Cor cinzenta escura, brilho semimetálico e condutividade elétrica. | A grafite é muito macia, tem um toque gorduroso, deixa um traço escuro e divide-se em escamas flexíveis. |
| Ferrossilício | Lingotes industriais escuros, de brilho metálico, ricos em silício. | Maior densidade, possíveis propriedades magnéticas, fases de liga metálica e composição química rica em ferro. |
| Vidro metálico ou escória | Superfície de fratura escura e refletora e forma irregular de produto industrial. | Bolhas, textura de escoamento, densidade variável, composição mista e ausência de características típicas do silício cristalino. |
| Bolacha de vidro revestida | Substrato circular plano com películas finas coloridas. | A transmissão da luz nas extremidades, a menor densidade, o padrão de fratura e os ensaios óticos ajudam a distinguir o vidro do silício. |
O isolamento, a ciência dos semicondutores e a ascensão das plataformas tecnológicas de silício
A história do silício estende-se da análise de minerais ao isolamento químico, do material frágil de laboratório ao cristal de elevada pureza e dos retificadores isolados aos sistemas integrados. A mudança decisiva não foi apenas a descoberta do elemento, mas também a capacidade de controlar a sua pureza, superfície, defeitos cristalinos e interfaces.
O dióxido de silício é identificado como o óxido de um elemento desconhecido
Os químicos perceberam que o quartzo e materiais afins continham um componente resistente aos métodos de redução habituais, mas continuava a ser difícil isolá-lo, pois o silício forma ligações fortes com o oxigénio.
Obtém-se silício impuro e forma-se o seu nome em inglês
As primeiras experiências de redução produziram um material que continha silício, e o nome inglês «silicon» substituiu formas mais diretamente baseadas no modelo dos nomes dos elementos metálicos.
Jöns Jacob Berzelius isola silício amorfo
Berzelius obteve e descreveu uma substância elementar bastante mais pura, lançando as bases para determinar a identidade química do silício.
Obtém-se silício cristalino
Henri Sainte-Claire Deville obteve silício cristalino, tornando mais fácil estudar o seu brilho, fragilidade e estrutura.
O silício torna-se um material para detetores eletrónicos
Os dispositivos de contacto pontual e os detetores cristalinos revelaram o fenómeno de retificação muito antes de o cultivo de cristais de elevada pureza permitir a engenharia moderna de semicondutores.
O silício de elevada pureza abre caminho aos transístores e às células solares de aplicação prática
A purificação, o controlo dos dopantes, a formação de junções e o crescimento de cristais consolidaram o silício como uma alternativa cada vez mais prática ao germânio.
A passivação de superfícies, a tecnologia planar e os dispositivos MOS transformam o fabrico
Uma interface controlada entre o silício e o óxido permitiu proteger superfícies, definir os contornos dos dispositivos por fotolitografia e criar circuitos integrados de elevada densidade de componentes.
As aplicações do silício expandem-se para a energia fotovoltaica, MEMS, fotónica, metrologia e investigação quântica
A mesma plataforma de fabrico é agora utilizada na conversão de energia, em sensores mecânicos, circuitos óticos, cristais com composição isotópica controlada e dispositivos de dimensões nanométricas.
O silício tornou-se um material fundamental não por ser particularmente condutor no seu estado natural. Assumiu esse papel porque a sua condutividade, superfície, geometria e interfaces podem ser controladas com uma precisão extraordinária.
Avaliação, proveniência e importância relativa
Não existe um sistema de avaliação universal para o silício de coleção. Um lingote bruto de fundição, uma barra de polissilício, um monocristal para investigação, uma pastilha de produção, um chip com circuito impresso, uma célula solar inicial, um circuito integrado histórico e um raro grão natural têm prioridades de avaliação diferentes.
Identidade do material
Confirme se o objeto é silício elementar, uma liga, carboneto de silício, vidro revestido, um semicondutor processado ou outro material industrial.
Forma cristalina
Registe se a amostra é monocristalina, policristalina, dendrítica, em forma de película amorfa, porosa, fraturada, cortada, polida ou depositada.
Integridade da superfície
Verifique lascas nas arestas, clivagem segundo planos de clivagem, riscos, turvação, impressões digitais, cor do óxido, delaminação, corrosão e danos nas camadas de metalização.
Origem tecnológica
O fabricante, o método de crescimento, o local de produção, a orientação cristalográfica da pastilha, o dopante, a resistividade elétrica, o diâmetro, a data e a finalidade prevista podem ser mais relevantes do que um aspeto impecável.
Contexto histórico
Etiquetas de investigação, geração da tecnologia de fabrico, instituição, tipo de dispositivo, encapsulamento e documentação podem ajudar a determinar a relevância tecnológica.
Origem natural
Para fundamentar alegações de que se trata de silício nativo, são necessários o local de achado, o material hospedeiro, provas analíticas e a matriz primária preservada.
| Tipo de objeto | Características principais | O que verificar |
|---|---|---|
| Pedaço de silício metalúrgico | Fratura característica, origem industrial, textura das impurezas, dimensão e superfície estável. | Se não foi alterado com ferrossilício, se não contém escória, revestimento ou oxidação, se tem arestas afiadas e se a proveniência está documentada. |
| Barra ou grânulo de silício policristalino | Morfologia de deposição, documentação de pureza, método de fabrico e estrutura intacta. | Contaminação, marcas de manuseamento, fio partido, revestimento e alegações enganosas de cristal natural. |
| Bolacha monocristalina | Diâmetro, orientação, entalhe, espessura, polimento, dopante, resistividade e método de crescimento. | Lascas nas extremidades, microfissuras, deformação, riscos, contaminação, revestimento e histórico de processamento desconhecido. |
| Bolacha com padrão | Padrão do dispositivo ou do teste, contexto de fabrico, data, disposição dos chips, documentação e estado de conservação da superfície. | Metal corroído, películas delaminadas, resíduos de fotorresiste, extremidade partida e dados de proveniência incompletos. |
| Chip ou circuito histórico | Função identificável, fabricante, data, invólucro, instituição e contexto tecnológico. | Invólucro substituído, etiquetas removidas, marcação falsificada, ligações interrompidas e documentação em falta. |
| Amostra de silício nativo | Matriz natural, local exato de recolha, confirmação analítica, escala e histórico de publicações. | Contaminação industrial, material de fundição, detritos de impacto, inclusão artificial e atribuição de proveniência sem fundamento. |
Manuseamento, armazenamento, exposição e segurança na oficina
O silício elementar maciço é quimicamente estável em condições normais de interior, mas as suas arestas são frágeis e as superfícies processadas podem conter óxidos, nitretos, metais, polímeros ou estruturas de dispositivos sensíveis. Os cuidados devem ser escolhidos tendo em conta o objeto na sua totalidade, e não apenas o substrato de silício.
Peças maciças
Guarde as peças de formato irregular em suportes almofadados, evite que caiam e mantenha as arestas de fratura afiadas afastadas de amostras adjacentes e das mãos.
Bolachas não revestidas
Segure pela extremidade com luvas limpas ou com ferramentas adequadas para manusear bolachas. Evite dobrar, pressionar as extremidades, empilhar sem separadores e o contacto com partículas abrasivas.
Bolachas revestidas
Não assuma que uma superfície colorida é resistente à água, ao álcool, a solventes, a detergentes ou à limpeza com um pano. A película visível pode ser mais macia e menos estável do que o silício.
Dispositivos processados
As pistas metálicas, as zonas de contacto, os polímeros e os circuitos encapsulados podem corroer ou delaminar. Os dispositivos eletrónicos ativos também podem necessitar de proteção contra descargas eletrostáticas.
Controlo do pó
Não retifique silício a seco, não o lixe, não o perfure nem o esmague sem tomar precauções. Utilize métodos húmidos adequados ou extração localizada e use proteção adequada para os olhos e as vias respiratórias.
Resíduos industriais de origem desconhecida
O material processado pode conter películas metálicas, impurezas de dopagem, resíduos, solda, fotorresiste ou contaminação que não são visíveis ao observar a superfície frontal.
| Perigo | Efeito possível | Medida de prevenção |
|---|---|---|
| Impacto na extremidade | Lascamento, fissuras radiais, propagação de fissuras e fragmentos afiados. | Utilize apoios almofadados e suportes que não toquem nas extremidades, e guarde as amostras separadamente. |
| Flexão da bolacha | Fratura súbita completa devido a uma ligeira flexão ou a um defeito já existente na extremidade. | Levante a bolacha com apoio uniforme e nunca a force para dentro de um suporte apertado. |
| Poeira abrasiva | Riscos irreversíveis, opacidade, perda do brilho da superfície polida e danos em películas finas. | Antes de limpar, remova as partículas soltas com uma pera de sopro limpa ou por um método controlado sem contacto. |
| Solvente ou produto de limpeza doméstico | Inchaço do fotorresiste, perda do revestimento, corrosão do metal, resíduos e alteração da cor de interferência. | Não aplique métodos de limpeza química escolhidos arbitrariamente a superfícies processadas. |
| Gradiente de temperatura | Fissuração por tensão, delaminação de películas e danos na metalização. | Evite chamas, vapores, placas de aquecimento, lâmpadas intensas e mudanças bruscas de temperatura. |
| Descarga eletrostática | Danos em circuitos ativos ou historicamente significativos. | Se o dispositivo continuar eletricamente ativo ou desprotegido, utilize medidas antiestáticas ao manuseá-lo. |
| Corte ou retificação a seco | Partículas afiadas em suspensão no ar e pós finos potencialmente inflamáveis. | Utilize medidas de controlo de poeiras adequadas a trabalho profissional e evite processar resíduos com revestimentos desconhecidos. |
| Fixação instável | Deslizamento da bolacha, pressão nas extremidades, fratura e desgaste por fricção contra grampos rígidos. | Utilize suportes largos de materiais inertes que não provoquem cargas pontuais. |
Documentação e descrição responsável
Uma descrição completa de uma amostra de silício indica separadamente a composição elementar, o grau de pureza, a estrutura cristalina, a forma industrial, o histórico do processo de fabrico, o revestimento, o estado do dispositivo, a origem natural e o estado de conservação. A designação «cristal de silício» pode, por si só, ocultar a maior parte das informações que dão significado à amostra.
Identidade do material
Indique se se trata de silício elementar, ferrossilício, carboneto de silício, silício revestido, substrato de vidro, polissilício ou outro material confirmado.
Cristalinidade
Documente a estrutura monocristalina, multicristalina, policristalina, amorfa, porosa, dendrítica ou desconhecida.
Método de crescimento e purificação
Se forem conhecidos, indique a fusão metalúrgica, a deposição pelo processo Siemens, a produção de grânulos em leito fluidizado, o crescimento pelo método de Czochralski ou de zona flutuante, a fundição ou a deposição de películas.
Características eletrónicas
Guarde os dados sobre a orientação cristalográfica, o dopante, o tipo de condutividade, a resistividade, o diâmetro, a espessura, a planicidade, a classe de teor de oxigénio e a utilização em dispositivos.
Estrutura das camadas superficiais
Descreva se a superfície está sem revestimento, oxidada, nitridada, metalizada, revestida com fotorresiste, passivada, padronizada ou gravada, ou se a amostra está encapsulada.
Proveniência e estado
Guarde os dados sobre o fabricante, a instituição, o projeto, a data, a embalagem, a utilização anterior, as lascas nas bordas, os riscos, a contaminação, as reparações e as fotografias.
Simbolismo moderno e significado reflexivo
As interpretações simbólicas modernas do silício podem basear-se diretamente nas suas propriedades materiais reais: estrutura com quatro ligações, impurezas controladas, condutividade seletiva, interfaces entre camadas, formação precisa de padrões e transformação de uma matéria-prima mineral abundante numa plataforma cristalina de precisão. Estes temas são reflexões modernas, não afirmações sobre antigas tradições do silício.
Primeiro a estrutura, depois a complexidade
Um vasto sistema eletrónico começa com ligações locais repetidas: cada átomo está ligado de forma previsível a quatro vizinhos.
Pequenos aditivos, grande impacto
Concentrações muito baixas de impurezas dopantes podem alterar a condutividade em várias ordens de grandeza, lembrando que contribuições cuidadosamente selecionadas são mais importantes do que uma abundância indiscriminada.
As interfaces criam funções
A fronteira entre o silício e a camada isolante não se limita a separá-los: é precisamente aí que se tornam possíveis canais e dispositivos controlados.
Purificação por seleção
A pureza necessária para a eletrónica é alcançada repetindo a separação e a medição, e não através de uma única etapa de remoção impressionante.
Restrições definidas por padrões
Um circuito útil não conduz corrente em todo o lado. Orienta o movimento através de regiões, barreiras e junções formadas intencionalmente.
Superfície e interior
A cor da placa pode dever-se a uma película com apenas alguns nanómetros de espessura, lembrando que a aparência exterior e a estrutura subjacente estão relacionadas, mas não são idênticas.
Visão geral das placas e da Lua
- Escolha um sistema que pareça complexo porque cada parte é considerada igualmente condutora.
- Estabeleça uma estrutura fundamental que se mantenha estável.
- Identifique um contributo a aumentar, uma impureza a remover e um limite a reforçar.
- Defina onde deve ser fácil avançar e onde é útil haver resistência.
- Escolha uma ação mensurável que altere o sistema sem o reorganizar por completo.
- Após um ciclo completo, avalie o resultado e altere apenas uma variável de cada vez.
Leia a seguir guias especializados sobre o silício
É possível conhecer o silício através da cristalografia do silício elementar, da ótica dos semicondutores, da geologia, da purificação industrial, da estrutura policristalina, da história da tecnologia, do simbolismo contemporâneo e da prática de reflexão.
Perguntas frequentes
O silício é um metal?
O silício é normalmente classificado como semimetal. A sua superfície tem um aspeto metálico, mas é um semicondutor com ligações covalentes, cuja condutividade depende muito mais da temperatura e das impurezas dopantes do que a de um metal comum.
O silício e o dióxido de silício são a mesma coisa?
Não. O silício é o elemento químico Si. A fórmula do dióxido de silício é SiO₂; incluem-se neste grupo o quartzo, a cristobalite, a tridimite, a opala, o vidro de sílica e formas de alta pressão.
O silício e o silicone são a mesma coisa?
Não. Os silicones são uma família de polímeros sintéticos cuja cadeia principal é constituída por átomos de silício e oxigénio dispostos alternadamente, com grupos laterais orgânicos ligados a ela. A borracha, o óleo, a resina e o vedante de silicone não são silício elementar.
Por que razão o silício nativo é tão raro?
O silício forma ligações fortes com o oxigénio e integra-se facilmente nas estruturas do dióxido de silício e dos silicatos. A formação de silício elementar na natureza exige condições excecionalmente redutoras, e os seus depósitos são normalmente microscópicos.
Por que razão uma bolacha de silício parece azul ou violeta?
A cor surge normalmente devido à interferência numa película fina de óxido, nitreto, fotorresiste ou multicamada. O silício polido sem revestimento é de um cinzento-escuro a quase preto.
Por que razão se utiliza silício nos chips de computador?
O silício tem uma largura de banda proibida adequada, um óxido de elevada qualidade que se forma naturalmente e por tratamento térmico, excelente passivação de superfície, condutividade térmica suficiente e resistência mecânica. Além disso, as suas matérias-primas são abundantes, as tecnologias de purificação estão maduras e os métodos de produção são muito desenvolvidos.
Qual é a diferença entre silício do tipo p e do tipo n?
O silício do tipo p contém impurezas aceitadoras, que fazem das lacunas os portadores maioritários. O silício do tipo n contém impurezas dadoras, que fazem dos eletrões os portadores maioritários.
O que é uma lacuna?
Uma lacuna é um portador de carga positivo efetivo, associado à ausência de um eletrão num estado da banda de valência. Comporta-se como se uma carga positiva se movesse através do cristal.
O que é polissilício?
O polissilício é silício elementar policristalino de elevada pureza. É normalmente depositado sob a forma de barras, pedaços ou grânulos e, mais tarde, fundido para produzir bolachas ou células solares.
Qual é a diferença entre silício policristalino e monocristalino?
No silício monocristalino, mantém-se uma única orientação cristalina em todo o volume utilizado. O silício policristalino é composto por muitos grãos separados por limites, que afetam a fratura, a distribuição de impurezas e o transporte de portadores de carga.
O que é silício amorfo?
O silício amorfo não tem ordem cristalina de longo alcance e é normalmente depositado sob a forma de película fina. Adiciona-se frequentemente hidrogénio para passivar as ligações não saturadas e melhorar as propriedades eletrónicas.
O que é o silício cultivado pelo método de Czochralski?
É silício monocristalino, cultivado puxando e rodando lentamente uma semente cristalina a partir de silício fundido contido num cadinho de dióxido de silício. Este método é utilizado para fabricar a maioria das bolachas semicondutoras grandes convencionais.
O que é o silício obtido por fusão por zona sem cadinho?
O silício obtido por fusão por zona sem cadinho é purificado e cristalizado ao longo de uma barra de silício, deslocando uma zona estreita fundida sem utilizar um cadinho. Este método permite obter um teor de oxigénio muito baixo e uma resistividade elevada.
Porque é que o silício não transmite a luz visível, mas é adequado para a ótica de infravermelhos?
Os fotões de luz visível têm geralmente energia suficiente para serem absorvidos durante transições eletrónicas no silício. Os fotões infravermelhos de menor energia podem atravessar material suficientemente puro numa determinada gama de comprimentos de onda, que depende da aplicação.
O silício é naturalmente condutor de eletricidade?
À temperatura ambiente, o silício puro conduz a eletricidade mal, em comparação com um metal. O calor, a luz, os defeitos e a dopagem intencional podem aumentar significativamente a sua condutividade.
Porque é que a condutividade do silício aumenta quando é aquecido?
O calor excita mais eletrões, permitindo-lhes atravessar a banda proibida e formando assim pares adicionais de eletrão e lacuna. O aumento do número de portadores de carga pode superar a diminuição da mobilidade causada pelas vibrações da rede.
O silício elementar pode riscar vidro?
Uma aresta afiada de silício pode riscar muitos tipos de vidro comuns, pois a sua dureza na escala de Mohs é de cerca de 6,5–7. Não é necessário testar a dureza de uma bolacha fabricada ou de uma amostra documentada, e esse teste danifica-as de forma irreversível.
Porque é que o silício se parte tão facilmente, apesar de ser duro?
A dureza indica resistência a riscos, não à fratura. A rede de silício, com ligações covalentes direcionais, é rígida, mas frágil, e as bolachas finas são sensíveis a defeitos nas arestas e à flexão.
O silício pode ser limpo com água?
O silício maciço sem revestimento resiste a um contacto breve com água, mas as bolachas processadas podem conter películas, metais, polímeros ou resíduos que não resistem. Para uma amostra processada não identificada, a opção inicial mais segura é uma limpeza a seco e sem contacto.
Posso polir uma bolacha de silício partida?
O polimento remove a superfície existente e pode destruir a cor proporcionada pelo óxido, as camadas dos dispositivos, as marcas de origem e a geometria das arestas. Também gera poeiras finas, pelo que não deve ser feito de ânimo leve.
O carboneto de silício é uma variedade de silício?
O carboneto de silício contém silício, mas é um composto distinto, cuja fórmula é SiC. É mais duro, mais denso, mais resistente ao calor e as suas propriedades eletrónicas diferem das do silício elementar.
O que significa a ranhura na bolacha?
A ranhura é formada durante o fabrico para facilitar a identificação da orientação da bolacha e o seu manuseamento. Ajuda o equipamento automatizado a orientar a bolacha e assinala uma direção cristalográfica de referência.
É possível determinar a espessura exata da película pela cor do óxido?
Com iluminação controlada, a cor pode dar uma indicação aproximada da espessura, mas, para a determinar com precisão, é necessária uma medição ótica calibrada, uma vez que a cor também depende do ângulo, do substrato, do índice de refração e das camadas adicionais.
O que deve constar na etiqueta da amostra?
Indique o elemento químico, a pureza ou o grau de qualidade, a forma monocristalina ou policristalina, o método de crescimento, a orientação da bolacha, o dopante e a resistividade, se forem conhecidos, o revestimento, o fabricante, a data, a utilização anterior e o estado.
Considerações finais
A base estrutural do silício é uma regra local simples: cada átomo forma quatro ligações direcionais. À medida que esta regra se repete por todo o cristal, forma-se uma rede suficientemente rígida para servir de base a dispositivos de precisão, mas também suficientemente frágil para fissurar a partir de uma aresta danificada. As mesmas ligações determinam a banda proibida indireta, a condutividade térmica moderada, o elevado índice de refração na região infravermelha do espectro e uma superfície na qual se pode formar uma camada de óxido com um controlo extremamente preciso.
No contexto geológico, o silício raramente se encontra no estado livre. Liga-se ao oxigénio e forma tetraedros, que se combinam em grupos isolados, anéis, cadeias, camadas e estruturas tridimensionais. Assim, o silício torna-se parte integrante dos minerais do manto, do vidro vulcânico, do granito, da argila, do solo, da areia, das carapaças de diatomáceas, do betão, da porcelana e do vidro das janelas.
O processamento industrial inverte esta tendência natural para oxidar. O quartzo é reduzido, o silício é purificado através de compostos voláteis, depositado sob a forma de silício policristalino, é produzido um cristal com propriedades controladas e este é cortado em bolachas; depois, ciclos repetidos de adição e remoção de material criam padrões nas bolachas. Quantidades ínfimas de impurezas dopantes alteram as propriedades elétricas; películas com espessura nanométrica modificam a cor e as interfaces; defeitos microscópicos determinam se um dispositivo funciona ou falha.
Por isso, uma compreensão abrangente do silício combina mineralogia, cristalografia, termodinâmica, física do estado sólido, ótica, metalurgia, química, fabrico, eletrónica, energia, conservação e história da tecnologia. A sua singularidade não reside nem na condutividade elétrica natural nem na aparência impressionante. É singular porque um elemento abundante, que constitui as rochas, pode ser purificado e a sua estrutura e padrões podem ser moldados até o próprio material se tornar programável.