في مجال أشباه الموصلات، نتناول حاليًا العديد من المواضيع المتعلقة بالمواد والأجهزة والاستثمار، وغيرها. ولكل موضوع تركيزه الخاص. فالمواد المستخدمة هي ببساطة مواد أشباه موصلات من الجيل الثالث ذات فجوة نطاق واسعة؛ أما الأجهزة فهي في الأساس MOS وHEML وغيرها، وهي مواد تعتمد على فجوة نطاق واسعة، وقد تحدثنا عنها سابقًا. لن أتطرق إلى تفاصيل الاستثمار واتجاهات الصناعة ومعلومات الشركات وسوق الأسهم، وما إلى ذلك. سنتحدث اليوم عن تاريخ صناعة أشباه الموصلات ونتعرف على بداياتها.    
           

تُثير الصمامات الثلاثية المفرغة من الهواء "المشاكل"

بالحديث عن الصمام الثلاثي المفرغ، فقد اخترعه لي ديفورست عام 1906، مما أتاح صناعة الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل أجهزة الراديو والتلفزيون. وكان بمثابة العقل المدبر لأول حاسوب إلكتروني في العالم. شغل مساحة تقارب 140 مترًا مربعًا ووزنه 30 طنًا. استخدم ما يقارب 19,000 صمام مفرغ وآلاف المقاومات والمكثفات. يتكون الصمام الثلاثي المفرغ من شبكة وقطبين كهربائيين يفصل بينهما الشبكة داخل حيز زجاجي محكم الإغلاق. هذا الحيز مفرغ من الهواء، مما يمنع احتراق المكونات ويسهل حركة الإلكترونات بحرية.  
   
له وظيفتان رئيسيتان: التبديل والتضخيم. يشير التبديل إلى تشغيل التيار وإيقافه، بينما يشير التضخيم إلى تضخيم التيار أو الإشارات الضعيفة مع الحفاظ على خصائص الإشارة الأصلية. ومع ذلك، توجد عدة عيوب، مثل كبر الحجم، وسهولة فك التوصيلات، وقصر العمر الافتراضي، وسرعة التلف.  
أدت هذه السلسلة من أوجه القصور إلى تطويره أو استبداله حتمًا. في عام 1949، اخترع جون باردين، ووالتر براتين، وويليام شوكلي من مختبرات بيل (ويليام شوكلي) مضخمًا إلكترونيًا مصنوعًا من مادة الجرمانيوم شبه الموصلة، والذي كان أول جيل من الترانزستورات (وقد فاز هؤلاء العلماء الثلاثة بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1956). كان يُطلق على الترانزستور في الأصل اسم "مقاوم النقل"، ثم أُعيد تسميته لاحقًا إلى ترانزستور.  
   
يجمع هذا النوع من الترانزستورات بين وظائف الصمام المفرغ، وهو من النوع الصلب، أي لا يحتاج إلى فراغ، ويتميز بصغر حجمه وخفة وزنه وانخفاض استهلاكه للطاقة وطول عمره. ومنذ ذلك الحين، دخلنا "عصر الترانزستورات الصلبة"، وهو ما شهدناه بكثرة حتى الآن.  
أدى التطور من أول ترانزستور إلى العديد من أجهزة إلكترونيات الطاقة الحالية إلى تطور سريع في تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة. تُعرف هذه الأجهزة عمومًا بالأجهزة المنفصلة، ​​أي أن كل شريحة تحتوي على مكون واحد فقط. ومن الأجهزة الأخرى المتعلقة بأشباه الموصلات والتي لم نتطرق إليها سابقًا الدوائر المتكاملة.      
       

دورة موحدة

الدائرة المتكاملة (Integrated circuit) هي جهاز إلكتروني دقيق يستخدم عملية معينة لربط الترانزستورات والمقاومات والمكثفات والمحاثات والمكونات والأسلاك الأخرى المطلوبة في الدائرة على ركيزة أشباه الموصلات، ثم يتم تغليفها في غلاف أنبوبي لتشكيل بنية دقيقة ذات وظائف الدائرة المطلوبة.  
تم اختراع أول دائرة متكاملة بواسطة جاك كيلبي من شركة تكساس إنسترومنتس، لكنها لم تكن بالشكل الذي نعرفه اليوم.  
كانت تُوصل في البداية بأسلاك منفصلة، ​​لكن جان هورني من شركة فيرتشايلد كاميرا كان قد طور سابقًا عملية تصنيع مسطحة تُشكل وصلات إلكترونية على سطح الشريحة لصنع الترانزستورات، مستفيدًا من سهولة تشكيل أكسيد السيليكون العازل. ثم طبق روبرت نويس هذه التقنية لتوصيل الأجهزة المنفصلة المُشكلة مسبقًا على سطح السيليكون، مُشكلاً في النهاية النمط المستخدم في جميع الدوائر المتكاملة.  
         

الحرفية والاتجاهات

منذ عام 1947، بدأت صناعة أشباه الموصلات بالتحسن والتطور التكنولوجي، ولا تزال تشهد هذا التطور حتى اليوم. ويمكن عزو تحسينات العمليات إلى فئتين رئيسيتين: العمليات والبنية.  
تحسين العمليات: تصنيع الأجهزة والدوائر بأحجام أصغر، مما يسمح لها بأن تكون ذات كثافة أعلى، وكميات أكبر، وموثوقية أعلى.  
التحسينات الهيكلية: تتيح الابتكارات في تصميمات الأجهزة الجديدة أداءً أفضل، وتحكمًا أفضل في استهلاك الطاقة، وموثوقية أعلى.  
يمكن فهم الآثار المترتبة على هذين التحسينين جيدًا من خلال تاريخ تطوير أجيال عديدة من ترانزستورات IGBT. وبالطبع، يمكن إرجاع العديد من العوامل التي ذكرناها سابقًا، مثل بعض العيوب في عملية تصنيع المعدات، إلى تحسينات في عملية التصنيع.  
يُعدّ حجم وعدد المكونات في الدوائر المتكاملة من أبرز مؤشرات تطورها. يُعبّر عن حجم المكون بأصغر حجم في التصميم، والذي يُعرف بحجم نمط الميزة. وقد استفاد التطور من الدوائر المتكاملة صغيرة الحجم إلى ملايين الرقائق الحالية من تصغير حجم نمط الميزة للمكون الواحد، والذي بدوره استفاد من التحسين الكبير في عملية نقش آلات الطباعة الضوئية وتقنية الأسلاك متعددة الطبقات. ويُناقش هذا الأمر بكثرة في الوقت الحاضر، مثل رقائق 22 نانومتر، و10 نانومتر، وحتى 7 نانومتر، وغيرها. ويُعدّ مصطلح "عرض البوابة" أكثر دقة، حيث نتحكم في عرض جزء من البوابة. وتستفيد الترانزستورات الأصغر والأسرع والدوائر ذات الكثافة الأعلى من عروض البوابات الأصغر. وفي هذا السياق، لا بدّ من ذكر "قانون مور" الذي صادفته كثيرًا في الماضي. فقد تنبأ غوردون مور، أحد مؤسسي شركة إنتل، عام 1965 بأن عدد الترانزستورات على الرقاقة سيتضاعف كل 18 شهرًا. بعد سنوات من التحقق الفعلي، أصبح هذا المعدل دقيقًا نسبيًا، وشكّل أساسًا للتنبؤ بكثافة الترانزستورات على الرقائق في المستقبل. وبحسب عدد الأجهزة في الدائرة، أي مستوى التكامل، يمكن تقسيمها إلى عدة مستويات: التكامل على نطاق صغير (SSI): من 2 إلى 50 وحدة/رقاقة؛ التكامل على نطاق متوسط ​​(MSI): من 50 إلى 5000 وحدة/رقاقة؛ التكامل على نطاق واسع (LSI): من 5000 إلى 100000 وحدة/رقاقة؛ التكامل على نطاق واسع جدًا (VLSI): من 100000 إلى 1000000 وحدة/رقاقة؛ التكامل على نطاق واسع جدًا جدًا (ULSI): أكثر من 1000000 وحدة/رقاقة.  
لا يتطور قانون مور بلا حدود مع مرور الوقت، بل يحده بشكل أساسي محدودية مواد أشباه الموصلات وطرق تحضيرها. لذا، نسمع أخبارًا تفيد بأن مادة السيليكون، وهي من أشباه الموصلات، تقترب من حدودها القصوى. لذلك، من الضروري تطوير مواد جديدة وتحسين المعدات والتصاميم باستمرار.  
         

حجم الرقائق والويفر

نعلم جميعًا أن الرقائق الإلكترونية تُصنع على رقائق رقيقة من السيليكون أو مواد أشباه الموصلات الأخرى التي تسمى الرقائق.  
 
ينتج عن تصنيع رقاقة مستطيلة على رقاقة دائرية مساحة غير قابلة للاستخدام متبقية على حافة الرقاقة. ومع ازدياد حجم الرقاقة، تتسع هذه المساحات غير القابلة للاستخدام، لذا يتم اعتماد رقاقات أكبر حجماً تدريجياً، مما يقلل من حجم الرقاقة ظاهرياً، ويحسن كفاءة الإنتاج ووفرته. وهذا أحد أسباب تغير حجم الرقاقة من 6 بوصات إلى 8 بوصات، ثم إلى 12 بوصة.  
تتقلص أحجام الرقائق الإلكترونية اليوم باستمرار، وتنخفض تكاليفها، بينما يرتفع أداؤها بشكل ملحوظ. ويعود ذلك إلى تحسينات عمليات التصنيع وتطوير المعدات التي ذكرناها سابقاً، مما أدى أيضاً إلى اشتداد المنافسة في صناعة أشباه الموصلات.  
يوجد حاليًا ثلاثة أنواع رئيسية من المصنّعين: مصنّعو الأجهزة المتكاملة (IDM): الذين يدمجون التصميم والتصنيع والتغليف والمبيعات؛ ومصنّعو الرقائق: حيث يقوم موردون آخرون بتصنيع الرقائق؛ ومصنّعو الرقائق بدون مصانع (Fabless): الذين يقتصر دورهم على تصميم الرقائق وبيعها، بينما تُعهد معظم العمليات الأخرى إلى جهات خارجية. وبالطبع، توجد نماذج أخرى متداخلة. في الوقت نفسه، أدى توطين صناعة أشباه الموصلات إلى ازدياد عدد مصنّعي أشباه الموصلات المحليين، وتزايد نماذج الشركات.  
         

اكتب في النهاية

في الوقت الراهن، يُعدّ توطين صناعة أشباه الموصلات اتجاهاً سائداً، ولا يعتمد ذلك على عدد الشركات المحلية فحسب، بل أيضاً على قدرة هذه الشركات على البقاء في ظل هذه الظروف المتقلبة. باختصار، إذا كان لديك متسع من الوقت لمواكبة تقلبات السوق، فاستعدّ للانطلاق نحو آفاق جديدة!