ما المقصود بأشباه الموصِّلات؟

تُعرَف المواد التي توصل الكهرباء بالموصِّلات، في حين تُعرَف المواد التي لا توصل الكهرباء بالعوازل. تمتلك أشباه الموصِّلات خصائص فريدة تجعلها تعمل على كِلتا الحالتين، إذ يمكنها توصيل الكهرباء في ظروف معينة ومقاومتها في ظروف أخرى. تجعل هذه الخاصية الفريدة أشباه الموصِّلات مثالية للتقنيات مثل شرائح الكمبيوتر، وشرائح الذكاء الاصطناعي (AI) وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) التي تعتمد على توصيل كمية كبيرة من الطاقة عبر مساحة صغيرة. 

في معظم التقنيات الحديثة، تعمل أشباه الموصِّلات كمفاتيح كهربائية صغيرة، تقوم بإيقاف وتشغيل التيار بشكل متكرر لتمكين مرور الكهرباء. تختلف موصِّلية أشباه الموصِّلات -أي سهولة أو صعوبة مرور التيار الكهربائي خلالها- اعتمادًا على التيار والجهد.

تُستخدَم أشباه الموصِّلات على نطاق واسع في العديد من الصناعات، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الشخصية (PC) والإلكترونيات المنزلية والسيارات والتصنيع الصناعي وغيرها. وفقًا لتقرير حديث صادر عن رابطة صناعة أشباه الموصِّلات (SIA)، ارتفعت مبيعات أشباه الموصِّلات من 139 مليار دولار أمريكي في 2001 إلى 526 مليار دولار أمريكي في 2023. ويمثِّل هذا النمو معدل نمو سنوي مركَّب (CAGR) بنسبة 6%^.1

يمكن أن يُعزى معدل الابتكار السريع في صناعة أشباه الموصِّلات إلى حد كبير إلى قانون Moore، وهو القانون الذي ينص على أن سرعة وقدرة أجهزة الكمبيوتر تتضاعف كل عامين. في صناعة أشباه الموصِّلات، ينطبق قانون Moore على عدد الترانزستورات التي يجب أن تحتويها الشريحة الدقيقة لمواكبة الطلب المتزايد على أجهزة الحوسبة. يسعى المصنِّعون الرائدون باستمرار إلى إيجاد طرق لمضاعفة عدد الترانزستورات كل عامين، لضمان استمرار التقدم في تقنيات أشباه الموصِّلات.

معظم أشباه الموصِّلات مصنوعة من البلورات؛ بسبب خصائصها الذرية الفريدة. بينما تحتوي معظم العناصر الموصِّلة الشائعة على إلكترون واحد في غلافها الخارجي، تمتلك أشباه الموصِّلات أربعة إلكترونات. هذا العامل وعوامل أخرى تجعل بلورات أشباه الموصِّلات (عادةً السيليكون) مثالية للتحكم في التيارات الكهربائية التي تعتمد عليها الأجهزة التكنولوجية الحديثة والمعقدة.

للتحكم في تدفق الكهرباء عبر الدوائر والأجهزة الإلكترونية، يوجِّه المهندسون حركة الإلكترونات في أشباه الموصِّلات من خلال إنشاء مناطق مشحونة إيجابيًا وسلبيًا، وهي عملية تُعرَف باسم التطعيم (Doping).

في إنتاج أشباه الموصِّلات، يُعَد التطعيم عملية يتم فيها إدخال شوائب، تُعرَف أيضًا بذرّات الشوائب، عمدًا في شبكة بلورية لأشباه الموصِّلات لتعديل خصائصها الكهربائية. من خلال إدخال ذرات التنشيط، يستطيع المهندسون جعل المادة أكثر أو أقل موصِّلية. هناك نوعان من التطعيم: النوع N والنوع P.

• التطعيم من النوع N: هو النوع الذي يضيف فيه المهندسون عناصر تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات التكافؤية مقارنةً بالمادة المضيفة. يؤدي هذا التغيير إلى زيادة عدد حاملات الشحنة الحرة في الذرّة، ما يجعل مادة أشباه الموصِّلات أكثر موصِّلية مما كانت عليه سابقًا.

• التطعيم من النوع P: يجعل التطعيم من النوع P أيضًا المادة أكثر توصيلًا، ولكن باستخدام طريقة مختلفة قليلًا. في التطعيم من النوع P، تُضاف عناصر تحتوي على عدد أقل من الإلكترونات التكافؤية مقارنةً بالمادة المضيفة، ما يُنشئ ما يُعرَف في علوم الكمبيوتر باسم "الفجوة" (hole): مكان مفقودة فيه الإلكترونات التي عادةً ما تحمل الشحنة وتزيد من الموصِّلية.

عادةً ما يتم تصنيف أشباه الموصِّلات إلى نوعين رئيسيين: داخلية وخارجية. وفيما يلي نظرة فاحصة على الاختلافات بينهما.

• أشباه الموصِّلات الداخلية: هي أشباه موصِّلات مصنوعة من مادة واحدة نقية لم يتم تعديلها بأي شكل من الأشكال. غالبًا ما يُطلق على أشباه الموصِّلات الداخلية اسم "أشباه الموصِّلات العنصرية"، إذ إن العديد منها عناصر معروفة في الجدول الدوري، مثل الكربون والبورون والسيليكون والجرمانيوم.

• أشباه الموصِّلات الخارجية: أشباه الموصِّلات الخارجية هي أشباه موصِّلات خضعت للتطعيم والتلويث المتعمّد لتغيير موصِّلية المادة. تُعَد أشباه الموصِّلات العاملة بترددات الراديو (RF)، على سبيل المثال، خارجية لأنها تجمع بين مواد مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وأنتيمونيد الإنديوم (GaN) والسيليكون (Si) التي تمكِّن أشباه الموصِّلات من العمل عند ترددات راديو أعلى.

أجهزة أشباه الموصِّلات هي مكونات إلكترونية تستخدم الموصِّلات والعوازل للتحكم في تدفق التيارات الكهربائية. أكثر أنواع أجهزة أشباه الموصِّلات شيوعًا هو الترانزستور، وهو مكوِّن إلكتروني صغير ومتين يُستخدَم في تشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

حتى تم اختراع الترانزستورات في عام 1947، كانت الأنابيب المفرّغة تُستخدم على نطاق واسع للغرض نفسه. أثبتت الترانزستورات أنها أكثر إحكامًا وكفاءة من الأنابيب المفرّغة، وسرعان ما حلت محلها. اليوم، تُستخدم الترانزستورات في مجموعة واسعة من الأجهزة، بما في ذلك شرائح الكمبيوتر، والمعالجات الدقيقة، والسيارات، والأجهزة الروبوتية، وغيرها. تتميز الترانزستورات بمرونتها العالية؛ فبالإضافة إلى عملها كموصِّلات وعوازل، يمكنها أيضًا العمل كمفاتيح ومضخِّمات ومقوِّمات كهربائية.

• المفاتيح: هي عناصر في أجهزة أشباه الموصِّلات يتم تشغيلها أو إيقافها للتحكم في تدفق التيار الكهربائي.

• المضخِّمات: دوائر تعمل على زيادة شدة الإشارة الداخلة في جهاز إلكتروني.

• المقوِّمات: هي أجهزة أشباه موصِّلات صغيرة، تُعرَف أيضًا بثنائيات المقوِّم، تعمل على تحويل التيار الكهربائي من تيار متناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC) عن طريق السماح بمرور الكهرباء في اتجاه واحد فقط.

يتم تصنيع أشباه الموصِّلات في المصانع المتخصصة، وهي شركات ذات خبرة عالية تركِّز حصريًا على تصنيع أشباه الموصِّلات، بينما تُترك مهام التصميم والتوزيع للآخرين. نظرًا لعدة عوامل، تقع معظم معامل تصنيع أشباه الموصِّلات في العالم في تايوان.

اليوم، يتم تصنيع 60% من شرائح أشباه الموصِّلات في العالم وأكثر من 90% من الشرائح المتقدمة على الجزيرة الصغيرة نسبيًا تايوان.² أدى امتلاك تايوان لقوى عاملة ماهرة للغاية، وابتكارها نموذج foundry لصناعة أشباه الموصِّلات، إلى سيطرتها شبه التامة على سوق أشباه الموصِّلات.

ربما تُعَد شركة تايوان لصناعة أشباه الموصِّلات (TSMC)، التي تأسست عام 1987، أشهر معامل تصنيع الشرائح في العالم، حيث تُنتج أكثر الشرائح تقدّمًا للعملاء مثل Apple وNVIDIA. 

اليوم، جعلت هيمنة TSMC على سوق أشباه الموصِّلات منها جزءًا أساسيًا من سلسلة التوريد العالمية لأشباه الموصِّلات. ونتيجةً لذلك، أصبحت تايوان محورًا جيوسياسيًا في استراتيجيات السياسة الخارجية لدول كبرى مثل الصين والولايات المتحدة.

يتم تصنيع أشباه الموصلات من خلال عملية دقيقة تُعرَف بتصنيع الرقائق، والتي تبدأ بتقطيع مادة أشباه الموصِّلات إلى شرائح رقيقة. تُعَد رقائق السيليكون الأكثر شيوعًا، لكنها تُصنع أيضًا من زرنيخيد الغاليوم وكربيد السيليكون والجرمانيوم وغيرها.

بعد تصنيع الرقاقة، يتم تلميعها وصقلها عبر سلسلة من الآلات المتخصصة للغاية، ثم يتم تثبيت الدائرة المتكاملة (IC) على سطحها من خلال أربع خطوات دقيقة ومعقدة.

• الخطوة 1. الأكسدة: قبل تركيب الدائرة المتكاملة (IC)، يجب تنظيف الرقاقة مسبقًا باستخدام ماء منزوع الأيونات وعالي النقاء. بعض أنواع الرقائق، وخاصةً رقائق السيليكون، يتم تسخينها خلال هذه المرحلة وتعريضها للأكسجين النقي، وهي طريقة تُعرَف باسم التأكسد الحراري.

• الخطوة 2. الإخفاء: خلال مرحلة الإخفاء في تصنيع أشباه الموصِّلات، يتم استخدم الأقنعة الضوئية وهي قوالب دقيقة للغاية لإنشاء أنماط على الرقائق، وهي عملية تُعرَف بالتصوير الضوئي. كل قناع يؤدي دورًا حيويًا في تحديد تصميم الدوائر الإلكترونية في أشباه الموصِّلات ومدى كفاءتها كدائرة متكاملة (IC).

• الخطوة 3. الحفر: في مرحلة الحفر من عملية التصنيع، تتم إزالة المواد غير الضرورية من الرقاقة لإعطائها نمطًا أو شكلًا محددًا. مثل مرحلة الإخفاء، تُعَد عملية الحفر مهمة لإنشاء الدوائر المتكاملة (ICs) وغيرها من الأجهزة التي لها غرض محدد ويجب تثبيتها على سطح الرقاقة.

• الخطوة 4. التطعيم: أخيرًا، يتم تصنيع مواد أشباه الموصِّلات الخارجية عن طريق إضافة شوائب إلى البنية البلورية لتغيير خصائصها الكهربائية. المركَّبات المستخدمة خلال هذه المرحلة تشمل زرنيخيد الغاليوم وأنتيمونيد الإنديوم والعديد من أنواع الأكاسيد.

خلال الـ 75 عامًا الماضية، أصبحت أشباه الموصِّلات حجر الزاوية للعديد من التقنيات الحديثة. منذ البدايات المبكرة للحوسبة وحتى انتشار الإنترنت ووسائل التواصل الاجتماعي وتقنيات الأجهزة المحمولة والذكاء الاصطناعي، أدَّت أشباه الموصِّلات دورًا حيويًا في تمكين الأجهزة الإلكترونية من العمل. وفيما يلي بعض أهم فوائد أشباه الموصِّلات.

تمكِّن أشباه الموصِّلات من استخدام معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة، وبالتالي فإن لها حالات استخدام تشمل العديد من الصناعات. وفيما يلي بعض من أكثرها شيوعًا.

تُستخدَم أشباه الموصِّلات وأجهزة أشباه الموصِّلات مثل الدوائر المتكاملة (ICs) وأجهزة الاستشعار ورقائق أشباه الموصِّلات على نطاق واسع في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المختلفة. من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمول إلى الأجهزة المنزلية الذكية والمساعد الافتراضي وأجهزة التلفاز وغيرها، تدعم أشباه الموصِّلات الأجهزة التكنولوجية التي يعتمد عليها معظم المستهلكين في حياتهم الخاصة والمهنية.

تستخدم السيارات الحديثة العديد من الميزات التي اعتاد الناس توقعها من هواتفهم الذكية وأجهزة الكمبيوتر، مثل التعرُّف على الصوت والاتصال اللاسلكي وإمكانية بثّ أنواع مختلفة من الوسائط. تدعم شرائح أشباه الموصِّلات التقنيات التي تستخدمها السيارات لتمكين هذه الميزات، ما يسمح للركاب بالوصول إلى الإنترنت، وسماع البريد الصوتي والرسائل النصية مقروءة، والحصول على الإرشادات، وغير ذلك.

أصبحت أشباه الموصِّلات وشرائح أشباه الموصِّلات ذات أهمية بالغة في المجال الطبي، حيث تُعَد أساسية لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة والتطبيقات الطبية. تشغِّل أشباه الموصِّلات الأجهزة التي تُتيح التصوير الطبي والتشخيص ومراقبة المرضى وغيرها، ما يسمح بنقل البيانات الحيوية التي تساهم في تحسين العلاجات ونتائج المرضى في الوقت شبه الفعلي.

التصنيع الذكي، المعروف أيضًا باسم الصناعة 4.0، هو دمج التقنيات الرقمية الحديثة مثل إنترنت الأشياء (IoT) والذكاء الاصطناعي والحوسبة السحابية في عمليات التصنيع. في التصنيع الذكي، تشغِّل أشباه الموصِّلات وشرائحها المستشعرات المتقدمة والبرمجيات المدمجة والروبوتات التي تجمع وتحلل البيانات داخل المصانع، ما يساهم في تبسيط العمليات القديمة وغير الفعَّالة.