لماذا تصنع الشرائح الإلكترونية من السيليكون؟ وهل هناك بدائل حقيقية له؟

يعد السيليكون واحداً من أكثر العناصر انتشاراً على الأرض، وينتمي إلى فئة أنصاف المعادن، أي أنه ليس معدناً مثل الحديد أو الألمنيوم، وبنفس الوقت لا يصنف مع غير المعادن مثل الكربون والأكسجين، بل أن خواصه تضعه في المنتصف.

و في ولاية كاليفورنيا الأمريكية يمكنك العثور على مقرات العديد من الشركات التقنية الكبرى في منطقة تعرف اليوم باسم “وادي السيليكون” (Silicon Valley)، وهذه التسمية لم تأتي من عبث.

ففي جميع الشرائح الإلكترونية التي من الممكن أن تجدها اليوم، هناك عادة عنصر واحد مميز أكثر من البقية: إنه السيليكون الذي أعطى لوادي السيليكون اسمه، وبات العنصر الأكثر استخداماً في الترانزستورات والديودات الموجودة في المنتجات التقنية.

لكن السؤال  لماذا يستخدم السيليكون في الشرائح الإلكترونية؟ وما الذي يميزه؟

لا يعود السبب لأمر واحد فقط، بل أن هناك عدة عوامل أساسية تلعب دوراً في جعل السيليكون العنصر المثالي للدارات الإلكترونية اليوم:

السعر المنخفض والانتشار الكبير

قد يكون الأمر مستغرباً للبعض، لكن السيليكون هو ثاني أكثر العناصر انتشاراً في القشرة الأرضية. حيث أن 27% من القشرة الأرضية مكونة من السيليكون، ولا يسبقه بالانتشار سوى عنصر الأكسجين فقط.

من الممكن إيجاد السيليكون في كل مكان في الواقع، فهو المكون الأساسي في الرمل ومختلف أنواع الأتربة، وبالطبع يعد أساسياً في الزجاج.

وبسبب انتشاره الكبير جداً عادة ما تكون تكاليف استخراجه رخيصة جداً، حيث نادراً ما تزيد تكلفته عن 2.5 دولار أمريكي للكيلوجرام الواحد، وكونه يستخدم بكميات صغيرة عادة، فهذا السعر رخيص للغاية حتى مقارنة مع المعادن المستخدمة في الصناعة.

السيليكون نصف ناقل للكهرباء:

كونه نصف ناقل، يعد السيليكون مثالياً لصنع الترانزستورات والديودات

أنصاف النواقل هي مواد ذات حالة خاصة للغاية، فهي لا تمتلك ناقلية كبيرة جداً كما المعادن، وبنفس الوقت ناقليتها لست صغيرة جداً وشبه معدومة كما أنصاف المعادن. بل أنها في المنتصف، وهذا الأمر مهم جداً.

عادة ما يتم التحكم بناقلية أنصاف النواقل بخلطها مع عناصر أخرى، وهذا الأمر مهم جداً عند صنع الدارات الكهربائية وأجزائها الدقيقة مثل الترانزستورات والديودات (ثنائيات القطب) وسواها.

عادة ما يستخدم السيليكون جنباً إلى جنب مع عناصر أخرى، وبالأخص الجرمانيوم (Ge) عند صنع الترانزستورات. وحتى الأن يعد السيليكون الحل المثالي في الترانزستورات ولا يوجد بدائل عملية له اليوم.

الاستقرار الكبير وقلة احتمال التفاعل:

تتميز المركبات التي تحتوي السيليكون ضمنها بأنها مستقرة للغاية، حيث من الصعب أن تتفاعل مع المواد الأخرى أو الهواء مثلاً. وهذا يعني أن ما يصنع من السيليكون يفترض به أن يبقى كما هو دون تخرب لفترات طويلة للغاية، وهذا ما يحصل بالطبع.

السيليكون ليس نصف الناقل الوحيد الموجود، حيث أن كلاً من الكربون والجرمانيوم تعد أنصاف نواقل بدورها، لكن الكربون هش جداً لأن يستخدم وحده، كما أن الجرمانيوم باهظ الثمن للغاية مقابل السعر البخس للسيليكون.

عموماً يتميز السيليكون كذلك بحرارة انصهاره المرتفعة نسبياً، فهو يبقى صلباً حتى حرارة 1400 درجة مئوية، كما أنه يستمر بالعمل كنصف ناقل في درجات الحرارة المرتفعة حتى على عكس الجرمانيوم مثلاً.

مع أن السيليكون يمتلك الكثير من الخواص الممتازة التي تجعله مناسباً لمهمته، فهو ليس مثالياً بكل شيء تماماً. بل أن هناك مجالاً للتحسين مقارنة به وبالأخص في مجال تبديد الحرارة. واليوم يعد المنافس الوحيد للسيليكون هو الجرافين (Graphene).

الجرافين هو من حيث المبدأ عنصر الكربون، لكن الاختلاف عن الكربون المعتاد (الذي نشاهده في الفحم) هو أن الجرافين يمتلك بنية بلورية مميزة، حيث أنه يصنع على شكل طبقات رقيقة جداً بسماكة ذرة واحدة فقط. وبالتالي يمكن صنعه بأحجام أصغر من أي مادة أخرى نعرفها.

من حيث المبدأ يتفوق الجرافين على السيليكون من حيث الأداء بوضوح، كما أن قابلية تصنيعه بأحجام صغيرة جداً تجعله مناسباً لتطوير الشرائح الإلكترونية المستقبلية التي تحتاج للمزيد من كثافة الترانزستورات، وبالتالي جعل الترانزستورات أصغر حجماً.

لكن حالياً على الأقل، لا يشكل الجرافين أي تهديد حقيقي لعرش السيليكون. فعلى الرغم من ميزاته الكبرى، فهو يحتاج إلى عملية تصنيع معقدة ودقيقة جداً، كما أن سعره الحالي خيالي تماماً، حيث أن جرام واحد من الجرافين يكلف بين 100 إلى 200 دولار، مما يجعله أغلى من الذهب أو البلاتين حتى.

مع الوقت من الممكن أن تنخفض تكاليف تصنيع الجرافين تدريجياً ليصبح منطقي الاستخدام، لكن حتى ذلك الوقت سيبقى السيليكون هو أساس الإلكترونيات.