O melhor semicondutor de todos? Talvez não

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/07/2022

O arseneto de boro mostrou-se um semicondutor melhor do que o esperado. Mas será que ele é mesmo o "melhor de todos"?
[Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Semicondutor perfeito?

O silício tem sido um semicondutor bom o bastante para revolucionar a tecnologia humana, fazendo-nos dar em 50 anos um salto maior do que em milênios passados.

E esse elemento tão abundante na Terra fez isto mesmo não sendo o que os físicos chamam de um "semicondutor ideal".

De fato, ninguém é perfeito: Embora o silício permita que os elétrons passem facilmente por sua estrutura cristalina, ele é muito menos acolhedor em relação às lacunas, ou buracos, as quasipartículas carreadoras das cargas positivas - e o aproveitamento de ambas é importante para alguns tipos de chips.

Além disso, o silício não é muito bom em conduzir calor, sendo que evitar os problemas de superaquecimento foi uma das principais razões pelas quais o aumento de potência dos processadores teve que ser desacelerada.

Por conta disso, a busca por semicondutores mais próximos do ideal nunca cessou.

E Jungwoo Shin e colegas de várias universidades da China e dos EUA acreditam estar mais próximos desse objetivo.

Inicialmente será necessário desenvolver técnicas para sintetizar o arseneto de boro cúbico em larga escala.
[Imagem: University of Houston]

Arseneto de boro

O novo material, cujas características acabam de ser descritas como mais próximas do ideal do que o silício, é o arseneto de boro (BAs).

De fato, o arseneto de boro é um velho conhecido da equipe, que já havia demonstrado que esse material pode diminuir o aquecimento dos processadores.

A novidade agora é que eles conseguiram sintetizar uma forma cristalina do BAs conhecida como cúbica, que até hoje só havia sido gerada em amostras muito pequenas e cheias de defeitos.

E, ao estudar esse cristal um pouco mais puro, a equipe demonstrou que ele apresenta uma altíssima mobilidade ambipolar, ou seja, que deixa trafegar igualmente os negativos elétrons e as positivas lacunas, e essa baixa resistência às cargas positivas diminui o calor gerado pela passagem da corrente.

Os experimentos confirmaram que a condutividade térmica do arseneto de boro cúbico é várias vezes maior que a do silício em relação às cargas positivas.

Mas, para falar em substituição do silício, ainda falta muito. Para começar, será necessário determinar se o arseneto de boro cúbico poderá ser fabricado de forma prática e econômica, e muitas pesquisas adicionais serão necessárias para se ter uma ideia de suas reais possibilidades técnicas.

Por outro lado, mesmo que ele não venha a substituir o silício, o material pode encontrar seu próprio nicho, onde suas propriedades únicas façam uma diferença.

Mobilidade das portadoras

A mobilidade das portadoras de cargas elétricas é medida na unidade centímetros quadrados por volt por segundo (cm²V^-1s^-1).

Nos experimentos que uma parte da equipe realizou no MIT, nos EUA, os pesquisadores relataram uma mobilidade de 1.600 cm²V^-1s^-1. Essa parte do trabalho usou um método de grade transitória óptica para medir a mobilidade elétrica e a condutividade térmica.

Nos experimentos realizados na China, contudo, usando uma técnica diferente, foram obtidos resultados que variam de 1.500 cm²V^-1s^-1 a 3.000 cm²V^-1s^-1, devido a variações na qualidade das amostras. E, nestes casos de pico, parece que as lacunas apresentam uma mobilidade muito superior à dos elétrons, criando um contraste ainda maior com o silício.

Para comparação, o silício tem uma mobilidade média de 1.000 cm²V^-1s^-1 (1.400 para os elétrons e 450 para as lacunas). Mas outros semicondutores já bem conhecidos e usados pela indústria são muito melhores: o germânio alcança 4.000 cm²V^-1s^-1 e o arseneto de gálio pode chegar a 10.000 cm²V^-1s^-1.

Assim, a alegação dos pesquisadores de que o arseneto de boro poderia ser "o melhor semicondutor de todos" parece largamente exagerada.

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