القائمة الأساسية للمواد الإلكترونية

1 مقدمة

تلعب المواد الإلكترونية دورًا حاسمًا للغاية في المشهد السريع التطور للإلكترونيات الحديثة. فهي لبنات البناء الأساسية التي تدعم وظائف وأداء مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية، بدءًا من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة المنتشرة في كل مكان إلى المعدات الفضائية والطبية المتطورة للغاية. وتحدد هذه المواد الخصائص الكهربائية والحرارية والميكانيكية والبصرية للأجهزة، وبالتالي تحدد قدراتها وحدودها.

كان تطوير وابتكار المواد الإلكترونية القوة الدافعة وراء التقدم المستمر في صناعة الإلكترونيات. مع الطلب المتزايد باستمرار على المنتجات الإلكترونية الأصغر حجمًا والأسرع والأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة والأكثر موثوقية في استهلاك الطاقة، أصبح البحث عن المواد الإلكترونية المتقدمة واستخدامها أكثر إلحاحًا من أي وقت مضى. في الأقسام التالية، سنشرع في استكشاف متعمق للعديد من المواد الإلكترونية الرئيسية، بما في ذلك السيليكون وكربيد السيليكون والجرمانيوم ومركبات الغاليوم والمواد القائمة على الكربون والمواد الموصلة والعازلة والمواد المغناطيسية. من خلال فهم خصائصها الفريدة وعمليات تصنيعها وتطبيقاتها المتنوعة، يمكننا الحصول على منظور شامل حول أهمية وإمكانات هذه المواد في تشكيل مستقبل الإلكترونيات.

2 السيليكون والمواد ذات الصلة

السيليكون (Si)، رقمه الذري 14، هو مادة بلورية وشبه معدنية وشبه موصلة صلبة وهشة، وهو مادة شبه موصلة ذات شكلين غير متبلور وبلوري، وهو متوفر بكثرة في القشرة الأرضية. يحتوي السيليكون على أربعة إلكترونات تكافؤ في الطبقة الخارجية للذرة وهو مستقر كيميائياً نسبياً، مما يجعل من الصعب تفاعله مع المواد الأخرى في درجة حرارة الغرفة. وباعتباره مادة شبه موصلة، تزداد الموصلية الكهربائية للسيليكون مع زيادة درجة الحرارة ويستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المختلفة.

في استخلاص وإنتاج السيليكون، عادةً ما يتم الحصول على السيليكون غير المتبلور عن طريق اختزال ثاني أكسيد السيليكون مع المغنيسيوم. في المقابل، يتم إنتاج السيليكون البلوري في فرن كهربائي عن طريق اختزال ثاني أكسيد السيليكون مع الكربون. ويمكن تحضير السيليكون شبه الموصِّل عالي النقاء عن طريق الاختزال الهيدروجيني لكلوريد السيليكون. يُصنع السيليكون أحادي البلورة عادةً بطريقة Czochralski أو طريقة الاندماج في المنطقة (طريقة FZ)، بينما يُزرع السيليكون متعدد البلورات عن طريق التصلب الاتجاهي.

يمتلك السيليكون مجموعة واسعة من التطبيقات في صناعة الإلكترونيات، وخاصة كركيزة رقاقة في الدوائر المتكاملة، حيث يعتبر مادة مثالية لتصنيع الترانزستورات. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم السيليكون أحادي البلورية والسيليكون متعدد البلورات وأغشية السيليكون الرقيقة على نطاق واسع في الخلايا الشمسية. وفي مجال الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة وأجهزة الاستشعار، يُستخدم السيليكون في تصنيع أجهزة قياس التسارع والجيروسكوبات وأجهزة استشعار الضغط. يُستخدم السيليكون أيضاً في إلكترونيات الطاقة لصنع أجهزة أشباه موصلات الطاقة مثل ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية (ترانزستورات التأثير الميداني لأشباه الموصلات المعدنية) وترانزستورات ثنائية القطب معزولة البوابة (IGBTs). في مجال الإلكترونيات الضوئية، تُستخدم الصمامات الثنائية الضوئية السيليكونية على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات البصرية.

وتتمثل مزايا السيليكون في احتياطياته الوفيرة واستخدامه المستدام ونقاوته الخاضعة للرقابة وتكلفته المنخفضة، ومع ذلك، هناك بعض العيوب مثل الأداء الضعيف في درجات الحرارة العالية وفجوة النطاق الضيقة، مما يحد من استخدامه في التطبيقات عالية السرعة وعالية التردد.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - السيليكون

الشكل 1 منتجات السيليكون

3 كربيد السيليكون (SiC)

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شبه موصلةعريضة النطاق ذات صلابة عالية، وموصلية حرارية جيدة، ودرجة حرارة عالية، ومقاومة للتآكل. صيغتها الكيميائية هي SiC، وهناك العديد من البنى البلورية المختلفة، وأكثرها شيوعًا هي α-SiC و β-SiC. يُظهر كربيد السيليكون المنتج صناعيًا ألوانًا مختلفة بسبب الشوائب المختلفة. ومن خلال تقنيات التخدير، من الممكن تغيير بنية مستوى الطاقة وبالتالي تعديل خصائصه الإلكترونية والفيزيائية الأخرى.

تشمل عمليات التصنيع الرئيسية لكربيد السيليكون الاندماج والترسيب بالبخار الكيميائي ( CVD). تشكّل طريقة الاندماج كربيد السيليكون عن طريق خلط وصهر السيليكون والجرافيت في درجات حرارة عالية ثم تبريدهما. ويؤدي الترسيب الكيميائي للبخار الكيميائي إلى ترسيب كربيد السيليكون على سطح الركيزة من خلال تفاعل كيميائي في المرحلة الغازية ويستخدم عادةً لإنتاج مواد رقيقة عالية الجودة.

يُستخدم كربيد السيليكون في مجموعة متنوعة من التطبيقات. في مجال إلكترونيات الطاقة، يُستخدم كربيد السيليكون في أجهزة تحويل الطاقة لتحسين كفاءة السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة. وفي الأجهزة ذات درجات الحرارة العالية والترددات العالية، تُستخدم كربيد السيليكون في المحطات الأساسية للجيل الخامس والإلكترونيات العسكرية بسبب قدرتها على الحفاظ على التشغيل المستقر في ظل الظروف القاسية. بالإضافة إلى ذلك، تلعب SiC دورًا في تطبيقات مصابيح LED والإلكترونيات الضوئية، حيث كانت تُستخدم في البداية في المصابيح الزرقاء وتستخدم الآن للكشف عن الضوء بأطوال موجية محددة. في مجال المستشعرات، يشيع استخدام SiC للكشف في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي والإشعاع بسبب موثوقيتها في البيئات القاسية. كما أن الموثوقية العالية لـ SiC تجعلها شائعة في تطبيقات الفضاء والدفاع.

وتتمثل ميزة كربيد السيليكون في أدائه الممتاز في درجات الحرارة العالية والضغط العالي والطاقة العالية التردد، مما يوفر كفاءة تحويل عالية للطاقة. ومع ذلك، فإن لها أيضًا بعض العيوب، مثل التكلفة العالية، وعملية التصنيع المعقدة، ولا تزال موثوقية أجهزتها بحاجة إلى مزيد من التحسين.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 2 - كربيد السيليكون

الشكل 2 رقاقة كربيد السيليكون

4 الجرمانيوم والمواد ذات الصلة

الجرمانيوم (Ge) هو عنصر شبه موصِّل عدده الذري 32 وبنية بلورية مشابهة لبنية الماس. تبلغ كثافة الجرمانيوم 5.323 جم/سم مكعب، ودرجة انصهاره 937.4 درجة مئوية، ودرجة غليانه 2833 درجة مئوية. وباعتباره مادة شبه موصلة، يمتلك الجرمانيوم فجوة نطاق تبلغ 0.66 فولت كهربائي، ويُظهر توصيلية كهربائية جيدة في درجات حرارة منخفضة، مع تميز خاص في الخواص الإلكترونية الضوئية بالأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، فإن الجرمانيوم لديه موصلية حرارية منخفضة ودرجة عالية من الهشاشة، وهي خصائص تحد من أدائه في بعض التطبيقات.

وعادةً ما تستخدم عملية تصنيع الجرمانيوم لتحضير الجرمانيوم أحادي البلورة بطريقة السحب المستقيم (طريقة Czochralski) وطريقة التصلب الرأسي المتدرج (طريقة VGF). في طريقة السحب المستقيم، يتم سحب سائل الجرمانيوم المنصهر من خلال التبلور للحصول على بلورات مفردة، بينما توجه طريقة التصلب بالتدرج الرأسي نمو البلورات من خلال التحكم في تدرج درجة الحرارة لضمان جودتها ونقائها.

للجرمانيوم تطبيقات مهمة في عدة مجالات. ففي مجال الإلكترونيات عالية السرعة، يُستخدم الجرمانيوم في الترانزستورات عالية التردد وأجهزة الاتصالات اللاسلكية لأنه يتمتع بحركية إلكترونية عالية تدعم معالجة الإشارات عالية السرعة. وبالإضافة إلى ذلك، يعد الجرمانيوم مادة بصرية مهمة تعمل بالأشعة تحت الحمراء ويستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وأنظمة التصوير. ونظراً لخصائصه الإلكترونية الضوئية الجيدة، يتم استخدام الجرمانيوم أيضاً في الألياف الضوئية لتحسين أداء الألياف الضوئية ويستخدم في الاتصالات الضوئية وأجهزة التحويل الكهروضوئية والخلايا الشمسية. في الدوائر المتكاملة، يُدمج الجرمانيوم مع السيليكون لتشكيل سبائك تزيد من تحسين الأداء. يُستخدم الجرمانيوم أيضًا في تصنيع أشباه الموصلات الليزرية وأجهزة اقتران الشحنات (CCDs) وأجهزة الليزر ذات الشحنة (CCDs) وLIDAR، وله تطبيقات محتملة في الحوسبة الكمية والتكنولوجيا الكمية.

تشمل المزايا الرئيسية للجرمانيوم حركية عالية للإلكترونات، وفجوة نطاق منخفضة، ونفاذية عالية للأشعة تحت الحمراء، وتوافق جيد مع السيليكون، مما يجعله مناسبًا تمامًا للاستخدام في مجالات مثل الخلايا الشمسية عالية الكفاءة والحوسبة الكمية. ومع ذلك، فإن له أيضًا عيوبًا كبيرة، بما في ذلك الموصلية الحرارية المنخفضة والسعر المرتفع وصعوبة نمو البلورات ومحدودية نطاق الإنتاج الصناعي، مما يشكل تحديًا أمام الاستخدام الواسع النطاق للجرمانيوم.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 3 - الجرمانيوم

الشكل 3 الجرمانيوم لتصنيع الرقائق

5 مركبات الغاليوم

أوكسيد الغاليوم (Ga2O3): أشباه موصلاتعريضة النطاق ذات تراكيب بلورية مختلفة، مثل β-Ga2O3 و α-Ga2O3 وما إلى ذلك. وهو مستقر كيميائيًا ويمكن أن يتفاعل مع مجموعة متنوعة من المواد. يمكن تحضيره بطريقة الاختزال المباشر وطريقة ترسيب البخار الكيميائي والطريقة الحمضية. يُستخدم على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة والأجهزة الإلكترونية الضوئية (مثل أجهزة الكشف بالأشعة فوق البنفسجية ومصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية العميقة) وأجهزة الاستشعار وغيرها من المجالات، وينمو حجم السوق بسرعة، وتتحسن سلسلة الصناعة تدريجياً.

زرنيخيد الغاليوم (GaAs): مادة صلبةرمادية سوداء رمادية اللون، درجة انصهارها 1238 درجة مئوية، وهي من أشباه الموصلات المركبة Ⅲ-V المهمة، ذات بنية بلورية مكعبة، وخصائص إلكترونية ممتازة، وضوضاء منخفضة، وجهد انهيار عالي. يتم تحضيره بشكل أساسي عن طريق التصلب بالتدرج الرأسي (VGF)، والرسم المباشر المغلف بالسائل (LEC)، والبريدجمان الأفقي (HB)، والترسيب الكيميائي بالبخار (CVD)، وغيرها من الطرق. ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات الميكروويف والإلكترونيات الضوئية والاتصالات والخلايا الشمسية والإلكترونيات الدقيقة وغيرها من المجالات.

نيتريد الغاليوم (GaN): يتكون التركيب البلوري من شبكة من ذرات الغاليوم والنيتروجين ذات فجوة نطاق مباشر واسعة وصلابة عالية وموصلية حرارية عالية وثبات كيميائي جيد وخصائص أخرى. تتم زراعته عن طريق تفاعلات ترسيب البخار الكيميائي، مثل MOCVD وغيرها من الطرق. يُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية الجديدة (على سبيل المثال، الأجهزة عالية الطاقة عالية التردد)، والأجهزة الإلكترونية الضوئية (على سبيل المثال، الأجهزة الباعثة للضوء ذات الطول الموجي القصير)، وأجهزة الاستشعار، وغيرها من المجالات، مما يعزز التقدم التكنولوجي ذي الصلة.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 4 - مركبات الغاليوم

الشكل 4 مواد أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم

6 المواد القائمة على الكربون

الجرافين: بنية أحادية الطبقة يتم فيها تهجين ذرات الكربون مع sp² لتشكيل شبكة سداسية على شكل قرص عسلية سداسية الشكل، مع خصائص بصرية وكهربائية وميكانيكية ممتازة. وبفضل حركية الإلكترونات العالية، فإن له تطبيقات محتملة في الدوائر المتكاملة، وترانزستورات التأثير الميداني، والصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء، وأجهزة الاستشعار الكيميائية، والأجهزة الإلكترونية الضوئية.

الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs): مرتبة بواسطة ذرات الكربون في هيكل أنبوبي دائري متحد المحور بخصائص كهربائية فريدة من نوعها، وتنقسم إلى أنابيب نانوية كربونية معدنية وشبه موصلة. يمكن استخدامها لتصنيع ترانزستورات عالية الأداء ذات تأثير ميداني وأجهزة استشعار إلكترونية وخلايا شمسية وما إلى ذلك لتحسين أداء الأجهزة ذات الصلة.

الفوليرين (Fullerenes): هي جزيئاتمجوفة تتكون من ذرات الكربون، مثل C60، وما إلى ذلك، ذات خصائص بصرية وكهربائية وكيميائية خاصة. لها تطبيقات مهمة في المكثفات والمواد اللاصقة الموصلة والتطبيقات الإلكترونية الضوئية وما إلى ذلك، ويمكنها تحسين التوصيل الكهربائي وكثافة تخزين الطاقة، إلخ.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 5 - المواد القائمة على الكربون

الشكل 5 الجرافين

7 المواد الموصلة والعازلة

المواد الموصلة: معادن وسبائك بسبب سهولة الإلكترون الخارجي للذرة المعدنية في تكوين إلكترونات حرة وموصلة، مع توصيل كهربائي عالٍ، وموصلية حرارية جيدة، وقوة ميكانيكية مثل النحاس والفضة والألومنيوم وسبائكها في الأسلاك والكابلات والمعدات الإلكترونية وغيرها من المجالات المستخدمة على نطاق واسع؛ سيراميك موصل للكهرباء من خلال الهجرة الأيونية أو نقل الإلكترونات، مع درجة حرارة عالية ومقاومة للتآكل، مثل أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) للشاشات التي تعمل باللمس، إلخ.؛ زجاج موصل بواسطة الركيزة الزجاجية وتكوين طبقة موصلة للسطح، مع توصيل شفاف للخلايا الشمسية وشاشات العرض، إلخ؛ مواد فائقة التوصيل في درجات حرارة محددة بمقاومة صفرية ومضادة للمغناطيسية تمامًا. يتكون الزجاج الموصل من الركيزة الزجاجية والطبقة الموصلة السطحية، مع موصلية شفافة، تستخدم في الخلايا الشمسية وشاشات العرض، إلخ؛ مواد فائقة التوصيل عند درجة حرارة محددة بمقاومة صفرية ومضادة للمغناطيسية تمامًا، وتنقسم إلى موصلية فائقة في درجات الحرارة المنخفضة، وموصلية فائقة في درجات الحرارة العالية وأنواع أخرى من الموصلية الفائقة في نقل الطاقة والطب والنقل وتكنولوجيا المعلومات وغيرها من المجالات المستخدمة على نطاق واسع.

المواد العازلة: المواد العازلة غير العضوية مثل الزجاج والسيراميك والميكا وما إلى ذلك، ذات المقاومة العالية والمقاومة الجيدة للحرارة والقوة الميكانيكية والاستقرار الكيميائي، وتستخدم للعزل الكهربائي، مثل الزجاج للعوازل عالية الجهد، والسيراميك المستخدم لعزل المحولات، وما إلى ذلك؛ المواد العازلة البوليمرية مثل البولي فينيل كلوريد والبولي إيميد والبولي تترافلوروإيثيلين وما إلى ذلك، ذات خصائص وخصائص عزل مختلفة. وهي مناسبة للمعدات والبيئات الإلكترونية المختلفة.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 6 - المواد الموصلة والعازلة

الشكل 6 المواد الخزفية الإلكترونية

8 المواد المغناطيسية

المواد المغناطيسية الصلبة (المغناطيس الدائم): مثل سبائك النيكو وسبائك التيتانيوم والكوبالت والمغناطيس الدائم من الكوبالت الأرضي النادر، إلخ، والتي يمكن أن تحافظ على المغناطيسية لفترة طويلة بعد المغنطة ولها قدرة إكراه عالية وبقايا مغناطيسية عالية ومنتج طاقة مغناطيسية عالية، وتستخدم في المحركات الكهربائية وأجهزة التفريغ الإلكترونية وأجهزة الميكروويف.

المواد المغناطيسية اللينة: مثل المغناطيسات اللينة المصنوعة من فولاذ السيليكون، والفريت المغناطيسي اللين، وما إلى ذلك، ذات إكراه منخفض، ونفاذية عالية، وسهلة المغنطة وإزالة المغناطيسية، وتستخدم على نطاق واسع في المحولات والمحركات والمحثات والدروع الكهرومغناطيسية وغيرها من المعدات الإلكترونية، ويمكن أن تقلل من فقدان الطاقة، وتحسن الكفاءة.

السبائك المغناطيسية: تتألف من الحديد وعناصر معدنية أخرى، وتنقسم إلى سبائك مغناطيسية ناعمة وسبائك مغناطيسية صلبة، والتي تستخدم على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات والاتصالات والطاقة وما إلى ذلك، مثل سبائك النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) المستخدمة في المحركات الكهربائية وما إلى ذلك، و سبائك الألومنيوم والنيكل والكوبالت المستخدمة في البيئات الخاصة ذات درجات الحرارة العالية. تُعد خصائص المواد المغناطيسية مثل النفاذية وكثافة تدفق التشبع والإكراه وما إلى ذلك من الخصائص بالغة الأهمية لأداء الأجهزة الإلكترونية وتلعب دورًا رئيسيًا في إمدادات الطاقة والمحولات وتخزين البيانات والمحركات وأجهزة الاستشعار والاتصالات اللاسلكية وغيرها من المعدات.

اقرأ المزيد: المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 7 - المواد المغناطيسية

الشكل 7 مغناطيس NdFeB

9 الخلاصة

في الختام، المواد الإلكترونية هي حجر الأساس للإلكترونيات الحديثة. لقد كان السيليكون بارزًا، ومع ذلك فإن مواد مثل كربيد السيليكون ومركبات الغاليوم آخذة في الظهور. تجلب المواد القائمة على الكربون فرصًا جديدة. كما تُعد المواد الموصلة والعازلة والمغناطيسية حيوية أيضًا. وتشير اتجاهات التطوير نحو تحسين الأداء والموثوقية. تُبذل الجهود لتحسين مواد مثل كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم. تركز الأبحاث على المواد القائمة على الكربون على التوليف والتكامل. البحث المستمر والابتكار أمران حاسمان. فهي تلبي المتطلبات الحالية وتتيح تقنيات جديدة. إن استكشاف المواد وتحسينها أمر ضروري لتقدم صناعة الإلكترونيات.

وتُعد Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً للمواد الإلكترونية عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات الهامة بحلول مواد موثوقة.