المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - السيليكون

1 مقدمة

يُعدالسيليكون، وهو مادة أساسية في الإلكترونيات الحديثة، ضرورياً في التطبيقات بدءاً من الدوائر المتكاملة وحتى الخلايا الشمسية. وباعتباره شبه معدن رباعي التكافؤ وشبه موصل، فإن بنية السيليكون وخصائصه تجعله لا يقدر بثمن في الأجهزة الإلكترونية. وقد ضمنت وفرة السيليكون وقدرته على تحمل التكاليف ونقاوته القابلة للضبط بدرجة كبيرة دوره كمادة أساسية في الصناعة. يناقش هذا المقال خصائص السيليكون الأساسية وعمليات استخراجه وإنتاجه وتطبيقاته، إلى جانب مزاياه وحدوده، مع تقديم لمحة عامة عن سبب استمرار السيليكون كحجر الزاوية في علم المواد الإلكترونية.

2 الخصائص الأساسية للسيليكون

السيليكون هو عنصر كيميائي رمزه الكيميائي Si، ورقم ذري 14، وكتلة ذرية نسبية 28.0855. وهو مادة صلبة متبلورة هشّة صلبة هشّة، وشبه معدن رباعي التكافؤ، وشبه موصل. وهو مادة صلبة بلورية صلبة هشة، وشبه معدن رباعي التكافؤ، وشبه موصل. وله أيزومران، السيليكون غير المتبلور والبلوري، وينتمي إلى الدورة الثالثة من الجدول الدوري للعناصر، وهي مجموعة العناصر الفلزية IVA. لون السيليكون البلوري رمادي-أسود، وكثافته 2.32-2.34 جم/سم3، ودرجة انصهاره 1410 ℃، ودرجة غليانه 2355 ℃، وينتمي السيليكون البلوري إلى البلورة الذرية. غير قابل للذوبان في الماء وحمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك، قابل للذوبان في حمض الهيدروفلوريك والغسول. صلب وله بريق معدني.

السيليكون أيضًا عنصر شائع في الطبيعة، وعادةً ما يكون في شكل سيليكات معقدة أو سيليكا، وهو موجود على نطاق واسع في الصخور والحصى والغبار. السيليكون هو ثامن أكثر العناصر وفرة في الكون. ويتوزع على نطاق واسع في الغبار وحبيبات الرمل والكواكب والكواكب على شكل سيليكات أو سيليكات السيليكات. وتتكون أكثر من 90% من القشرة الأرضية من معادن السيليكات، مما يجعل السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (حوالي 28% من حيث الكتلة)، بعد الأكسجين.

تقع ذرة السيليكون في المجموعة الرئيسية الرابعة من الجدول الدوري؛ وعددها الذري 14 و14 إلكترونًا خارج النواة. الإلكترونات الموجودة خارج النواة، وفقًا لمستوى الطاقة من ذرة السيليكون المنخفضة إلى العالية، من الداخل إلى الخارج، طبقات حول الذرة. تحتوي الطبقة الأولى من الإلكترونات خارج نواة ذرة السليكون على إلكترونين، وتحتوي الطبقة الثانية على 8 إلكترونات، وتصل إلى حالة مستقرة. وتحتوي الطبقة الخارجية على 4 إلكترونات تكافؤ، والتي تلعب دورًا رائدًا في توصيلية ذرة السيليكون.

نظرًا لأن ذرة السيليكون لها مثل هذا التركيب، هناك بعض خصائصها الخاصة: إلكترونات التكافؤ الأربعة الخارجية بحيث تكون ذرات السيليكون مع بعضها البعض للترابط التساهمي، والسيليكون لديه نقطة انصهار وكثافة عالية؛ الخصائص الكيميائية أكثر استقرارًا، ودرجة حرارة الغرفة يصعب تفاعلها مع المواد الأخرى (باستثناء فلوريد الهيدروجين والغسول)؛ بلورات السيليكون في تركيز الإلكترونات الحرة منخفضة جدًا، ويمكن أن تكون موصلة، ولكن الموصلية ليست جيدة مثل المعدن، مع زيادة درجة الحرارة وزيادتها، مع خصائص أشباه الموصلات.

الشكل 1 التركيب الذري للسيليكون

3 استخراج السيليكون وعملية الإنتاج

3.1 تحضير السيليكون غير المتبلور والبلوري

يمكن إنتاجالسيليكا غير المتبلورة عن طريق اختزال السيليكا بواسطة المغنيسيوم. في المختبر، يمكن استخدام مسحوق المغنيسيوم لاختزال السيليكا المسحوقة تحت الحرارة الحمراء، ويتم غسل أكسيد المغنيسيوم الناتج ومسحوق المغنيسيوم بحمض مخفف، ثم يستخدم حمض الهيدروفلوريك لغسل السيليكا التي لم يتم العمل عليها، أي يتم الحصول على السيليكا أحادية الشكل. هذه الطريقة لإنتاج السيليكون غير المتبلور غير النقي بما فيه الكفاية من السيليكون غير المتبلور، للحصول على المسحوق الأسود المائل إلى البني.

يمكن إنتاجالسيليكون البلوري عن طريق اختزال ثاني أكسيد السيليكون مع الكربون في فرن كهربائي. يتم إنتاج السيليكون صناعيًا عن طريق اختزال السيليكا (>99% SiO2) في فرن القوس الكهربائي. وعوامل الاختزال المستخدمة هي فحم الكوك البترولي والفحم، من بين عوامل أخرى. عند استخدام فرن القوس الكهربائي بالتيار المباشر، يمكن استخدام فحم الكوك البترولي بدلاً من الفحم. ويحتوي فحم الكوك البترولي على نسبة منخفضة من الرماد (0.3% إلى 0.8%)، ويسمح استخدام السيليكا عالية الجودة (SiO2 أكبر من 99%) بالتكرير المباشر للسيليكون عالي الجودة لتصنيع صفائح السيليكون الفولاذية.

الشكل 2 معدات تحضير السيليكون البلوري - فرن القوس المستمر

3.2 تحضير السيليكون عالي النقاء، السيليكون أحادي البلورة، والسيليكون متعدد البلورات

يتم إنتاجالسيليكون عالي النقاء لصناعة الإلكترونيات عن طريق اختزال ثلاثي كلورو هيدريد السيليكون أو رابع كلوريد السيليكون مع الهيدروجين. وتتم هذه العملية باختزال ثلاثي كلورو هيدريد السيليكون عالي النقاء SiHCl3 أو SiCl4 مع الهيدروجين على قضبان السيليكون الساخنة عند 1200 درجة مئوية.

يمكن تحضيرالسيليكون أحادي البلورية فائق النقاء عن طريق السحب المستقيم أو طرق ذوبان المنطقة. يتم تحضير السيليكون الأحادي البلورية الذائب في المنطقة باستخدام طريقة ذوبان المنطقة العائمة، لذلك يُعرف أيضًا باسم السيليكون الأحادي البلورة FZ. يتم تحضير السيليكون أحادي البلورية المستقيم السحب المستقيم باستخدام طريقة تشيرنوبل، والمعروفة باسم السيليكون أحادي البلورية CZ. يتميز هذان النوعان من السيليكون أحادي البلورية بخصائص مختلفة وتطبيقات مختلفة للأجهزة: يستخدم السيليكون أحادي البلورية الاندماج في المنطقة بشكل رئيسي في الأجهزة عالية الطاقة، وهو جزء صغير جدًا من سوق السيليكون أحادي البلورية، في السوق الدولية يمثل حوالي 10٪ أو نحو ذلك، ويستخدم السيليكون أحادي البلورية بالسحب المستقيم بشكل رئيسي في الدوائر المتكاملة الإلكترونية الدقيقة والخلايا الشمسية، وهو موضوع السيليكون أحادي البلورية. بالمقارنة مع السيليكون أحادي البلورية الاندماج في المنطقة، فإن تكلفة تصنيع السيليكون أحادي البلورية بالسحب المستقيم منخفضة نسبيًا، وقوة ميكانيكية عالية، وسهلة التحضير لبلورة واحدة ذات قطر كبير، لذلك يستخدم مجال الخلايا الشمسية بشكل أساسي في تطبيق السيليكون أحادي البلورية بالسحب المستقيم، بدلاً من السيليكون أحادي البلورية الاندماج في المنطقة.

وقد اخترع البولندي ج. تشوكرالسكيطريقة تشوكرالسكي في عام 1971، لذلك تُعرف أيضًا باسم طريقة تشي. 1950 سيستخدم تيل وآخرون لنمو البلورات الأحادية الجرمانيوم شبه الموصلة لأشباه الموصلات، ثم استخدام هذه الطريقة لنمو السيليكون أحادي البلورة بالسحب المستقيم، وبناءً على ذلك، اقترح داش نمو السيليكون أحادي البلورة بالسحب المستقيم "تقنية النقب"، واقترح جي زيغلر نمو النقب السريع لتقنية العنق الدقيق، مما يشكل التحضير الحديث للطريقة الأساسية للسيليكون أحادي البلورة المستقيم الخالي من الخلع ذو القطر الكبير الخالي من الخلع. وقد كان نمو السيليكون أحادي البلورة بالسحب المستقيم هو التقنية الرئيسية لتحضير السيليكون أحادي البلورة، وكذلك طريقة التحضير الرئيسية للسيليكون أحادي البلورة للخلايا الشمسية.

الشكل 3 بلورات السيليكون التي تتم زراعتها بطريقة تشوكرالسكي في شركة رايثيون

تتضمن عملية تحضير السيليكون أحادي البلورية المستقيمة السحب المستقيم بشكل عام تحميل البولي سيليكون وصهره، وبلورة البذور، والعنق، وتحرير الكتف، والتساوي القياسي، والتشطيب.

يتم تحقيقبلورات عمودية من البولي سيليكون متعدد البلورات للخلايا الشمسية، واتجاه نمو البلورات عموديًا إلى أعلى، من خلال عملية التصلب الاتجاهي (المعروف أيضًا باسم التصلب المتحكم فيه، التصلب المقيد)، أي في عملية التبلور، من خلال التحكم في تغيرات مجال درجة الحرارة, تشكيل التدفق الحراري أحادي الاتجاه (اتجاه النمو واتجاه الاتجاه المعاكس لتدفق الحرارة)، ومتطلبات الواجهة السائلة-الصلبة عند تدرج درجة الحرارة أكبر من 0، وعكس متطلبات عدم وجود تدرج في درجة الحرارة، لتشكيل تشكيل النمو الاتجاهي للبلورات العمودية. إن تحقيق نمو التصلب الاتجاهي للبولي سيليكون المتعدد الاتجاهات بالطرق الأربع هي طريقة بريلمان، وطريقة التبادل الحراري، وطريقة صب السبيكة الكهرومغناطيسية، وطريقة الصب. في الوقت الحالي، الطريقة الأكثر شيوعًا التي تستخدمها الشركات هي طريقة التبادل الحراري لإنتاج البولي سيليكون. تكون طريقة التبادل الحراري لإنتاج تدفق العملية الخاصة بالبولي سيليكون المصبوب بشكل عام على النحو التالي: التحميل ← التسخين ← التسخين ← المواد الكيميائية ← نمو البلورات ← التلدين ← التلدين ← التبريد.

4 السيليكون في صناعة الإلكترونيات

4.1 الدارات المتكاملة (IC)

في تصنيع الدوائر المتكاملة (IC)، تعمل رقائق السيليكون كمادة ركيزة للرقاقة وأصبحت مكوناً أساسياً في الأجهزة الإلكترونية الحديثة. وتعتمد معظم الأجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية على هذه الدوائر المتكاملة القائمة على السيليكون داخليًا للحوسبة ومعالجة البيانات. يتميز السيليكون بخصائص ممتازة لأشباه الموصلات، مما يجعله مادة مثالية لتصنيع الترانزستور. الترانزستورات هي المكونات الأساسية للدوائر المتكاملة، مما يسمح لها بإجراء عمليات التبديل والعمليات المنطقية من خلال التحكم في تدفق التيار الكهربائي، وهو أساس وظائف الحوسبة المعقدة للرقائق الحديثة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن وفرة مواد السيليكون وتطور تقنيات تنقية السيليكون تقلل من تكاليف إنتاجها. يتوفر السيليكون بوفرة على الأرض ويمكن تنقيته بسهولة إلى درجة نقاء عالية للغاية من خلال طريقة الصهر في المنطقة، والتي تلبي متطلبات المواد الصارمة لتصنيع الدوائر المتكاملة. هذه الخاصية ليست مناسبة للتصنيع على نطاق واسع فحسب، بل توفر أيضًا لصناعة الرقائق مصدرًا مستدامًا للمواد منخفضة التكلفة، مما يجعل الدوائر المتكاملة القائمة على السيليكون حجر الزاوية لدفع عجلة التطور في عصر المعلومات.

الشكل 4 الدوائر المتكاملة

4.2 الخلايا الشمسية

يمتلك السيليكون أحادي البلورية ومتعدد البلورات، وكذلك الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون، تطبيقات مهمة في الخلايا الشمسية.

تُصنع خلايا السيليكون الشمسية أحادية البلورية من السيليكون أحادي البلورية عالي النقاء، والذي يتمتع بأعلى كفاءة تحويل ضوئية (عادةً 20% أو أكثر) بسبب بنية الخلية المتجانسة وانخفاض عيوب الشبكة. ويتميز السيليكون أحادي البلورية بخصائص امتصاص جيدة للضوء ويقلل من فقدان الطاقة أثناء التحويل الكهروضوئي. ونظرًا لكفاءتها العالية وثباتها، تُستخدم خلايا السيليكون أحادية البلورية الشمسية على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية، مثل أسطح المنازل والمباني التجارية ومحطات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق. هذه الخلايا مناسبة للتركيبات طويلة الأجل والحالات التي تتطلب كفاءة عالية في استخدام الطاقة، وعلى الرغم من تكلفتها العالية نسبيًا، إلا أنها يمكن أن تزيد من توليد الطاقة في الحالات التي يكون فيها استخدام الأرض محدودًا.

تُصنع خلايا السيليكون الشمسية متعددة الكريستالات من كتل من السيليكون متعدد البلورات، الذي يحتوي تركيبه البلوري على عدد كبير من الحدود الحبيبية مما يؤدي إلى كفاءة تحويل ضوئية أقل قليلاً من السيليكون أحادي البلورية (عادةً ما بين 15% و18%). تعتبر مواد السيليكون متعدد الكريستالات أقل استهلاكاً للطاقة في الإنتاج وأقل تكلفة نسبياً. وتعتبر خلايا السيليكون متعدد الكريستالات فعالة من حيث التكلفة، وبالتالي فهي تستخدم عادةً في المصفوفات الشمسية الكبيرة وفي تشغيل المرافق والمنشآت الصناعية. كما أنها تستخدم في أنظمة خارج الشبكة في سيناريوهات مثل كهربة الريف وإضاءة إشارات المرور. يمكن لهذه الخلايا أن توفر توليد طاقة عالية مع كونها فعالة من حيث التكلفة، مما يجعلها مثالية للتركيب على نطاق واسع في مزارع الطاقة الشمسية المثبتة على الأرض والمناطق خارج الشبكة.

تُصنع خلايا السيليكون الشمسية ذات الأغشية الرقيقة عن طريق ترسيب طبقة رقيقة جداً من مادة السيليكون على ركيزة زجاجية أو معدنية أو بلاستيكية. وبسبب طبقة السيليكون الرقيقة، فإن كفاءة التحويل الضوئي منخفضة بشكل عام (عادةً ما تتراوح بين 10% و12%)، ولكنها خفيفة الوزن ومرنة. وبسبب خفة وزنها ومرونتها، فإن خلايا السيليكون الرقيقة مناسبة للتطبيقات المدمجة في المباني (BIPV)، حيث يمكن تركيبها مباشرة على واجهات المباني والنوافذ والأسطح الأخرى لتزويد هيكل المبنى بقدرات توليد الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه الخلايا في الأجهزة المحمولة والقابلة للارتداء، مثل حقائب الظهر الشمسية والخيام وغيرها من التطبيقات المحمولة لتوفير دعم الطاقة للأجهزة الصغيرة.

الشكل 5 الخلايا الشمسية

4.3 الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وأجهزة الاستشعار

يحتوي السيليكون على مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وأجهزة الاستشعار، وذلك بفضل ثباته الميكانيكي والكهربائي الممتاز. تستفيد أجهزة MEMS من خصائص السيليكون لتحويل الإشارات الميكانيكية والكهربائية على نطاق صغير وتستخدم في مجموعة واسعة من الأجهزة، مثل مقاييس التسارع والجيروسكوبات ومستشعرات الضغط، إلخ. وتلعب هذه الأجهزة دورًا حاسمًا في أنظمة الوسائد الهوائية في السيارات، واستشعار حركة الهواتف الذكية، والتحكم في توازن الطائرات بدون طيار، وغيرها. وتلعب هذه الأجهزة دورًا حاسمًا في أنظمة الوسائد الهوائية في السيارات، واستشعار الحركة في الهواتف الذكية، والتحكم في توازن الطائرات بدون طيار. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لأجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون قياس المعلمات البيئية بدقة مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في السيارات والأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية. ويُستخدم السيليكون أيضاً في الأجهزة الميكروفلويديّة الدقيقة التي تتيح بنيتها ذات القنوات الدقيقة التحكم عالي الدقة في السوائل، كما تُستخدم في المجال الطبي "مختبر على رقاقة" للكشف عن المواد الدقيقة في العينات السائلة، مما يعزز التطور المحمول لتشخيص الأمراض والتحليل الحيوي. وتدفع تقنيات MEMS وأجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون هذه إلى تحقيق تقدم في مجال الإلكترونيات الذكية والأتمتة والهندسة الطبية الحيوية.

الشكل 6 MEMS

4.4 إلكترونيات الطاقة

يلعب السيليكون دورًا مهمًا في إلكترونيات الطاقة ويستخدم على نطاق واسع في أجهزة أشباه الموصلات مثل MOSFETs و IGBTs. ونظراً لتوصيلها الجيد وسرعة تبديلها، فإن هذه الأجهزة مناسبة بشكل خاص لتحويل الطاقة بكفاءة عالية في تطبيقات مثل السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة وأجهزة الشحن. كما تتميز أجهزة الطاقة السيليكونية بكثافة وكفاءة عالية للطاقة، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب كفاءة في النقل، مثل مراكز البيانات ومحطات الاتصالات الأساسية وإمدادات الطاقة. على الرغم من أن أداء السيليكون في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والجهد العالي محدود نسبياً، إلا أن استقراره واقتصاده في تطبيقات الطاقة المنخفضة والمتوسطة ممتاز، مما يجعله المادة المفضلة للأجهزة الصغيرة والمتوسطة الطاقة. في الوقت نفسه، لتوسيع أداء وتطبيقات أجهزة السيليكون، تستكشف العديد من الدراسات مواد وهياكل جديدة قائمة على السيليكون لتعزيز أدائها في البيئات ذات درجات الحرارة العالية أو البيئات القاسية، مما يعزز تطوير تقنيات إلكترونيات الطاقة المستقبلية.

4.5 التطبيقات الكهروضوئية السيليكونية

يلعب السيليكون أيضًا دورًا مهمًا في التطبيقات الإلكترونية الضوئية، وخاصة في الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، ومصابيح LED القائمة على السيليكون، وضوئيات السيليكون. تُستخدم الصمامات الثنائية الضوئية السيليكونية على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات الضوئية ككاشفات ضوئية وصمامات ثنائية ضوئية في مراكز البيانات واتصالات الألياف البصرية لدعم نقل البيانات عالية السرعة لمسافات طويلة. وعلى الرغم من أن السيليكون ليس مادة مثالية لانبعاث الضوء، إلا أن قدرته على الاستبعاث الضوئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء أدت إلى استخدامه في مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء وتغليف الرقائق أيضاً، خاصة في السيناريوهات التي تتطلب تكلفة منخفضة ومتانة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، تبرز ضوئيات السيليكون كتقنية تتيح نقل الإشارات الضوئية ومعالجتها وحسابها من خلال الدوائر المتكاملة الإلكترونية الضوئية القائمة على السيليكون، والتي يمكن أن تلعب دوراً مهماً في الجيل الخامس وحوسبة الذكاء الاصطناعي وغيرها من المجالات التي تتطلب نقل البيانات بسرعة عالية. تدفع تطبيقات ضوئيات السيليكون هذه إلى تطوير اتصالات البيانات ومعالجة المعلومات والحوسبة الضوئية، مما يتيح للسيليكون أن يلعب دوراً داعماً رئيسياً في التقدم التكنولوجي في التقارب بين الإلكترونيات والبصريات.

5 مزايا وحدود السيليكون

5.1 مزايا السيليكون

1. الوفرة والاستدامة: السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، حيث يمثل أكثر من 27 في المئة من كتلة القشرة الأرضية، ويوجد بشكل رئيسي في الرمل والكوارتز. وهذا يعني أن السيليكون وفير للغاية ويسهل الوصول إليه نسبيًا ومستدام. لا تضمن وفرة الاحتياطيات سلسلة إمداد مستقرة للسيليكون فحسب، بل تجعل السيليكون خيارًا موثوقًا به للإنتاج الصناعي على نطاق واسع، مما يوفر للصناعة ضمانًا للنمو على المدى الطويل.

الشكل 7 المحتوى العنصري في القشرة الأرضية

2. نقاوة عالية يمكن التحكم فيها: في صناعة الإلكترونيات، يعتبر نقاء مواد أشباه الموصلات أمرًا بالغ الأهمية. ويمكن تنقية السيليكون عن طريق الصهر المنطقي لتحقيق مستويات نقاء عالية للغاية (أكثر من 99.9999%)، وهو مستوى نقاء يلبي متطلبات الأجهزة عالية الدقة مثل الدوائر المتكاملة والترانزستورات. الانصهار المنطقي هو تقنية تنقية عالية الكفاءة تزيل الشوائب عن طريق تسخين مناطق محددة من قضيب السيليكون وتحريك منطقة الانصهار ببطء لتحقيق مستوى عالٍ للغاية من النقاء داخل المادة ضمن نطاق يمكن التحكم فيه. وتسمح هذه النقاوة التي يمكن التحكم فيها بدرجة عالية من النقاء للسيليكون بالتفوق في العديد من التطبيقات الإلكترونية المعقدة، خاصة في الإلكترونيات الدقيقة والدوائر المتكاملة.

3. تكلفة أقل: بالمقارنة مع مواد أخرى من أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم وكربيد السيليكون، فإن السيليكون أقل تكلفة لاستخلاصه ومعالجته. فمن ناحية، الاحتياطيات الطبيعية من السيليكون وفيرة وسهلة الاستخراج، وعملية التنقية المطلوبة ناضجة نسبياً ومناسبة للإنتاج على نطاق واسع. ومن ناحية أخرى، فإن الثبات العالي للسيليكون يجعله أقل عرضة للفقدان في التصنيع والمعالجة، مما يقلل من تكاليف الإنتاج. ونتيجة لذلك، أصبح السيليكون الخيار الأكثر اقتصادية في مجالات مثل المعالجات الدقيقة والذاكرة والخلايا الشمسية.

5.2 حدود السيليكون

1. خصائصه الضعيفة في درجات الحرارة العالية: على الرغم من أن السيليكون يتصرف بثبات في درجة حرارة الغرفة، إلا أن موصلية السيليكون في درجات الحرارة العالية ليست مثالية. في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض مقاومة السيليكون، مما يؤدي إلى تدفق تيار غير مستقر، مما يؤثر على أداء الجهاز. وهذا يجعل السيليكون محدوداً في البيئات ذات الطاقة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة، مثل الفضاء والإلكترونيات العسكرية ومحولات الطاقة العالية، حيث يتطلب التشغيل المستمر في درجات حرارة عالية ولا يكفي الاستقرار الحراري للسيليكون لدعم هذه التطبيقات. وغالباً ما تتطلب هذه الأنواع من المتطلبات اختيار مواد ذات أداء أفضل في درجات الحرارة العالية، مثل كربيد السيليكون، لتحل محل السيليكون.

2. محدودية فجوة النطاق: يحتوي السيليكون على فجوة نطاق منخفضة (1.1 فولت)، والتي، على الرغم من أنها تؤدي إلى حساسية عالية في بعض التطبيقات، إلا أنها غير مرغوب فيها في الأجهزة عالية السرعة وعالية التردد. وتحد فجوة النطاق المنخفضة من السرعة التي يمكن للإلكترونات التبديل بها، مما يجعل أداء السيليكون أقل جودة في الترددات العالية مقارنة بالمواد الأخرى ذات فجوات النطاق الأوسع، مثل زرنيخيد الغاليوم، وبالتالي فهي محدودة في تطبيقات الاتصالات عالية السرعة مثل الجيل الخامس وأجهزة الموجات المليمترية ومضخمات طاقة الترددات اللاسلكية. تتطلب هذه التطبيقات مواد ذات فجوات نطاق أعلى لضمان قدرة الأجهزة على دعم الترددات العالية ونقل البيانات بسرعة أعلى.

6 الخلاصة

إن دور السيليكون في الإلكترونيات لا مثيل له في مجال الإلكترونيات بسبب وفرة المواد التي يستخدمها وفعاليتها من حيث التكلفة وخصائصها الفريدة من أشباه الموصلات. ويسمح نقاؤه العالي وسهولة تصنيعه بالتفوق في مجالات مثل الإلكترونيات الدقيقة والطاقة الشمسية ونظام MEMS. ومع ذلك، يواجه السيليكون قيوداً في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والتطبيقات عالية التردد، حيث غالباً ما تكون المواد البديلة مثل كربيد السيليكون وزرنيخيد الغاليوم هي الأفضل. تهدف التطورات المستمرة في تكنولوجيا السيليكون إلى معالجة هذه التحديات، مما يضمن أهميتها الدائمة في تطور الإلكترونيات. ولا يزال السيليكون لا غنى عنه، حيث يقود الابتكار ويدعم التحول المستمر في مجال الطاقة الرقمية والطاقة المتجددة.

وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً لمواد السيليكون عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات المهمة بحلول مواد موثوقة.

قراءة ذات صلة:

رقاقة زرنيخيد الغاليوم مقابل. رقاقة السيليكون

نمو الجرافين والتصاقه برقاقات السيليكون

تأثير جودة رقاقة السيليكون على أداء أشباه الموصلات وموثوقيتها