مواد نیمههادی از نظر قیمت و دسترسی، از سیلیکون فراوان تا عناصر گران‌قیمت کمیاب زمین (REEs) متنوع هستند. سلول‌های خورشیدی، ترانزیستورهای اثر میدانی، حسگرهای اینترنت اشیا و مدارهای خودروهای خودران همگی برای عملکرد به این مواد نیاز دارند. دنیای مدرن به‌طور واقعی وجود خود را به نیمه‌هادی‌ها و موادی که در تولید آنها به کار می‌رود، مدیون است.
با رسیدن مواد نیمههادی موجود به محدودیت‌های فیزیکی خود، مواد جدید جایگزین آنها می‌شوند. این بازار به همراه کاربردهای نوین نیمههادی، در حال تحول در فرآیندهای تولید و تأمین مواد در صنعت است.
انواع مواد نیمههادی
برای درک تغییرات در صنعت تولید نیمههادی، لازم است با مواد نیمههادی موجود و تأثیر ساختار آنها بر دستگاه‌های الکترونیکی آشنا شویم. اخبار صنعتی آخرین اطلاعات درباره قیمت‌ها و تحقیقات مواد را ارائه می‌دهد، اما معمولاً فرض می‌کند که خواننده از خواص و محدودیت‌های فعلی مواد آگاهی دارد.
پرکاربردترین مواد نیمههادی کدامند؟
متداول‌ترین مواد نیمههادی شامل سیلیکون، ژرمانیم و آرسنید گالیوم هستند. از این میان، ژرمانیم یکی از اولین مواد نیمههادی مورد استفاده بوده که دارای چهار الکترون والانس است. تعداد الکترون‌های والانس در یک ماده نیمههادی تعیین‌کننده رسانایی آن است. با اینکه ژرمانیم در تاریخ تکامل نیمه‌هادی‌ها اهمیت دارد، اما به‌طور کلی به دلیل برتری سیلیکون، به تدریج از استفاده خارج شده است.
سیلیکون از دهه 1950 به‌عنوان ماده‌ای نیمههادی به‌طور گسترده‌ای استفاده شده و دومین عنصر فراوان زمین پس از کربن است. این ماده نیز دارای چهار الکترون والانس است و دمای ذوب آن (1,414 درجه سلسیوس) بالاتر از ژرمانیم (938.3 درجه سلسیوس) است. سیلیکون به‌خوبی در سنگ‌های کوارتز یافت می‌شود و فرآیندهای استخراج و تصفیه آن کارآمد و اقتصادی هستند.
آرسنید گالیوم به‌عنوان دومین نیمههادی رایج امروز شناخته می‌شود. بر خلاف سیلیکون و ژرمانیم، آرسنید گالیوم یک ترکیب است که از ترکیب گالیوم (با سه الکترون والانس) و آرسنیک (با پنج الکترون والانس) تشکیل شده است. هشت الکترون والانس در این ترکیب باعث می‌شود تا دستگاه‌های آرسنید گالیوم به سرعت به سیگنال‌های الکتریکی پاسخ دهند، که آن را برای تقویت سیگنال‌های با فرکانس بالا در ماهواره‌های تلویزیونی مناسب می‌کند. اما آرسنید گالیوم چالش‌هایی دارد؛ تولید انبوه آن دشوارتر از سیلیکون است و مواد شیمیایی به‌کار رفته در تولید آن سمی هستند.
موثرترین مواد نیمههادی کدامند؟
علاوه بر آرسنید گالیوم، ترکیب دی‌اکسید سیلیکون ویژگی‌هایی برتر از سیلیکون دارد که آن را به‌عنوان یک عایق، لایه پسیو و لایه ساخت در دستگاه‌های سیلیکون اکسید فلزی (MOS) قابل استفاده می‌کند. این نوع ترانزیستور، یک ترانزیستور اثر میدانی با گیت عایق است. دی‌اکسید سیلیکون دارای استحکام دی‌الکتریک بالا و شکاف انرژی وسیع‌تری نسبت به سیلیکون است که آن را به یک عایق مؤثر تبدیل می‌کند. همچنین این ترکیب به‌راحتی بر روی مواد دیگر رسوب می‌کند.
برخی از جدیدترین نوآوری‌ها در مواد نیمههادی چیست؟
در حالی که سیلیکون به‌عنوان مهم‌ترین ماده در تولید نیمه‌هادی‌ها در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم شناخته می‌شود، به نظر می‌رسد که به سقف کارایی خود نزدیک شده است. تقاضا برای مدارهای یکپارچه کوچکتر و سریعتر، کارایی این ماده را به حداکثر خود رسانده و کارشناسان صنعت نگرانند که سیلیکون به زودی به محدودیت‌های قانون مور برسد. تحقیقات در مورد مواد جدید در حال انجام است و برخی از این مواد نویدبخش آینده‌ای روشن هستند:
- نیترید گالیوم با توان بالا به‌دلیل میدان انرژی بحرانی بالای خود می‌تواند برای تبدیل‌های برق کارآمدتر و سریعتر در سیستم‌های شبکه برق به‌کار رود.
- نیمه‌هادی‌های مبتنی بر آنتیموان و بیسموت در حسگرهای پیشرفته مادون قرمز برای بخش‌های پزشکی و نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- گرافن پتانسیل این را دارد که به‌عنوان یک ماده نیمههادی چندمنظوره از سیلیکون پیشی بگیرد، اما تجاری‌سازی گسترده آن ممکن است تا بیست و پنج سال دیگر به طول بینجامد.
- پیریت می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای عنصر نادر کادمیوم تلورید استفاده شود که به‌طور گسترده در سلول‌های خورشیدی به‌کار می‌رود و منبع آن محدود است. پیریت فراوان، ارزان و غیرسمی است.
خواص مواد نیمههادی
مواد نیمههادی دارای ویژگی‌های خاصی در زمینه رسانایی الکتریکی هستند. آینده نیمه‌هادی‌ها بستگی به این دارد که آیا مواد جدید با این ویژگی‌ها می‌توانند به‌صورت انبوه و با هزینه‌ای مشابه سیلیکون تولید شوند.
ویژگی های متمایز مواد نیمههادی چیست؟
مواد دارای رسانایی الکتریکی به‌طور طبیعی به‌عنوان هادی‌ها شناخته می‌شوند. مثال‌هایی از هادی‌ها شامل طلا، نقره و مس هستند. از طرف دیگر، عایق‌ها دارای مقاومت بالا بوده و مانع از رسانایی الکتریکی می‌شوند؛ مانند لاستیک، شیشه و سرامیک.
نیمه‌هادی‌ها، همان‌طور که از نامشان پیداست، ویژگی‌هایی از هر دو گروه هادی‌ها و عایق‌ها را دارند. این مواد معمولاً به‌صورت کریستالی وجود دارند و تعداد کمی الکترون آزاد دارند که برای رسانایی لازم است. اتم‌های آنها به‌هم پیوسته و شبکه بلوری تشکیل می‌دهند که از طریق آن رسانایی الکتریکی ممکن است، اما تنها در شرایط مناسب.
در دماهای پایین، نیمه‌هادی‌ها رسانایی کمی دارند یا اصلاً رسانا نیستند و به‌عنوان عایق عمل می‌کنند. اما در دمای اتاق یا در معرض نور، ولتاژ یا حرارت، می‌توانند برق را هدایت کنند. این وضعیت چیزی بین هادی و عایق است که برای دستگاه‌های الکترونیکی بسیار مهم است، زیرا کنترل می‌کند که برق چگونه، چه زمانی و کجا جریان یابد.
نیمه‌هادی‌ها چگونه کار می‌کنند؟
فلزات برق را هدایت می‌کنند زیرا الکترون‌های آزاد آنها می‌توانند به‌طور آزاد بین اتم‌ها حرکت کنند؛ جریان الکتریکی نیاز به حرکت الکترون‌ها از یک اتم به اتم دیگر دارد. نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون خالص الکترون‌های آزاد کمتری دارند و بیشتر مانند عایق عمل می‌کنند.
رفتار سیلیکون می‌تواند از طریق فرآیندی به نام دوپینگ به سمت رسانایی هدایت شود. دوپینگ به معنی افزودن ناخالصی‌های کوچک به مواد نیمههادی است که اتم‌های «اهداکننده» را به ماده پایه اضافه می‌کند و موجب افزایش رسانایی می‌شود. مقدار ناخالصی‌های افزوده شده به مواد نیمههادی بسیار کم است: به‌طور تقریبی یک اتم اهداکننده در هر ده میلیون اتم نیمههادی. اما برای اجازه دادن به رسانایی الکتریکی کافی است.
در این فرایند دو دسته ناخالصی استفاده می‌شود: نوع N و نوع P:
- نیمه‌هادی‌های نوع N شامل فسفر یا آرسنیک هستند که هر دو دارای پنج الکترون والانس‌اند. هنگامی که به شبکه سیلیکون اضافه می‌شوند، یکی از الکترون‌های دوپینگ هیچ چیزی برای پیوند ندارد و بنابراین می‌تواند برای هدایت الکتریسیته استفاده شود. از آن‌جا که الکترون‌ها بار منفی دارند، این نیمه‌هادی‌ها به‌عنوان نیمه‌هادی‌های نوع N شناخته می‌شوند.
- نیمه‌هادی‌های نوع P با بور یا گالیوم دوپ می‌شوند. این دو عنصر دوپینگ تنها سه الکترون والانس دارند. وقتی با شبکه سیلیکون ترکیب می‌شوند، برخی از الکترون‌های سیلیکون هیچ چیزی برای پیوند ندارند و این امر باعث هدایت الکتریسیته می‌شود. کمبود یک الکترون بار مثبت ایجاد می‌کند، بنابراین سیلیکون دوپ شده با بور یا گالیوم به‌عنوان نیمههادی نوع P شناخته می‌شود.
مواد نیمههادی چگونه تولید می‌شوند؟
مواد نیمههادی هنگامی که مدارهای یکپارچه تولید می‌شوند، با قرار دادن اجزای مدار مانند ترانزیستورها و سیم‌کشی‌ها بر روی سطح یک ویفر نازک سیلیکونی ساخته می‌شوند. سپس فیلم نازک اجزای مدار با یک ماده فوتو حساس پوشیده می‌شود و الگوی مدار با استفاده از فناوری فتولیتوگرافی روی آن پروژکت می‌شود.
این فرآیند منجر به ایجاد یک لایه مدار می‌شود که ترانزیستورها در پایین‌ترین سطح قرار دارند. سپس این فرآیند تکرار می‌شود تا مدارهای متعددی روی یکدیگر و بر روی پایه نیمههادی تشکیل شود. فرآیند تولید نیمه‌هادی‌ها را به طور مفصل‌تر در مقاله تولیدکنندگان نیمههادی آورده‌ایم.
کاربرد مواد نیمههادی
تولید نیمههادی پایه‌گذار سخت‌افزار تقریباً تمامی دستگاه‌های الکترونیکی است و برای تقویت انرژی، سوئیچینگ، تبدیل انرژی، حسگرها و غیره استفاده می‌شود.
محصولات و اجزای رایج ساخته شده از مواد نیمههادی شامل موارد زیر هستند:
- ترانزیستورهای دوقطبی
- دیودها
- ترانزیستورهای اثر میدانی
- مدارهای یکپارچه
- ترانزیستورهای اثر میدانی اتصال
- دیودهای ساطع‌کننده نور (LED)
- ترانزیستورهای اثر میدانی سیلیکون اکسید فلزی (MOSFET)
- رکتفایرهای کنترل‌شده با سیلیکون
چه صنایعی بیشتر از مواد نیمههادی استفاده می‌کنند؟
مواد نیمههادی جزء ضروری دستگاه‌های الکترونیکی هستند و برای تقریباً همه صنایع بزرگ حیاتی‌اند. در سطح جهانی، روزانه بیش از صد میلیارد نیمههادی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
صنایعی که به‌طور خاص به مواد نیمههادی وابسته‌اند شامل موارد زیر هستند:
– هوش مصنوعی
– انرژی پاک
– ارتباطات
– محاسبات
– انرژی
– مراقبت‌های بهداشتی
– اینترنت اشیا
– نظامی
بازار مواد نیمههادی
بازار مواد نیمههادی به‌دلیل وابستگی تقریباً همه صنایع به دستگاه‌های الکترونیکی نسبتاً پایدار است. هزینه مواد مورد نیاز برای تولید اولیه تا بسته‌بندی نیمه‌هادی‌ها از سیلیکون و سرامیک‌های در دسترس تا فلزات نادر و گران‌قیمت متغیر است.
بازار جهانی مواد نیمههادی چگونه عمل می‌کند؟
بازار مواد نیمههادی در سال 2018 به بیش از 50 میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی می‌شود تا پایان 2025 به ارزش بیش از 70 میلیارد دلار برسد. نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) پیش‌بینی‌شده برای دوره 2018 تا 2025 حدود 4.32 درصد تخمین زده می‌شود.
چه چیزی مواد نیمههادی را تا این اندازه ارزشمند می‌کند؟
مواد نیمههادی به‌دلیل ویژگی‌های خاص خود ارزش زیادی دارند. در حالی که برخی از این مواد مانند سیلیکون ارزان و فراوان هستند، عناصر کمیاب زمین (REE) که در تولید دی‌الکتریک‌های با کای عالی و پولیش شیمیایی-مکانیستی استفاده می‌شوند، می‌توانند هزینه‌بر باشند.
چندین عامل به ارزش REE کمک می‌کند. فرآیندهای لازم برای جداسازی این عناصر از سنگ‌های حاوی آنها دشوار و پرهزینه است و شامل هزاران مرحله برای استخراج و تصفیه ماده نهایی می‌شود.
سختی استخراج REE از مواد خام باعث می شود بسیاری از شرکت‌های معدنی از پیگیری سود این عناصر صرف‌نظر کنند. چین یکی از معدود کشورهایی است که بر روی استخراج و تصفیه REE تمرکز دارد و 85 درصد از تأمین جهانی تنگستن و مولیبدن را تولید می‌کند.
تسلط چین بر تولید REE به این کشور اجازه می‌دهد تا نه‌تنها قیمت‌ها را تعیین کند بلکه از این ماده ارزشمند به‌عنوان یک سلاح سیاسی نیز استفاده کند. به‌عنوان مثال، در سال 2010، چین تمام فروش‌های REE به ژاپن را به‌دلیل اختلافی درباره بازداشت یک ماهی‌گیر چینی متوقف کرد. اینکه آیا چین در طول جنگ تجاری جاری با ایالات متحده از صادرات REE استفاده خواهد کرد، موضوعی قابل توجه است.
مواد نیمههادی چگونه بازیافت می‌شوند؟
با توجه به ارزش برخی از مواد نیمههادی، بازیافت و بازپس‌گیری عناصر کمیاب زمین (REE) و دیگر مواد ارزشمند گزینه‌های موجود هستند. در حال حاضر، بازیافت REE به‌ویژه در محصولات نیمههادی بزرگ‌مقیاس، مانند سلول‌های خورشیدی، کاتالیزورهای خودرو و مغناطیس‌های توربین‌های بادی موفقیت بیشتری دارد. همچنین REEها از باتری‌ها بازیابی می‌شوند.
بازیافت مواد نیمههادی کوچکتر به‌دلیل مقدار کمی که از هر محصولی مانند گوشی‌های هوشمند بازیابی می‌شود، از نظر مالی مشکل‌ساز است. همچنین بازیافت مواد نیمههادی بدون هزینه‌های زیست‌محیطی نیست: این فرآیند منجر به تولید زباله‌های قابل توجه و انتشار آلودگی‌های سمی متعدد می‌شود. ملاحظات اخلاقی نیز مطرح است، زیرا بسیاری از محصولات نیمههادی استفاده شده در مراکز بازیافت زباله‌های الکترونیکی در کشورهای در حال توسعه، که به استفاده از کودک کار معروف‌اند، پایان می‌یابند.
مشهورترین راه برای کاهش هزینه‌های REE این است که سایر کشورها شروع به استخراج و تصفیه معادن REE خود کنند. با این حال، این کار نیازمند تمایل به سرمایه‌گذاری در توسعه فرآیندهای استخراج و تصفیه هزینه‌کارآمد است.
