اسباب استخدام السيليكون في رقائق الكمبيوتر

ما هو السيليكون

تنتمي السيليكون في الجدول الدوري إلى مجموعة الكربون، والتي تضم الكربون والجرمانيوم والقصدير والرصاص والفلروفيوم. يُدعى بـ `Si`، وهو ثامن أكثر العناصر فرةً في الكون من حيث وزنه، وإذا نظرنا فقط إلى كوكب الأرض، فإن 28.2٪ من قشرتها تحتوي على السيليكون.

السيليكون هو فلز فلزي، ولذلك فهو يتمتع ببعض الخصائص المعدنية، ولكنه ليس معدنا حقيقيا، ويتميز بأهميته في صناعة الكمبيوتر حيث إنه يعتبر شبه موصل جيد، مما يتيح تدفق الكهرباء والتحكم فيها بسهولة عكس المعادن

بشكل آخر، المعدن يقوم بتوصيل الإلكترونات بطبيعتها، ومن الصعب إيقاف هذه الخاصية وفقا للاحتياجات المختلفة. فهو يعتبر عازلا مثل المواد البلاستيكية أو الخشب، التي لا تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها، وفي الوقت ذاته، تسمح الموصلات النصفية بمرور التيار الكهربائي خلال عملها كعازل أيضا

لماذا يستخدم السيليكون في رقائق الكمبيوتر والعناصر الأخرى

فيما يلي خمسة أسباب لاستخدام السيليكون في صناعة الرقائق الإلكترونية وغيرها من المكونات الإلكترونية الهامة

• غير مكلف ومتاح على نطاق واسع

يتواجد السيليكون بكثرة في الرمال والصخور ويعد ثاني أكثر العناصر وفرة على سطح الأرض بعد الأكسجين .

يتميز السيليكون عن غيره من أشباه الموصلات بأنه يعتبر أكثر ملاءمة لصناعة الأجهزة الإلكترونية، وذلك بسبب تكلفة استخراجه وتصنيعه وإنتاجه المنخفضة مقارنةً بالأشباه الموصلات الأخرى مثل الغاليوم. ورغم أن الغاليوم يمكن أن يكون أفضل لهذه المهام من السيليكون، إلا أن تكلفته تجعل منه بديلًا غير جذابٍ للاستخدام في هذه الصناعة.

الرمل هو المصدر الأكثر توافرًا للسيليكون، ولكن السيليكون الذي يتم الحصول عليه من الرمل ليس نقيًا بشكل كافٍ في المرحلة الأولى، وبالتالي لا يمكن استخدامه مباشرة في صناعة المنتجات لأنه يحتوي على 0.5٪ من الشوائب.

قد يبدو أن نقاء 99.5٪ ممتازا، ولكن المعالجات تتطلب نقاء بنسبة 99.9999999٪، وتسمى هذه الصفة الإلكترونية للسيليكون. يتم الحصول عليها بعد مرور سلسلة من التفاعلات الكيميائية المحددة، ثم يتم صهر السيليكون وتكاثره في شكل بلورة كبيرة واحدة تزن أقل من 100 كيلوغرام. بعد تقطيع هذه البلورة إلى ألواح قطرها حوالي 30 سم وإرسالها للإنتاج، يستخدم هذا السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية وغيرها.

• التركيب الذري المناسب

تقريبا جميع المعالجات التي يتم تصنيعها في العالم تعتمد على السيليكون، وذلك لأن السيليكون يتميز ببنية ذرية مناسبة تسمح بصناعة دوائر دقيقة ومعالجات في أي تكوين تقريبا

• الاستقرار

يستخدم السيليكون على نطاق واسع في هذا العالم التكنولوجي، لأن خصائصه الفريدة تجعله يعمل بكفاءة كاملة وضروريًا للعمليات الحسابية التي تحدث في أي نظام يحتاج إلى شريحة، سواء كان ذلك بسيطًا مثل قيادة دوار أو معقدًا، ويتطلب نقل آلاف التعليمات الحسابية.

السيليكون يظل مستقرًا جدًا بعد عمليات صناعة السبائك، ويمكن للمصنعين إنتاج مواد مثل أشباه الموصلات أو الدوائر أو العوازل باستخدامه، ويعتبر السيليكون موثوقًا للغاية ويعزز جوانب معينة عند استخدامه في وحدات المعالجة المركزية.

• مقاومة عالية

سبب آخر لاختيارها هو مقاومتها لدرجات الحرارة المرتفعة، حيث تعتبر المقاومة عاملا رئيسيا عند اختيار مواد قاعدة الترانزستور

تتميز الموصلات بمقاومة منخفضة وسهولة تمرير التيار الكهربائي، بينما تتمتع العوازل بمقاومة عالية وتمنع التيار المتدفق، ولذلك يمكن لشرائحنا ومنافذ وحدة المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات التعامل مع الأعباء الثقيلة دون تعطل.

• خاصية أشباه الموصلات

يتميز السيليكون بخصائص أشبه بالموصلات، مما يعني أنه لا يوصل الكهرباء دائمًا، بل يعمل فقط في ظروف معينة، فيما يعمل كعازل في ظروف أخرى، ولهذا السبب يُعرف باسم أشبه بالموصلات.

يمكن تعديل الخصائص الكهربائية للسيليكون من خلال عملية تسمى المنشطات، والتي تتضمن إضافة بعض الشوائب إلى السيليكون لجعله أكثر أو أقل موصلية وفقًا للاحتياجات الكهربائية للترانزستورات التي تتم بناؤها باستخدام هذا المواد.

تُجعل جودة السيليكون هذه العنصر الأكثر أهمية في إنتاج المعالجات في وحدات المعالجة المركزية (CPU)، ومن المهم ألا تنتقل الكهرباء بهذه السهولة عبر الترانزستورات.

يجب أن يكون لدى الترانزستور القدرة على التشغيل وإيقاف التشغيل في جميع الأوقات، ولذلك يتطلب استخدام شبه الموصلات التي تتمتع بمقاومة تقع بين تلك الموجودة في الموصلات والعوازل.

استخدامات السيليكون

• العنصر يعتبر مكونا أساسيا في صناعة السيراميك والطوب.
• يتم استخدام العنصر كواحد من أشباه الموصلات في صناعة الترانزستورات.
• – يتم استخدام السيليكون على نطاق واسع في صناعة رقائق الكمبيوتر والخلايا الشمسية.
• إنه جزء حيوي من مكونات الأسمنت البورتلاندي.
• يستخدم السيليكون في إنتاج طوب النار.
• تستخدم العديد من أنظمة العزل المائي السيليكون كمكون رئيسي.
• يستخدم السيليكون في العديد من عوامل تحرير القوالب ومركبات القولبة.
• كما أنه واحد من مكونات الفيروسيليكون وسبائك تستخدم على نطاق واسع في صناعة الصلب.

مميزات السيليكون

يعتبر السيليكون رخيصًا جدًا بسبب توافره الكبير، وليس من الصعب تنقيته.

-يعمل جيدًا في نطاق واسع من درجات الحرارة ويمكن تعديله كيميائيًا لتغيير خصائصه الكهربائية، بهذه الطريقة سوف يعالج كمية الكهرباء المطلوبة، هذا يجعل من الممكن على سبيل المثال ،لانتقال من وضع “إيقاف التشغيل” إلى “التشغيل” والعكس صحيح في درجة الحرارة العادية، أو السماح للكهرباء بالمرور عبر ترانزستورات معينة بشكل انتقائي دون حرق الدوائر، أيضاً يمكن استخدام مادة واحدة فقط لتصميم الكثير من المكونات المختلفة في نفس الجهاز.

باختصار، يعتبر السيليكون مادة مثالية لاستخدامها في رقائق الكمبيوتر، حيث تحتاج الترانزستورات الصغيرة جدًا في وحدات المعالجة المركزية التي نستخدمها إلى مناطق معزولة للتحكم بتدفق الكهرباء وتوجيهه بدقة.

مستقبل السيليكون

تحتل هذه المادة مكانة مهمة في تاريخ التقدم التكنولوجي، لكن التطوير لم يتوقف، حيث تم تصميم معالجات عالية الأداء والتي تسمح بتحرك الإلكترونات بشكل أسرع من السيليكون.

بينما يتم تصغير حجم الترانزستورات كل يوم لجعل الرقائق أكثر قوة وكفاءة في استخدام الطاقة، فإن السيليكون سيبقى مفيدًا بقدر يسمح به خصائصه الكيميائية.

إذا استخدمت الشركات رقائق نانومتر، فإن السيليكون لن يكون قادرا على تلبية تلك الاحتياجات، وسيكون هناك حاجة إلى بعض المواد الأخرى، أو يمكن الحصول قريبا على مزيج من السيليكون مع عناصر أخرى لتحقيق تحسن كبير بطريقة ما

تم بناء المسار باستخدام السيليكون، وذلك بعد تصميم دائرة الأنبوب المفرغ في عصر الترانزستور المصغر الحديث.