ما هو السيليكون ولماذا تصنع منه رقائق الكمبيوتر؟

قد يبدو الأمر وكأنه سؤال سخيف ، سؤال يمكن الإجابة عليه ببضع كلمات قصيرة: السيليكون هو العنصر الرابع عشر في الجدول الدوري. إنه أحد المكونات الأساسية للكون ، بروتون واحد أثقل من الألومنيوم ، وبروتون أخف من الفوسفور. ومع ذلك ، يظهر السيليكون ، أكثر من أي عنصر آخر تقريبًا ، في كثير من الأحيان على موقع مثل 2007es.com - فهو مكون رئيسي في مواد البناء التي يتكون منها منزلك ، وهو أساس جميع معالجات الكمبيوتر الحالية ، وهو الأكثر مرشح محتمل لتأسيس حياة غريبة غير قائمة على الكربون. ما الذي يجعل السيليكون مميزًا جدًا؟

حسنًا ، الكثير من الأشياء.



السيليكون لبنة



من بين السمات المميزة للسيليكون أنه ، بكل بساطة ، هناك الكثير منه. بعد الأكسجين ، فهو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية - لكن لا تتوقع أن تجده موجودًا في الجوار. يكاد لا يوجد السيليكون أبدًا في حالة نقية في الطبيعة ، ويأتي دائمًا كمركب مع عناصر أخرى. هو الأكثر شيوعًا على شكل سيليكات (SiO4، أو ذرة سيليكون واحدة مرتبطة بأربع ذرات أكسجين) والسيليكا (SiOاثنان، أو ذرة سيليكون واحدة مرتبطة بذرتين من الأكسجين). السيليكا ، في صورة خشنة وشديدة التلوث ، هي المكون الأساسي للرمل. يعتمد الفلسبار والجرانيت والكوارتز وغير ذلك على مركبات السيليكون والأكسجين.

امزج هذا بالماء والحصى وأنت

امزج هذا بالماء والحصى ، وستحصل على الخرسانة.



تحتوي مركبات السيليكون على مجموعة متنوعة من الخصائص المفيدة ، غالبًا لأنها يمكن أن تربط الذرات الأخرى بإحكام شديد ، وفي ترتيبات معقدة. تعتبر السيليكات المختلفة ، مثل سيليكات الكالسيوم ، مكونًا أساسيًا للأسمنت البورتلاندي ، والمواد الرابطة الرئيسية في الخرسانة والملاط وحتى الجص. يمكن تسخين بعض المواد الغنية بالسيليكات لإنتاج السيراميك المتصلب مثل البورسلين ، بينما يندمج البعض الآخر لتشكيل الشكل الأساسي للزجاج في العالم ، وهو زجاج الصودا والجير. ويمكن أن يكون السيليكون مفيدًا أيضًا كمادة مضافة أثرية في مواد أخرى ، مثل الحديد الزهر ، الذي يستخدم كلاً من الكربون والسيليكون لجعل الحديد أكثر مرونة وأقل هشاشة.

ونعم ، السيليكون هو أيضًا المكون الهيكلي الرئيسي لسيليكون المواد الاصطناعية ، لكن لا تخلط بين الاثنين - إذا كان بالفعل سيليكون فالي ، فإن عالم التكنولوجيا مكان مختلف تمامًا عما نراه اليوم.

السيليكون كرقاقة كمبيوتر



عند اختيار عنصر لاستخدامه كأساس لترانزستور الكمبيوتر ، فإن الكلمة الأساسية هي المقاومة. تتميز الموصلات بمقاومة منخفضة ، وتمرير التيار الكهربائي بسهولة شديدة ، بينما تتمتع العوازل (كما هو متوقع) بمقاومة عالية ، وتبطئ أو تمنع تدفق الإلكترونات. بالنسبة للترانزستور ، الذي يجب أن يكون قادرًا على التشغيل وإيقاف التشغيل حسب الرغبة ، فإننا نحتاج إلى نصف-موصل ، مادة ذات مقاومة بين مادة موصل وعازل. يمكن معالجة أفضل أشباه الموصلات للصناعة بمجموعة متنوعة من 'dopants' لضبط مقاومتها بدقة ، حسب الحاجة.

بلورة سيليكون نقية ، تسمى سبيكة.

بلورة سيليكون نقية ، تسمى سبيكة.

السيليكون ليس المادة الوحيدة شبه الموصلة على الأرض - إنه ليس حتى أفضل أشباه الموصلات على وجه الأرض. ما هو ، إلى حد بعيد ، أشباه الموصلات الأكثر وفرة على وجه الأرض. السيليكون متوفر بسهولة في جميع أنحاء العالم ؛ لا تحتاج إلى استيراده من مناجم أفريقية خاصة ، أو القيام بمعالجة مكلفة وملوثة لأشهر للحصول على البعض. من السهل التعامل معها ، والأهم من ذلك ، توصل العلماء إلى طرق موثوقة لتنميتها إلى بلورات مرتبة تمامًا. هذه البلورات للسيليكون مثل الماس للكربون.

تعد زراعة بلورات السيليكون الضخمة شبه المثالية إحدى المهارات الأساسية في تصنيع شرائح الكمبيوتر الحديثة. يتم بعد ذلك تقطيع هذه البلورات إلى شرائح رقيقة ، ثم نقشها ومعالجتها ومعالجتها في بعض الأحيان بمئات الطرق المختلفة قبل تقطيعها إلى مكعبات في القالب الفردي وتعبئتها في معالجات تجارية. من الممكن صنع ترانزستورات فائقة من أشياء مثل الكربون ، وحتى مواد أكثر غرابة مثل الجرمانيوم ، لكن لا أحد منها يسمح بهذا النوع من تصنيع السيليكون بكميات كبيرة الذي يسمح به النمو البلوري الكبير - على الأقل ، ليس بعد.

في الوقت الحالي ، تُصنع بلورات السيليكون (تسمى 'سبائك') في أسطوانات قطرها 300 مم ، ولكن البحث يقترب بسرعة من عتبة 450 مم. يجب أن يساعد ذلك في الحفاظ على انخفاض تكاليف الإنتاج ، وبالتالي السماح للسرعة بالاستمرار في الارتفاع ، لعقد آخر على الأقل أو نحو ذلك. بعد ذلك؟ قد لا يكون هناك خيار أخيرًا سوى التخلي عن السيليكون لشيء أقل وفرة وسهل العمل - أخبار جيدة لسرعات المعالجة ، ولكن من المؤكد تقريبًا أنها أخبار سيئة لمحفظتك.

السيليكون كحياة غريبة

السيليكون 5

يتم طرح عبارة 'الحياة القائمة على الكربون' كثيرًا ، ولكن ماذا تعني حقًا؟ وهذا يعني أن الجزيئات الهيكلية الأساسية التي تتكون منها أجسامنا (البروتينات والأحماض الأمينية والأحماض النووية والأحماض الدهنية وغيرها) مبنية على هياكل من ذرات الكربون. ذلك لأن الكربون له خاصية عظيمة تتمثل في كونه 'رباعي التكافؤ'. يمكن للأكسجين تكوين رابطتين كيميائيتين ثابتتين في وقت واحد (مما يؤدي إلى الماء ، أو H.اثنانO) والنيتروجين ثلاثة فقط (مما يؤدي إلى الأمونيا أو NH3) ، ولكن يمكن للكربون أن يحتفظ بثبات بما يصل إلى أربع ذرات مختلفة في وقت واحد (وبالتالي يعطينا الميثان أو CH4). التكافؤ الرباعي هو أساس قوي لبناء جزيئات قوية ومعقدة هندسيًا ، وقد سمح هذا الثنائي من الفضائل الكيميائية بتطور جميع أشكال الحياة المعروفة حاليًا في الكون.

ستار تريك

ستار تريكمن المفترض أن Horta تعتمد على السيليكون.

ومع ذلك ، إذا عرفنا كيف يتم تنظيم الجدول الدوري ، فإننا نعلم أن العناصر الموجودة في العمود الرأسي لها خصائص كيميائية متشابهة - وتحت الكربون مباشرة ، يوجد السيليكون. هذا هو السبب في أن مؤلفي الخيال العلمي قضوا الكثير من الوقت والحبر لفكرة الحياة القائمة على السيليكون. نظرًا لكونه رباعي التكافؤ بحد ذاته ، فإن السيليكون هو العنصر الهيكلي البديل الأكثر قبولًا في أشكال الحياة الجديدة تمامًا. يسعد السيليكون أيضًا بالارتباط بقوة مع ذرات السيليكون الأخرى (تمامًا مثل الكربون إلى الكربون) ويمكنه بالتالي تثبيت بعض التماثلات في مكانها. يُفترض أن كلاهما ضروري للسماح بتطور الحياة.

بالطبع ، مع كون السيليكون أكثر وفرة على الأرض من الكربون ، يجب أن يكون هناك سبب لكوننا عضويين (قائم على الكربون) ، بدلاً من السيليكون - وهذا السبب يعود إلى الجدول الدوري. بدون الخوض في الكثير من التفاصيل ، فإن العناصر التي تكون منخفضة عموديًا في الجدول الدوري لها نوى أثقل وأغلفة إلكترونية أكبر ؛ السيليكون أكبر فيزيائيًا وأثقل من الكربون ، مما يجعله أقل ملاءمة للمهام فائقة الدقة ، مثل الحمض النووي المؤتلف. يعتبر السيليكون أيضًا أقل تفاعلًا على نطاق واسع من الكربون ، مما يعني أن الحياة القائمة على السيليكون يمكن أن تكون أقل تنوعًا كيميائيًا ، أو تتطلب مجموعة أكبر بكثير من إنزيمات السيليكون المحركة للتفاعل لإجبار المركبات غير المرغوب فيها كيميائيًا على الظهور.

حقيقة أن جميع أشكال الحياة على الأرض عضوية ، على الرغم من أن عدد ذرات السيليكون على الكوكب يفوق عدد ذرات الكربون تقريبًا بألف إلى واحد ، يمكن أن يكون مؤشرًا على مدى احتمالية حدوث ذلك في مكان آخر من الكون. هناك الكثير من الأنواع هنا التي تستخدم السيليكون إلى حد أو آخر ، لكن لا أحد يستخدمه كعنصر بنيوي للحمض النووي. من المؤكد أن الحياة القائمة على السيليكون ممكنة ، ولكن إذا كانت موجودة ، فهناك فرصة جيدة لن تتمكن أبدًا من التقدم إلى مستوى التعقيد الذي يسمح به الكربون هنا في المنزل.

السيليكون وأنت

سيستمر السيليكون في الظهور في موجز الأخبار الخاص بك لسنوات عديدة قادمة. حتى عندما ينظر البعض إلى الكربون والعناصر الأخرى غير السيليكونية كمنصة للجيل القادم من الحوسبة ، والتي ستكون ضرورية إذا أردنا مواصلة الاتجاه التاريخي الأسي في قوة الحوسبة ، يظل السيليكون هو المادة المفضلة في العديد من المجالات. هل سنجد طرقًا جديدة ومثيرة للتحكم في معالجتها للإلكترونات؟ ربما. هل سنجد أنها تكمن وراء كل أشكال الحياة في الكون ، باستثناء تلك التي نشأت على الأرض؟ ربما لا ، رغم أنه ممكن. على أقل تقدير ، لسنا قريبين من التخلي عن استخدامه كمورد بناء ، لأن مركبات السيليكون هي أساس الصخور التي تشكل الغالبية العظمى من قشرة الأرض.

من الممكن أننا على وشك ترك السيليكون وراءنا - لكن ذلك لم يكن أقل من ذلك قبل 20 عامًا. في جميع الاحتمالات ، ستظل واحدة من أهم المواد لتطور إتقان الإنسان للعالم المادي.

Copyright © كل الحقوق محفوظة | 2007es.com