چرا در ساخت تراشه‌ها از سیلیکون استفاده می‌شود؟

امروزه تصور زندگی بدون وسایل الکترونیکی تقریبا غیر ممکن است. از گوشی موبایلی که در دست داریم تا لپ تاپ یا کامپیوتر شخصی، لوازم خانگی، خودرو، ابزارهای صنعتی و... دارای بردهای الکترونیکی با انواع تراشه‌ها هستند. تراشه یا آی‌سی‌ در واقع مدار مجتمعی است که از کنار هم قرار گرفتن ترانزیستورهایی با ابعاد میکرو و نانومتری به‌وجود آمده‌است. بنابراین برای پاسخ به این سوال که چرا تراشه‌ها از سیلیکون ساخته شده‌اند، باید ذره‌بین خود را روی ترانزیستور بیندازیم.

هر تراشه ممکن است میلیون‌ها یا حتی میلیاردها ترانزیستور در خود جای داده باشد. عباراتی که در مورد فناوری ساخت تراشه‌ها گفته می‌شود؛ مانند لیتوگرافی ۱۰ نانومتری یک پردازنده‌، به ابعاد ترانزیستورها اشاره می‌کند. ترانزیستور قطعه‌ای نیمه‌هادی است که عمدتاً با عنصر سیلیکون (Si) ساخته می‌شود. بنابراین ماده‌ی اصلی سازنده‌ی دنیای پیشرفته‌ی الکترونیک، سیلیکون است.

اختراع اولین ترانزیستور را می‌توانیم نتیجه‌ی آزمایشات جان باردین، والتر براتاین و ویلیام شاکلی در دسامبر ۱۹۴۷ روی عنصر نیمه‌رسانای ژرمانیوم بدانیم. هدف آن‌ها ساختن قطعه‌ی جدیدی برای جایگزین کردنش با لامپ خلأ (Vacuum tube) بود. لامپ خلأ در سال ۱۹۰۷ اختراع شد که با اعمال ولتاژ، جریان الکتریکی را در یک جهت بین دو الکترود عبور می‌داد؛ اما توان زیادی مصرف می‌کرد و اندازه‌ی آن بزرگ بود. همین موضوع مهندسان را به ساخت قطعه‌ای کوچکتر و کم‌مصرف‌تر ترغیب می‌کرد. لامپ خلأ، ساخت رادیو، رادار، تلویزیون و ارتباطات مخابراتی را ممکن کرد و در واقع اولین قطعه‌ی الکترونیکی به‌شمار می‌آمد.

ویلیام شاکلی و همکارانش در آزمایشگاه بل مشاهده کردند که وقتی ولتاژی از طریق اتصال نقطه‌ای فلز طلا به بلور ژرمانیوم با ناخالصی‌های P و N(بور و فسفر) که روی یک زیرلایه‌‌‌ی فلزی قرار دارد، اعمال می‌شود؛ سیگنال خروجی از فلز متصل به‌سمت دیگر نیمه‌هادی، دامنه‌ی بزرگتری نسبت به سیگنال ورودی دارد و تقویت شده است. خاصیت تقویت‌کنندگی همان چیزی بود که با توجه به محاسبات تئوری انتظارش را داشتند. بنابراین اولین نمونه‌ی عملی ترانزیستور ساخته شده‌بود. اگرچه در ساخت اولین ترانزیستور از ژرمانیوم استفاده شد؛ محققان خیلی زود متوجه برتری‌های سیلیکون نسبت به ژرمانیوم شدند.

پس از این اختراع، ساختارهای دیگری نیز برای ترانزیستور پیشنهاد شد. در سال ۱۹۵۴، اولین ترانزیستور دوقطبی-پیوندی مبتنی بر سیلیکون اختراع شد که نقطه‌ی عطفی در تاریخ الکترونیک به‌حساب می‌آید. در سال ۱۹۵۹ نیز محمد عطاالله دانشمند مصری-آمریکایی و داونگ کانگ، فیزیک‌دان کره‌ای، ماسفت(MOSFET) را که بعدها به پرکاربردترین نوع ترانزیستور در مدارهای مجتمع تبدیل شد اختراع کردند. نکته‌ی مهم این که از اکسید سیلیکون در ساخت ماسفت استفاده می‌شود.

همانطور که گفته شد، تراشه‌ها مدارهای مجتمع ساخته شده از ترانزیستور هستند و ماده‌ی اصلی بکاررفته در ساخت ترانزیستور، سیلیکون است. این عنصر از نظر الکتریکی خاصیت نیمه‌رسانایی، یعنی رفتاری بین رسانای کامل و مواد عایق دارد و دانشمندان توانستند با افزودن ناخالصی‌هایی از جنس بور و فسفر به ساختار بلوری سیلیکون، پیوند‌ P-N را بسازند که مانند آبشاری، جریان الکترون‌ها را فقط از سمت P به سمت N عبور می‌دهد. ساختاری که اساس عملکرد ترانزیستور‌ها و دیودها بر آن استوار است. البته علاوه بر عنصر سیلیکون از عناصر و ترکیبات دیگری نیز به‌صورت محدود برای ساخت قطعات نیمه‌هادی استفاده می‌شود؛ اما سیلیکون از همه‌ی آن‌ها مناسب‌تر و متداول‌تر است و این به‌خاطر ویژگی‌های منحصر ‌به‌فرد این عنصر است.

هنگامی که سیلیکون در معرض هوا قرار می‌گیرد، به‌سرعت لایه‌ی نازکی از سیلیکون‌دی‌اکسید (SiO2) در سطح آن ایجاد می‌شود. لایه‌ی اکسید شده مانند عایقی از سیلیکون خالص در برابر جریان الکتریکی محافظت می‌کند. این ویژگی در روند تولید تراشه‌ها، موجب افزایش دقت و سرعت کاشت لایه‌های بیشتر در مدارهای مجتمع چندلایه می‌شود.

سیلیکون بعد از اکسیژن، دومین عنصری است که به وفور در زمین پیدا می‌شود. البته این عنصر به‌دلیل تمایل زیادی که برای اکسید شدن(ترکیب با اکسیژن) دارد، عمدتاً به‌صورت سنگ‌های درخشانی به‌نام سیلیکا دیده می‌شود. شن و ماسه نیز حاوی مقادیر زیادی از سیلیکون است.

سنگ سیلیکا در مقایسه با مواد معدنی دیگر، روند خالص‌سازی بسیار سرراست‌تری دارد. از آنجایی که سیلیکا فقط دارای سیلیکون و اکسیژن است، باید در دمای ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد در مجاورت کربن قرار بگیرد تا اکسیژن از سیلیکون جدا شده و با کربن ترکیب شود. در نتیجه‌ی این فرآیند، سیلیکون با درصد خلوص بالایی حاصل می‌شود.

نقطه‌ی ذوب سیلیکون ۱۴۱۴ درجه سانتی‌گراد است. این ویژگی در برخی فرآیندهای تولید تراشه‌ها مانند دیفیوژن، تزریق یون و رسوب‌دهی بخار شیمیایی، اهمیت زیادی دارد.

حتماً تا الان اسم خمیر سیلیکون را شنیده‌اید و می‌دانید که بین CPU و فن زده می‌شود تا گرما بهتر منتقل شود. سیلیکون هدایت حرارتی خوبی دارد و می‌تواند حرارت را به‌سرعت از داخل تراشه عبور دهد. هنگامی که دستگاه‌های الکترونیکی قدرتمندتر و جمع و جورتر می‌شوند، مدیریت دما برای حفظ عملکرد پایدار دستگاه اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. رسانایی دمایی سیلیکون در مدیریت حرارت تولید شده در تراشه‌ها به‌کمک می‌آید و موجب افزایش طول عمر آن‌ها می‌شود.

اگرچه تا اینجا از خوبی‌ها و ویژگی‌های منحصر به‌فرد سیلیکون به‌عنوان محبوب‌ترین عنصر در ساخت تراشه‌‌ها گفتیم؛ برخی چالش‌ها و محدودیت‌ها در ارتباط با ترانزیستورهای سیلیکونی وجود دارند که به‌خصوص در ابعاد نانومتری خود را بیشتر نشان می‌دهند. افزایش جریان نشتی (Leakage) با کوچک‌ترشدن فاصله‌ی ترانزیستورها که منجر به تلفات توان مصرفی تراشه می‌شود، محدودیت در بازدهی انرژی، اثرات کوانتومی ترانزیستور‌های سیلیکونی در مقیاس نانو که کنترل عملکرد آن‌‌ها را سخت می‌کند و محدودیت عملکرد سیلیکون در فرکانس‌های بالا مواردی از این چالش‌ها هستند.

بررسی‌ها نشان می‌دهد ترکیباتی مانند گالیوم‌نیتراید، ایندیوم‌فسفاید و سیلیکون‌کربید می‌توانند به‌عنوان گزینه‌های جایگزین سیلیکون در آینده باشند. همچنین تحقیقات برای استفاده از پروسکایت(Perovskite) و نانو لوله‌های کربنی برای ساخت تراشه‌های پیشرفته‌تر درحال انجام است و نتایج بسیار خوبی به‌همراه داشته‌ است. امروزه پنل‌های خورشیدی پروسکایتی با بازدهی و انعطاف‌پذیری بالاتری نسبت به پنل‌های مبتنی بر دیود نیمه‌هادی تولید شده‌اند. به‌هر حال نمی‌توان انتظار داشت سیلیکون ارزان‌قیمت به این زودی‌ها جای خود را با ماده‌ی دیگری عوض کند.