تراشه‌‌هاي نيمه‌رساناي سيليکوني چنان انقلابي را در صنعت الکترونيک و کامپيوتر ايجاد کردند که سال‌‌هاي اوليه‌ي قرن بيست و‌يکم را نسبت به سده‌ي قبل از آن به طور چشمگيري متمايز کردند. سيليکون مدارهاي مجتمع IC عملاً زير بناي دنياي ديجيتالي هستند که امروزه همه چيز را به هم متصل کرده است: کار آن‌‌ها کنترل کردن سيستم‌‌هايي که ما از آن‌‌ها استفاده مي‌کنيم است. آن‌‌ها همچنين به ما اجازه‌ي دسترسي و اشتراک اطلاعات را مي‌دهند.

ميزان پيشرفت و تکامل سيليکون‌‌ها از سال 1947 که اولين ترانزيستور ساخته شد تا امروز بسيار زياد بوده است. تعداد ترانزيستورها از چند هزار عدد روي ‌يک تراشه در مدارهاي مجتمع بسيار ساده، امروزه به بيش از دو ميليارد ترانزيستور رسيده است. قانون مور (Moore's law) که مي‌گويد تراکم ترانزيستورها هر سال دو برابر مي‌شود، هنوز پس از 50 سال برقرار است.

با اين وجود الکترونيک سيليکوني با‌ يک چالش مهم مواجه است: عرض تازه ترين مدارهاي ساخته شده فقط 7 نانومتر است، چيزي ميان اندازه‌ي ‌يک رشته‌ي DNA با 5/2 نانومتر و ‌يک گلبول قرمز خون با عرض 5/7 نانومتر. اندازه‌ي هر تک اتم سيليکون نيز 2/0 نانومتر است. بنابراين‌ يک مشکل فيزيکي براي قرارگيري سيليکون‌‌ها روي مدارهاي بسيار ريز به وجود آمده است.

حال که سيليکون‌‌ها توانايي کوچک تر شدن را ندارند، ديگر نمي‌توان به پيشرفت‌‌هاي اين مواد در حوزه‌ي الکترونيک اميدوار بود. در واقع ما‌ يا بايد در توليد ابزارهاي الکترونيکي خود بازنگري کنيم و‌يا بايد اساساً به فکر جايگزيني براي سيليکون باشيم.

سرعت، حرارت و نور:
براي اينکه بتوانيم چالش تازه‌ي دنياي الکترونيک را بهتر درک کنيم، ابتدا بايد بفهميم که چرا سيليکون براي ساخت قطعه‌‌هاي الکترونيکي انتخاب شده است. در واقع اين ماده مزاياي زيادي دارد. فراواني، سهولت در پردازش، ويژگي‌‌هاي مطلوب فيزيکي و داشتن اکسيد پايدار به عنوان عايق از جمله امتيازهايي است که سيليکون نسبت به ساير مواد داشته است. اما از طرفي اين ماده معايبي نيز دارد.

براي مثال، مزيت مهم ترکيب ترانزيستورهاي بيشتر و بيشتر روي ‌يک تراشه، اين است که سرعت پردازش اطلاعات توسط IC بالا مي‌رود. نکته‌ي کليدي در سرعت پردازش داده‌‌ها، سرعت حرکت الکترون در مواد نيمه‌رسانا است.‌ يعني بايد تحرک الکترون‌‌ها را در مواد در نظر گرفت. اگرچه تحرک الکترون در سيليکون نسبتاً بالاست، اما اين تحرک در ساير نيمه‌رساناها مانند گاليم آرسنيد، اينديم آرسنيد و اينديوم آنتيمونيد بيشتر است. خواص نيمه‌رساناها فقط مربوط به حرکت الکترون‌‌ها نمي‌شود. بلکه حرکت حفره‌‌ها نيز مدنظر است. حفره‌‌ها در واقع نقطه‌‌هايي هستند که به جاي خالي الکترون‌‌ها اطلاق مي‌شوند.

در مدارهاي IC جديد تکنيکي به نام نيمه‌رساناي مکمل فلز-اکسيد اعمال مي‌شود. در اين تکنيک، از ‌يک جفت ترانزيستور استفاده مي‌شود که‌ يکي از آن‌‌ها الکترون‌‌ها و ديگري حفره‌‌ها را استفاده مي‌کند. اما تحرک حفره‌‌ها در سيليکون بسيار کم است و اين موضوع مانعي براي عملکرد مفيد تراشه است.

در سال‌‌هاي اخير، توليدکنندگان ابزارهاي الکترونيکي براي بالا بردن تحرک حفره‌‌ها در سيليکون، اتم‌‌هاي ژرمانيوم را به آن افزوده اند. مشکل ديگري که سيليکون دارد اين است که در دماهاي بالا عملکردش به شدت تحت تأثير قرار گرفته و افت مي‌کند. در IC‌‌هاي مدرن با ميلياردها ترانزيستور، گرماي قابل توجهي توليد مي‌شود. توليد کننده‌‌ها همواره در تلاشند تا با ساخت فن‌‌ها و خنک کننده‌‌هاي مناسب، دماي سيستم را پايين بياورند. نيمه‌رساناهايي مانند گاليم نيتريد و سيليکون کاربيد در دماهاي بالا نيز عملکرد مناسبي دارند و جايگزيني اين مواد با سيليکون در برخي ابزارهاي پرحرارت مانند آمپيلي فايرها آغاز شده است. 

و در آخر بايد گفت که سيليکون در انتقال نور بسيار ضعيف است. در ليزرها، نمايشگرهاي LED و ساير ابزارهاي فوتونيک که اين روزها رايج هستند ، از نيمه‌رساناهايي غير از سيليکون استفاده مي‌شود. نتيجه‌ي اين پديده اين است که دو صنعت کاملاً متمايز در حال رشد هستند: سيليکون براي الکترونيک و ترکيب‌‌هاي نيمه‌رسانا براي فوتونيک. اين شرايط چند سالي است که برقرار است، اما توليد کنندگان تمايل دارند الکترونيک و فوتونيک را روي‌يک تراشه ادغام کنند.

مواد جديد براي آينده:
از ميان همه‌ي موادي که دانشمندان آن‌‌ها را بررسي مي‌کنند تا جايگزين سيليکون شوند، سه ماده هستند که احتمالاً مي‌توانند در کوتاه مدت به بهبود شرايط ابزارهاي الکترونيکي کمک کنند.

اولين ماده با تحرک ضعيف حفره‌‌ها در سيليکون مرتبط است. هم اکنون براي بالا بردن تحرک حفره‌‌ها در سيليکون، مقدار کمي‌ژرمانيوم به آن اضافه مي‌شود. اما محققان معتقدند که ساخت ترانزيستورهاي تماماً ژرمانيومي‌ روش بهتري است. ژرمانيوم اولين ماده‌ي نيمه‌رسانايي بود که در ابزارهاي الکترونيکي استفاده شد. پس مي‌توان گفت استفاده‌ي دوباره از اين عنصر نوعي «بازگشت به آينده» است. البته اين جايگزيني هزينه‌‌هايي را نيز در بر دارد که متوجه توليدکنندگان است.

دومين ماده مربوط به اکسيدهاي فلزي است. سيليکون دي اکسيد سال‌‌هاي زيادي در ترانزيستورها مورد استفاده بود. اما کوچک سازي لايه‌ي سيليکون دي اکسيد منجر به نازک شدن اين لايه و از دست دادن خواص فيزيکي‌اش شد. به نحوي که ترانزيستور ديگر عملکرد مطلوبي نداشت. هم اکنون ماده‌ي کمياب‌‌ هافنيوم دي اکسيد به عنوان عايق ترانزيستورها استفاده مي‌شود و جستجو براي‌ يافتن ‌يک عايق مناسب ديگر، همچنان ادامه دارد.

جالب توجه‌ترين جايگزين سيليکون، ترکيب‌‌هايي موسوم به نيمه‌رساناهاي III-V هستند که شامل اينديوم آرسنيد و اينديوم آنتيمونيد نيز مي‌شوند. تحرک الکترون در اين نيمه‌رساناها 50 برابر بيشتر از سيليکون است. ترکيب اين مواد با ترانزيستورهاي غني از ژرمانيوم منجر به افزايش سرعت قابل توجهي در عملکرد سيستم مي‌شود.

البته جايگزيني سيليکون از آنچه به نظر مي‌رسد، سخت‌تر است. سيليکون، ژرمانيوم، اکسيدها و مواد III-V همگي ساختار کريستالي دارند و چگونگي عملکردشان به شبکه‌‌هاي بلوري آن‌‌ها بستگي دارد. ما  نمي‌توانيم به سادگي اين کريستال‌‌ها را با هم ترکيب کنيم و به نتيجه‌ي دلخواهمان برسيم. چالش مهمي‌ که در اين راه وجود دارد، عدم تطابق شبکه‌‌هاي بلوري است.

جنبه‌‌هاي مختلف سيليکون:

سيليکون با وجود همه‌ي محدوديت‌‌هايي که دارد، به عنوان ماده‌اي سازگار، مقاوم و در دسترس شناخته شده است و توليد آن کمترين هزينه‌‌ها را شامل مي‌شود. بنابراين علي‌رغم تيترهاي جديدي مانند «پايان سيليکون» که اين روزها زياد به چشم مي‌خورد، بايد گفت که سيليکون هنوز هم ‌يکه‌تاز عرصه‌ي الکترونيک است و با وجود حمايت‌‌هايي که صنايع جهاني از اين ماده دارند، بعيد است که ما در طول عمر خود شاهد حذف شدن سيليکون از بازار الکترونيک باشيم.

بسياري از پيشرفت‌‌هايي که در حوزه‌ي الکترونيک رخ مي‌دهند از طريق ارتقاي کيفي سيليکون‌‌ها از طريق افزودن مواد ديگري به آن‌‌ها است. کمپاني‌‌هايي مانند IBM و Intel و لابراتوارهاي دانشگاه‌‌ها زمان و هزينه‌‌هاي زيادي را صرف اين کار مي‌کنند و نتيجه‌ي آن هم دستيابي به ترکيبي از سيليکون، ژرمانيوم و مواد III-V است که تا چند سال آينده در بازار به توليد انبوه خواهد رسيد.

ترکيب‌‌هاي نيمه‌رسانا هم‌اکنون کاربردهايي در نمايشگر‌‌هاي LED و صفحه‌‌هاي خورشيدي دارند. با توجه به اينکه ابزارهاي الکتروني همواره کوچک‌تر و پيشرفته‌تر مي‌شوند، لازم است تا ترکيب‌‌هاي پيچيده‌تر و پيشرفته‌تري نيز ساخته شوند.

 آينده‌ي الکترونيک روشن است و به نظر مي‌رسد دست کم تا چندين سال آينده اين حوزه متکي بر سيليکون است. سيليکوني که کم کم در شکل‌‌هاي مختلف و در ترکيب با مواد مختلف در وسايل الکترونيکي ظاهر مي‌شود.

منبع:

Phys.org

منابع مفيد:

کاربرد نقاط کوانتمي در سلول‌هاي خورشيدي-۱

کاربرد نقاط کوانتمي در سلول‌هاي خورشيدي-۲

کامپيوترهاي کوانتمي 

کريستالوگرافي چيست؟

بازدهي سلول‌هاي خورشيدي

سلول‌هاي خورشيدي چگونه کار مي‌کنند؟

ابر رسانايي

فوتونيک

سالروز تولد ترانزيستور

الکترونيک

ترانزيستور دوقطبي

سيليکون

الکترونيک-ويکيپديا

Silicon in Electronics

Electronics and you

Silicon and Germanium

Diodes

Semiconductors