بحث عن أحد العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونياتو تستخدم الصناعات الإلكترونية العديد من العناصر الكيميائية الموصلة وغير الموصلة للتيار الكهربائي، كما تستخدم عناصر شبه موصلة وأهمها السيليكون.
بحث عن أحد العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات
عنصر السيليكون البسيط هو الأساس لمعظم الإلكترونيات اليوم. تعمل شرائح السيليكون المصنوعة من السيليكون على تشغيل كل شيء بدءًا من أجهزة الكمبيوتر العملاقة وحتى الهواتف الذكية وحتى أفران الميكروويف. يستخدم السيليكون في الأجهزة الإلكترونية لما له من خصائص خاصة جدًا. ومن أهم خصائصه أنه شبه موصل، أي أنه يوصل الكهرباء في بعض الظروف ويعمل كعازل في ظروف أخرى. من الممكن تعديل الخواص الكهربائية للسيليكون من خلال عملية تسمى المنشطات. هذه الخصائص تجعلها مادة مثالية لصنع الترانزستورات التي تعمل على تضخيم الإشارات الكهربائية. خصائص السيليكون ليست هي السبب الوحيد الذي يجعلها مثالية. بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، ولكن نظرًا لأن السيليكون هو أحد العناصر الأكثر وفرة على سطح الأرض، فهو العنصر الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية.
السيليكون
وهو عنصر كيميائي غير فلز ينتمي إلى عائلة الكربون وهي المجموعة 14 من الجدول الدوري. يشكل السيليكون 27.7% من القشرة الأرضية، وبالتالي فهو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، ولا يفوقه سوى الأكسجين.
السيليكون النقي تفاعلي للغاية بحيث لا يمكن العثور عليه في الطبيعة، ولكنه موجود في جميع الصخور تقريبًا وكذلك في الرمل والطين والتربة، ممزوجًا إما بالأكسجين مثل السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون SiO2) أو مع الأكسجين (وعناصر أخرى مثل: الألومنيوم). أو المغنيسيوم أو الكالسيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم أو الحديد) على شكل سيليكات.
تم عزل السيليكون غير المتبلور لأول مرة ووصفه كعنصر في عام 1824 من قبل الكيميائي السويدي يونس جاكوب بيرسيليوس. لم يتم تحضير السيليكون البلوري حتى عام 1854، عندما تم الحصول عليه كمنتج للتحليل الكهربائي. وفي شكله البلوري الصخري، كان السيليكون مألوفًا. وقد استخدمه المصريون القدماء في صناعة الخرز والمزهريات الصغيرة.
خصائص السيليكون
السيليكون هو أحد المعادن الموجودة في الطبيعة، وله نوعان من الخواص الفيزيائية والكيميائية.
الخصائص الفيزيائية للسيليكون
- يوجد السيليكون على شكل بلورات أو صفائح مسطحة تشبه الإبرة أو لامعة أو سوداء اللون.
- العدد الذري للسيليكون هو 14 وكتلته الذرية النسبية 28.085.
- كثافة السيليكون 2.3296 جرام لكل سنتيمتر مكعب.
- نقطة انصهار السيليكون هي 1410 درجة مئوية.
- درجة غليان السيليكون هي 3265 درجة مئوية.
- السيليكون في أنقى صوره هو أشباه الموصلات.
الخصائص الكيميائية للسيليكون
- يحتوي السيليكون على بريق معدني وهو هش للغاية.
- السيليكون مشابه جدًا للمعادن من حيث السلوك الكيميائي.
- في درجة حرارة الغرفة، يعتبر السيليكون عنصرًا غير نشط نسبيًا.
- السيليكون شديد التفاعل في درجات الحرارة العالية.
- يتحد السيليكون مع الأكسجين والفوسفور والنيتروجين وعناصر أخرى ، ويشكل سبائك في الحالة المنصهرة.
خصائص عنصر السيليكون
يتمتع السيليكون بالعديد من المميزات التي تميزه عن غيره من المعادن، ومن أهمها:
- السيليكون عبارة عن مادة معدنية صلبة وخاملة نسبيًا، ولها شكل بلوري هش للغاية ولها بريق معدني ملحوظ.
- يوجد السيليكون بشكل رئيسي في الطبيعة على شكل أكاسيد وسيليكات.
- لا يتفاعل الشكل الصلب للسيليكون مع الأكسجين والماء ومعظم الأحماض.
- يتفاعل السيليكون مع الهالوجينات.
- يتمتع السيليكون أيضًا بخاصية غير عادية (مثل الماء) حيث يتمدد عندما يتجمد.
يستخدم السيليكون
يستخدم السيليكون في العديد من المجالات، أهمها:
- يستخدم السيليكون في إنتاج السيراميك والطوب والطوب الحراري.
- ويستخدم السيليكون في صناعة العديد من السبائك مثل الألومنيوم والسيليكون، وكذلك الفيروسيليكون المعروف باسم الحديد والسيليكون والذي يستخدم على نطاق واسع في صناعة الصلب.
- يستخدم مطاط السيليكون في أنظمة العزل المائي في الحمامات والأسطح والأنابيب.
- كونه أشباه الموصلات، يتم استخدام السيليكون في الترانزستورات، والالكترونيات الدقيقة، وصناعة الكمبيوتر.
رمز السيليكون
الرمز الكيميائي لعنصر السيليكون هو (Si). اسم السيليكون مشتق من الكلمة اللاتينية silex أو silicis، والتي تعني “الصوان” أو “الحجر الصلب”. يحتوي السيليكون على الخصائص التالية:
- العدد الذري: 14.
- الوزن الذري: 28,086.
- نقطة الانصهار: 1410 درجة مئوية (2570 درجة فهرنهايت).
- نقطة الغليان: 3265 درجة مئوية (5909 درجة فهرنهايت).
- كثافة: 33 جرام/سم3 3.
- حالة الأكسدة: −4، (+2)، +4.
مركبات السيليكون
يدخل السيليكون في العديد من المركبات أهمها:
- السيلان: وهو مركب غير عضوي يوجد على شكل غاز عديم اللون. عند تعرضه للهواء، يكون هذا المركب شديد التفاعل ويمكن أن يشتعل بسهولة. أنها غير مستقرة في درجة حرارة الغرفة.
- كربيد السيليكون: مركب كيميائي من السيليكون والكربون، كربيد السيليكون يستخدم على نطاق واسع كمسحوق تلميع أو طحن للمواد الأخرى وله خصائص حرارية.
- السيليكا: يتم تصنيع السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون) بشكل أساسي من الجرانيت والحجر الرملي، ويستخدم في صناعة الزجاج والمواد الكاشطة ومرشحات المياه وكمضافات غذائية وغيرها الكثير.
- هاليدات: تشكل مركبات السيليكون، ومعظمها من الكربيدات، رباعي هاليدات السيليكون عندما تتفاعل مع الهالوجينات المستقرة، وعلى عكس رباعي هاليدات الكربون، فإنها تتحلل بسهولة في الماء.
- أحماض السيليك: يوجد حمض السيليسيك بشكل طبيعي في الحفريات والرواسب الجيولوجية. كما أنها المادة الطبيعية الموجودة في دروع بعض الطحالب. وهو نوع صناعي ويسمى “زجاج السيليكون”.
سبائك السيليكون
يتم استخدام النحاس والألومنيوم في مجموعة من التطبيقات حول العالم، ويتم إضافة العديد من العناصر إلى الألومنيوم وسبائك النحاس لجعلها أكثر قابلية للمعالجة، اعتمادًا على طريقة التصنيع المستخدمة، حيث يمكن لهذه الإضافات أن تجعل المعادن أكثر مرونة عند العمل، و كما أنها تزيد من مقاومتها للحرارة وتقلل من هشاشتها، ويعتبر السيليكون أحد العناصر التي يمكن العثور عليها في كل من سبائك النحاس والألومنيوم. يستخدم السيليكون في السبائك للأسباب التالية:
- السيليكون عنصر كيميائي غير سام ومتوفر بكثرة، لذلك يستخدم على نطاق واسع في صناعة السبائك.
- عند إضافة السيليكون إلى الألومنيوم، فإن السيليكون يجعل السبائك المعدنية أكثر مرونة، دون تشقق المعدن عند درجات حرارة عالية.
- يخفض السيليكون درجة انصهار الألومنيوم.
- فائدة أخرى لإضافة السيليكون إلى الألومنيوم هو أنه يحسن بعض الخصائص الهيكلية. فهو يجعل الألومنيوم ينكمش بشكل أقل عند استخدامه في تطبيقات الصب. هذه الخاصية المعدنية مرغوبة للغاية عند صنع المسبوكات الرقيقة المعقدة.
- يؤدي إضافة السيليكون إلى النحاس إلى زيادة قوة السبيكة بشكل كبير.
- يمكن للسيليكون أن يجعل النحاس مقاومًا جدًا للتآكل.
- توفر سبائك النحاس والسيليكون موصلية أقل من سبائك النحاس الأخرى التي لا يضاف إليها أي شيء.
- فائدة أخرى مثيرة للاهتمام يوفرها السيليكون للنحاس هي أنه يسمح بإزالة الأكسجين من النحاس أثناء العمل. تعتبر عملية إزالة الأكسدة ضرورية عند تصنيع سبيكة، دون جعلها هشة ودون التأثير على قوة الشد.
صناعة رقائق السيليكون
إحدى المهارات الأساسية في تصنيع شرائح الكمبيوتر الحديثة هي زراعة بلورات سيليكون ضخمة وشبه مثالية. يتم بعد ذلك تقطيع هذه البلورات إلى شرائح رفيعة، ونقشها، ومعالجتها بمئات الطرق المختلفة قبل تقطيعها إلى قوالب فردية وتعبئتها في معالجات تجارية. في الوقت الحالي، يتم تصنيع البلورات من السيليكون (الذي يسمى “السبائك”) ويتم إنتاجه في أسطوانات قطرها 300 ملم، لكن الأبحاث تقترب بسرعة من عتبة 450 ملم، وهذا من شأنه أن يساعد في الحفاظ على انخفاض تكاليف الإنتاج، مما يسمح بمواصلة السرعة.
لماذا يستخدم السيليكون دائما في صناعة الأجهزة الإلكترونية؟
عند اختيار عنصر لاستخدامه كأساس لترانزستور الكمبيوتر، فإن الكلمة الأساسية هي المقاومة. تتمتع الموصلات بمقاومة منخفضة وتمرر التيار الكهربائي بسهولة شديدة، بينما تتمتع العوازل بمقاومة عالية، مما يؤدي إلى إبطاء أو منع تدفق الإلكترونات. بالنسبة للترانزستور، يجب أن يكون قابلاً للتشغيل والإيقاف حسب الرغبة، نحتاج إلى مادة شبه موصلة، وهي مادة ذات مقاومة متوسطة بين الموصل والعازل، ويعتبر السيليكون من أكثر العناصر استخداماً في صناعة الأجهزة الإلكترونية للأسباب التالية:
- السيليكون هو أشباه الموصلات.
- على الرغم من أن السيليكون ليس المادة شبه الموصلة الوحيدة على الأرض، وليس حتى أفضل أشباه الموصلات…