چرا در ساخت تراشه‌ از سیلیکون استفاده می‌شود؟

به‌زودی در دنیایی زندگی خواهیم کرد که هوش مصنوعی، ربات‌های انسان‌نما و کامپیوترهای فوق سریع، در هر لحظه از زندگی‌مان حضور دارند. از یخچال هوشمندی که مواد غذایی را به‌طور خودکار سفارش می‌دهد تا اتومبیل‌های خودران که شما را به مقصدتان می‌رسانند، همه و همه به تراشه‌ وابسته هستند. چه چیزی باعث شد این دنیای شگفت‌انگیز که زمانی‌ فقط در قلمروی داستان‌های علمی‌تخیلی بود، به واقعیت تبدیل شود؟

قلب تپنده‌ی تمام این فناوری‌ها، تراشه‌ است که بدون وجود عنصری به نام «سیلیکون»، هیچ‌گاه به وجود نمی‌آمد. سیلیکون، دومین عنصر فراوان در پوسته‌ی زمین که از شن استخراج می‌شود، راز قدرت و کارایی تراشه‌های کامپیوتری است. چرا این عنصر ساده، به عنصری حیاتی در دنیای مدرن و صنعت الکترونیک تبدیل شده است؟ چرا از عناصر دیگر مانند مس یا گرافیت، همانند سیلیکون، در صنعت الکترونیک استفاده نمی‌شود؟

سیلیکون به‌دلیل داشتن ویژگی‌های منحصربه‌فرد، به عنصری ویژه در میان عناصر مختلف تبدیل شده است. در ادامه، در مورد این عنصر و ویژگی‌های جالب آن صحبت می‌کنیم. سپس، با در نظر گرفتن مشخصات عنصر، دلیل اصلی استفاده از آن در ساخت تراشه‌های کامپیوتری را بررسی می‌کنیم.

مهم نیست از چه وسیله‌ی الکترونیکی‌ای استفاده می‌کنید؛ عنصری به نام سیلیکون در تمام آن‌ها مشترک است. تمام کارهایی که امروزه به‌راحتی آن‌ها را انجام می‌دهیم، بدون وجود سیلیکون غیرقابل‌ انجام بودند. ترکیب‌های سیلیکونی ویژگی‌های منحصربه‌فرد و متنوعی دارند، ازجمله:

• اتصال محکم: اتم‌های سیلیکون می‌توانند پیوندهای قوی با اتم‌های دیگر برقرار کنند. این پیوندها باعث ایجاد ساختارهای سیلیکونی پایدار و محکمی می‌شوند.
• سیمان حاوی سیلیکات: این نوع سیمان می‌تواند مانند چسب، ذرات شن و ماسه در بتن و ملات را به یکدیگر متصل کند.
• سرامیک: برخی مواد غنی از سیلیکات با حرارت دادن، سخت و محکم و به سرامیک تبدیل می‌شوند. چینی، نمونه‌ای از این نوع سرامیک است.
• شیشه سودا-آهک: این نوع شیشه، رایج‌ترین نوع شیشه در جهان است و بخش عمده‌ای از شیشه‌ها را تشکیل می‌دهد. ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی این شیشه، سیلیکات سدیم و کلسیم است.

سیلیکون، ماده‌ای نیمه‌رسانا است. به چه ماده‌ای نیمه‌رسانا گفته می‌شود؟ مواد به سه گروه رسانا یا فلز، نیمه‌رسانا و عایق تقسیم می‌شوند. مواد رسانا به‌راحتی جریان الکتریکی (الکترون‌ها) را از خود عبور می‌دهند. در مقابل، جریان الکتریکی از مواد عایق عبور نمی‌کند. ماده‌ی نیمه‌رسانا، تا حدودی می‌تواند جریان الکتریکی را از خود عبور دهد. از آنجا که رسانندگی مواد نیمه‌رسانا را می‌توان تغییر داد، در بسیاری از فناوری‌های پیشرفته از آن‌ها استفاده می‌شود.

سیلیکون در دمای اتاق (حدود ۲۱ درجه سانتی‌گراد) عایق است و جریان الکتریکی را از خود عبور نمی‌دهد. اگر دمای سیلیکون را با حرارت افزایش دهیم، جریان الکتریکی از سیلیکون عبور خواهد کرد. بنابراین، رسانندگی سیلیکون با کاهش یا افزایش دما، تغییر می‌کند.

یکی دیگر از راه‌های تغییر رسانندگی ماده‌ی نیمه‌رسانا، افزودن عناصر دیگر به آن است. به فرایند یادشده، آلایش یا «دوپ» (Dope) گفته می‌شود. اگرچه امروزه این فرایند را به‌عنوان روشی رایج برای تغییر ویژگی‌‌های الکترونیکی نیمه‌رساناها می‌توان در نظر گرفت، در دهه‌ی ۵۰ میلادی پرسش‌های بسیار زیادی را برای فیزیکدان‌ها ایجاد کرده بود. مقدار عنصر اضافه‌شده تأثیر بسزایی در میزان تغییرات ایجادشده در ماده‌ی نیمه‌رسانا دارد.

برای آنکه بدانیم اضافه کردن عنصر خارجی به ماده‌ی نیمه‌رسانا چگونه رسانندگی الکتریکی آن را تغییر می‌دهد، جریان الکتریکی دو قطعه‌ی سیلیکون خالص و سیلیکون دوپ‌شده با فسفر را با استفاده از اهم‌متر اندازه می‌گیریم. قطعه‌ی سیلیکونی را به‌صورت نشان داده‌شده در تصویر زیر به اهم‌متر وصل می‌کنیم. اهم‌متر به ما مقاومت سیلیکون را می‌دهد. رسانندگی و مقاومت با یکدیگر رابطه‌ی عکس دارند. هرچه مقاومت اندازه‌گیری‌شده بیشتر باشد، رسانندگی سیلیکون و در نتیجه جریان الکتریکی عبوری از آن کمتر است.

برعکس، هرچه مقاومت اندازه‌گیری شده کمتر باشد، رسانندگی سیلیکون و در نتیجه جریان الکتریکی عبوری از آن بیشتر خواهد بود. ابتدا سیلیکون خالص را به اهم‌متر وصل می‌کنیم. مقاومت اندازه‌گیری‌شده برابر ۱۲۹۱ اهم است.

سپس، مقاومت سیلیکون دوپ‌شده با فسفر را اندازه می‌گیریم. مقاومت اندازه‌گیری‌شده برابر ۳۴٫۳ اهم است. سیلیکون دوپ‌شده، مقاومت الکتریکی بسیار کمتری در مقایسه با سیلیکون خالص دارد.‌ این یعنی رسانندگی سیلیکون دوپ‌شده با فسفر بسیار بیشتر از سیلیکون خالص است.

بنابراین، با اضافه کردن درصد مشخصی از عناصر دیگر، مانند فسفر، به نیمه‌رسانایی مانند سیلیکون می‌توانیم خواص الکترونیکی آن را به‌طور قابل‌ ملاحظه‌ای تغییر دهیم. مقدار فسفر اضافه‌شده به سیلیکون می‌تواند بسیار کوچک باشد، مثلاً یک اتم فسفر به‌ازای یک میلیون اتم سیلیکون. چرا اضافه کردن این مقدار فسفر می‌تواند رسانندگی سیلیکون را به‌طور چشم‌گیری افزایش دهد؟

سیلیکون در ستون چهارم جدول تناوبی قرار گرفته و چهار الکترون در لایه‌ی ظرفیت یا لایه‌ی آخر خود دارد. لایه‌ی ظرفیت فسفر نیز از پنج الکترون و لایه‌ی ظرفیت بور از سه تشکیل شده است. بنابراین، فسفر یک الکترون بیشتر و بور، یک الکترون کمتر از سیلیکون دارد. این دو عنصر را می‌توان به‌عنوان عناصر خارجی به‌طور جداگانه به سیلیکون اضافه کرد و خواص الکترونیکی آن را تغییر داد.

تک اتم سیلیکون، از یک هسته و چهار الکترون اطراف آن تشکیل شده است. در ساختار کریستالی سیلیکون، هر اتم سیلیکون با استفاده از پیوندی بسیار قوی به نام پیوند کووالانسی به چهار اتم سیلیکون دیگر متصل می‌شود. به‌دلیل این پیوند قوی، الکترون‌ها در ساختار سیلیکون نمی‌توانند آزادانه به اطراف حرکت و در هدایت جریان الکتریکی شرکت کنند. بنابراین، رسانندگیِ سیلیکون خالص بسیار کوچک است.

میزان رسانندگی ماده به تعداد الکترون‌های آزاد در آن بستگی دارد. بنابراین، با افزایش تعداد الکترون‌های آزاد در ماده‌ای مانند سیلیکون می‌توانیم رسانندگی آن را افزایش دهیم. با افزودن عناصری مانند فسفر یا بور به سیلیکون چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ یکی از اتم‌های سیلیکون را با اتم فسفر جایگزین می‌کنیم. همان‌طور که گفتیم اتم فسفر، پنج الکترون دارد، یک الکترون بیشتر از اتم سیلیکون. چهار الکترون از پنج الکترونِ فسفر با اتم‌های سیلیکون مجاور، پیوند برقرار می‌کنند و نمی‌توانند آزادانه به اطراف حرکت کنند؛ اما الکترونِ پنجم در هیچ پیوندی شرکت نمی‌کند و به‌راحتی می‌تواند به اطراف حرکت کند. در نتیجه، این الکترون، اتم فسفر را ترک می‌کند. اکنون، اتم فسفر با بار مثبت داریم.

با اضافه کردن هر اتم فسفر به ساختار سیلیکون، یک الکترونِ آزاد نیز به آن اضافه می‌شود. در نتیجه، با اضافه کردن عناصر گروه پنج به ساختار سیلیکون، تعداد حامل‌های بار منفی (الکترون) در آن افزایش می‌یابد.

تعداد الکترون‌های آزاد برابر با تعداد اتم‌های فسفر در ساختار سیلیکون است. در این حالت، به سیلیکون، نیمه‌رسانای نوع n (منفی) می‌گوییم.

اکنون فرض کنید به‌جای فسفر، عنصری با سه الکترون در لایه‌ی ظرفیت، مانند بور، را به ساختار سیلیکون اضافه می‌کنیم. بور برای آنکه بتواند با چهار سیلیکون مجاور پیوند برقرار کند، یک الکترون کم دارد. این حالت مانند آن است که به‌جای الکترون، حفره‌ای با بار مثبت در ساختار بور وجود دارد. حفره، مشابه بار مثبت متحرک عمل می‌کند، زیرا به‌راحتی می‌تواند جای خود را با الکترون‌های پیوندی مجاور عوض کند.

بنابراین، رسانندگی مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون را می‌توانیم با افزودن عنصر خارجی به ساختار آن‌ها تغییر دهیم. در واقع، با افزودن عنصر خارجی به ساختار ماده نیمه‌رسانا، تعداد حامل‌های بار آزاد را در آن‌ تغییر می‌دهیم. این ویژگی، در مواد دیگر، مانند رساناها و مواد عایق، وجود ندارد.

تا اینجا فهمیدیم رسانندگی سیلیکون را می‌توانیم با افزودن عنصر خارجی یا افزایش دمای آن، افزایش دهیم. این ویژگی منحصربه‌فرد، سیلیکون را به پای ثابت تمام وسایل الکتریکی تبدیل کرده است.

شاید از خود بپرسید چرا از نیمه‌رساناهای دیگر در ساخت تراشه‌های کامپیوتری استفاده نمی‌شود. نباید فراموش کنیم سیلیکون به‌دلیل فراوان بودن، بسیار ارزان‌تر از نیمه‌رساناهای دیگر است. بنابراین، مهم‌ترین دلایل استفاده از سیلیکون در ساخت تراشه‌های کامپیوتری عبارت‌اند از:

• فراوانی: سیلیکون، دومین عنصر فراوان در پوسته زمین بعد از اکسیژن، به‌راحتی و با هزینه‌ی کم قابل استخراج و تصفیه است. این امر آن را به ماده‌ای ایدئال برای تولید انبوه تراشه‌ها در مقیاس بزرگ تبدیل می‌کند.
• خواص نیمه‌رسانا: سیلیکون ماده‌ای نیمه‌رسانا است؛ یعنی این عنصر می‌تواند هم به‌عنوان رسانا و هم به‌عنوان عایق عمل کند.
• کنترل آسان هدایت الکتریکی: هدایت الکتریکی سیلیکون را می‌توان با ناخالصی‌سازی آن با عناصر دیگر مانند بور یا فسفر، با دقت بالایی کنترل کرد.
• پایداری: سیلیکون ماده‌ای بسیار پایدار و در برابر تغییرات دما و فشار مقاوم است.
• قابلیت رشد اکسید: سیلیکون می‌تواند به‌طور طبیعی یا با قرار گرفتن در کوره، یک لایه اکسید بسیار نازک و با کیفیت بالا روی سطح خود ایجاد کند. این لایه‌ی اکسید برای ساخت ساختارهای عایق و ترانزیستورها ضروری است.
• سازگاری با سایر مواد:‌ سیلیکون با بسیاری از مواد به‌کاررفته در ساخت تراشه‌ها، مانند فلزات، دی‌الکتریک‌ها و فوتورزیست‌ها، سازگار است.

تا اینجا فهمیدیم چرا سیلیکون عنصر منحصربه‌فردی است و از آن در ساخت تراشه‌های کامپیوتری استفاده می‌شود. به احتمال زیاد از خود پرسیده‌اید تراشه‌ها از چه اجزایی تشکیل شده‌اند که از سیلیکون برای ساخت آن‌ها استفاده می‌شود.

تراشه‌های کامپیوتری که به‌عنوان مدارهای مجتمع (IC) نیز شناخته می‌شوند، اجزای پیچیده‌ای هستند که از میلیاردها ترانزیستور، سیم‌پیچ‌ها و سایر اجزای ریز تشکیل شده‌اند. این اجزا با کار کردن در کنار یکدیگر، دستورالعمل‌ها را پردازش و عملکرد کامپیوتر را امکان‌پذیر می‌کنند. ترانزیستورهای به‌کاررفته در تراشه‌ها، جریان الکتریکی را به‌صورت انتخابی عبور می‌دهند.

اما جریان الکتریکی به صورت پیوسته از فلزات یا مواد رسانا عبور می‌کند. اگر ترانزیستورهای به‌کاررفته در تراشه‌، به‌جای سیلیکون از مواد رسانا ساخته شده بودند، الکترون‌ها را به‌راحتی از خود عبور می‌دادند. در نتیجه، بسیاری از ترانزیستورها همزمان روشن می‌شدند و پردازش اطلاعات به‌درستی انجام نمی‌شد. بنابراین، استفاده از سیلیکون در ساخت ترانزیستورها، امکان عبور کنترل‌شده الکترون‌ها از آن‌ها را فراهم می‌کند. در این حالت، پردازش اطلاعات به‌خوبی انجام خواهد شد.

می‌دانیم با قرار دادن سیلیکون داخل کوره‌ای داغ، لایه‌ی عایق دی‌اکسید سیلیکون تشکیل می‌شود. این لایه، قسمتی مهم در ترانزیستورهای کوچکِ استفاده‌شده در تراشه‌های کامپیوتری است. با استفاده از لایه عایق دی‌اکسید سیلیکون، جریان الکترون‌ها را در ترانزیستور می‌توان کنترل کرد. به بیان دیگر، ترانزیستورهای سیلیکونی، به هنگام عبور جریان الکتریکی از تراشه، مانند سوئیچ یا کلید عمل می‌کنند.

در بخش‌های قبل فهمیدیم با اضافه کردن فسفر یا بور به سیلیکون به دو ساختار سیلیکون نوع n و نوع p می‌رسیم. با قرار دادن این ساختارها در کنار یکدیگر می‌توانیم دو نوع ترانزیستور pnp و npn بسازیم. مهم‌ترین تفاوت این دو نوع ترانزیستور در چگونگی استفاده از آن‌ها است. اما هر دو کار مشابهی را انجام می‌دهند. دو ترانزیستور در تصویر زیر نشان داده شده‌اند و هر دو فلشی در دو مکان متفاوت دارند. جهت این فلش‌ها، جهت جریان عبوری در هر ترانزیستور را نشان می‌دهد.

سیلیکون به‌دلیل فراوانی، هزینه‌ی کم، سهولت پردازش و خواص نیمه‌رسانای عالی، به ماده‌ی غالب برای ساخت تراشه‌ تبدیل شده است. با این حال، با پیشرفت فناوری و افزایش تقاضا برای تراشه‌های قدرتمندتر و کارآمدتر، محدودیت‌هایی در استفاده از سیلیکون به‌عنوان ماده‌ی اصلی ساخت تراشه‌ها آشکار شده است. این محدودیت‌ها عبارت‌اند از:

• محدودیت اندازه ترانزیستور:‌ با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها، کنترل نشتِ جریان الکتریکی در آن‌ها دشوارتر می‌شود. این نشت می‌تواند به گرم شدن بیش از حد تراشه و افزایش مصرف برق منجر شود.
• سرعت سوئیچینگ ترانزیستور: سرعت سوئیچینگ ترانزیستور سیلیکونی با کوچک‌تر شدن اندازه آن‌ها کاهش می‌یابد. این امر می‌تواند سرعت پردازش تراشه را محدود کند.
• گرمای تولیدشده: تراشه‌های سیلیکونی با افزایش قدرت و عملکرد، گرمای بیشتری تولید می‌کنند. این امر می‌تواند چالش‌هایی را برای خنک‌سازی تراشه و حفظ پایداری آن ایجاد کند.
• محدودیت‌های ذاتی سیلیکون: خواص فیزیکی ذاتی سیلیکون، مانند هدایت حرارتی و ثابت دی‌الکتریک، محدودیت‌هایی را برای عملکرد تراشه ایجاد می‌کند.
• تنوع کم مواد: سیلیکون، تنها ماده نیمه‌رسانای رایج برای ساخت تراشه‌ها است. این امر می‌تواند به ایجاد محدودیت در نوآوری و دشواری در یافتن مواد جدید منجر شود.

برای رفع این محدودیت‌ها، محققان به‌دنبال مواد و فناوری‌های جدید برای ساخت تراشه‌ها هستند. برخی از مواد جایگزین عبارت‌اند از:

• گرافن: گرافن ماده‌ی کربنی تک‌لایه با خواص نیمه‌رسانای عالی است. با استفاده از این ماده می‌توانیم ترانزیستورهای سریع‌تر و کارآمدتری از ترانزیستورهای سیلیکونی بسازیم.
• نیترید گالیوم (GaN):‌ GaN ماده‌ی نیمه‌رسانا با هدایت حرارتی بالا است. با استفاده از این ماده نیز می‌توانیم تراشه‌های قدرتمندتر و کارآمدتری از تراشه‌های سیلیکونی بسازیم.
• سیلیکون ژرمانیوم (SiGe): SiGe آلیاژی از سیلیکون و ژرمانیوم است که می‌تواند خواص نیمه‌رسانای سیلیکون را بهبود بخشد.

با تمام این حرف‌ها، سیلیکون کماکان پرمصرف‌ترین ماده در صنعت الکترونیک باقی خواهد ماند و به این زودی‌ها کنار گذاشته نخواهد شد؛ چراکه ترکیبات سیلیکونی بخش اعظمی از پوسته‌ی زمین را تشکیل می‌دهند و حتی اگر برخی صنایع در نهایت مجبور شوند نگاهشان را به عناصر دیگر معطوف کنند، سیلیکون همچنان یکی از مهم‌ترین مواد برای گسترش تسلط بشر بر جهان فیزیکی خواهد بود.