إذا قِيل لك ابحث حول أحد العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات عليك اختيار العنصر الأهم والأكثر شيوعًا، والتحدث عن كل ما يخصه من مميزات وكيفية استخدام صحيحة، ومن خلال موقع زيادة نوفر لك الوقت والجُهد ونمنحك مثال نموذجي للحل.
ابحث حول أحد العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات
تحتاج صناعة الإلكترونيات إلى عناصر شبه موصلة ذات مقاومة متوسطة ما بين مقاومة المواد الموصلة، والمواد العازلة، حيث تحتاج إلى ترانزستور قادر على التشغيل والإيقاف وفقًا للرغبة الشخصية.
فنجد أن مقاومة المواد الموصلة منخفضة، تتسبب في تمرير التيار الكهربائي بسهولة تامة، أما مقاومة المواد العازلة تكون مرتفعة للغاية، مما يُعيق تدفق الإلكترونات بشكل طبيعي أو يتم إبطاؤها.
أما عنصر السيليكون فهو مادة شبه موصلة، تتراوح مقاومتها ما بين المقاومة الخاصة بالمواد الموصلة والعازلة، لذا بالرغم من وجود مواد أخرى شبه موصلة، إلا أنه يتم اختياره دائمًا على أنه أهم وأفضل عنصر من عناصر تصنيع الإلكترونيات.
علاوة على ذلك فهو من أكثر العناصر الموجودة بشكل وفير على كافة مناطق سطح الأرض، مما يُتيح للمُصنعين فرصة العثور عليه دون الحاجة إلى استيراده من المناجم الإفريقية الخاصة، أو القيام عمل معالجات مكلّفة ومُسببة للتلوث للحصول عليه من مواد أخرى.
أيضًا من أبرز أسباب اختيار السيليكون كأهم عنصر داخل في صناعة الإلكترونيات هو سهولة التعامل معه، كما يُمكن تحويله إلى بلورات مُرتبة تمامًا بشكل فعّال ومضمون، على أن تكون البلورات شبيهة للماس بالنسبة إلى الكربون.
اقرأ أيضًا: أنواع الألومنيوم واستخداماته
خصائص عنصر السيليكون
يُشتق اسمه من الكلمة اللاتينية silicis أو silex، والتي تُعني الحجر الصلب، أو الصوان، والرمز الخاص به هو Si، وعند عمل بحث عن السيليكون كأحد أهم العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات لا بُد من ذكر خصائصه تفصيليًا، والتي تنقسم إلى خصائص فيزيائية، وأخرى كيميائية.
أولًا: الخصائص الفيزيائية
- يُعد واحدًا من أشباه الموصلات، وهي أنقى صورة له.
- عدده الذري هو 14
- وزنه الذري086
- نقطة غليانه 3265 درجة مئوية (5909 درجة فهرنهايت).
- درجة انصهاره 1410 درجة مئوية (2570 درجة فهرنهايت).
- حالة الأكسدة الخاصة به -4، (+2)، +4
- درجة كثافته 33 غرام / سم 3.
- يُمكن العثور عليه بأكثر من شكل، إما بلورات شبيهة للإبرة، أو سوداء، أو رمادية اللون، أو لامعة، أو ألواح مسطحة.
ثانيًا: الخصائص الكيميائية
- يُشبه المعادن في سلوكها الكيميائي.
- تشتد حِدة تفاعله في درجات الحرارة المرتفعة.
- يتميز بالبريق المعدني، ودرجة الهشاشة العالية.
- يُعد من العناصر غير النشطة نسبيًا عندما يوضع في درجة حرارة الغرفة.
- يدخل في تكوين السبائك في الحالات المنصهرة.
- يُمكن أن يتحد مع الفوسفور، والنيتروجين، والأكسجين.
استخدامات عنصر السيليكون
إن السيليكون يُمثل أهم العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات، لكن له العديد من الاستخدامات الأخرى أيضًا، والتي يتم بعضٌ منها من خلال المواد المصنوعة منه.
- تصنيع السيراميك والطوب بنوعيه، العادي والحراري.
- يدخل في صناعة السبائك، من أبرزها المتكوّنة من الألومنيوم، والحديد، مما يجعله عامل مساعد بشكل كبير في توسيع نطاق صناعة الصلب.
- يدخل في صناعة أجهزة الترانزستورات والإلكترونيات الدقيقة، وأجهزة الحاسب.
- مطاط السيليكون يُستخدم في أنظمة العزل المائي في الأسقف، والأنابيب، والحمّامات.
مركبات السيليكون
لا تعتبر صناعة الإلكترونيات المُهمة الوحيدة للسيليكون، وإنما يتم تكوين مركبات منه، لها استخدامات عديدة ومتنوعة.
1- مركبات الهاليدات
يتكون معظمها من الكربيدات، عندما تتفاعل هاليدات رابع السيليكون مع الهالوجينات المستقرة، على عكس ما يحدث مع رباعي الهاليدات الكربونية، حيث تذوب وتتحلل سريعًا في الماء بكل سهولة.
2- كربيد السيليكون
يتكون من تفاعل السيليكون مع الكربون، وهي أحد أكثر المركبات شيوعًا، حيث تستخدم على نطاق واسع، خاصةً في صناعة مساحيق التلميع، أو طحن المواد الأخرى، مع العلم أنه يتمتع بالخصائص الحرارية.
3- أحماض السيليك
يتواجد هذا النوع من المركبات بشكل طبيعي في المحفورات والترسيبات الجيولوجية، ويُعتبر المادة الطبيعية الداخلة في دروع بعض أنواع الطحالب، ويُمكن العثور عليه بشكل صناعي يُعرف باسم “زجاج سيليكون”.
4- مركبات السيلان
إحدى المركبات غير العضوية، التي تتواجد على شكل غاز عديم لون، والذي يُعد شديد التفاعل عند تعرضه إلى الهواء، حيث يُمكن صنع النيران من خلاله بسهولة، كما أنه غير مستقر إذا تم الاحتفاظ به في درجة حرارة الغرفة.
5- مركبات السيليكا
السيليكا هو الاسم المختصر لثاني أكسيد السيليكون، والذي يتكوّن بشكل أساسي من الجرانيت، والحجر الرملي المُستخدم في صناعة الزجاج، ومرشحات المياه، والمواد الكاشطة، ويُمكن استخدامه كمادة مُضافة إلى الغذاء أيضًا.
اقرأ أيضًا: ثاني أكثر العناصر تواجد بعد الهيدروجين
السبائك المصنوعة من السيليكون
يدخل السيليكون أيضًا في العديد من أنواع السبائك الموجودة حول العالم، والتي يتم تشكيلها عبر الجمع بين عنصرين أو أكثر في محلول معدني قوي، ومن أشهرها سبائك النحاس والألومنيوم، والتي تستخدم في مجموعة كبيرة من التطبيقات.
لجعل السبائك أكثر قابليّة للتصنيع يجب إضافة بعض العناصر التي تجعلها أكثر سيولة، وترفع من مقاومتها للحرارة، وتُخفض من درجة هشاشتها.
يتم ذلك وفقًا لطريقة التصنيع المستخدمة، لكن بشكل عام يُعد السيليكون من أفضل العناصر التي تدخل في صناعة سبائك النحاس والألومنيوم، وذلك يرجع إلى مجموعة من الأسباب.
- خلوّ السيليكون من المواد السامة، وإمكانية العثور على كميات وفيرة منه بسهولة.
- تقوية السبائك بشكل ملحوظ.
- يسمح بإخراج الأكسجين من النحاس عند العمل، وهي العملية الضرورية لصنع السبائك المعدنية، بشرط عدم التأثير على درجة هشاشتها، أو قوة شدها.
- زيادة مقاومة التآكل لدى النحاس الأصفر.
- في حال إضافة السيليكون إلى الألومنيوم تًصبح السبيكة المعدنية أكثر مرونة، دون التأثير السلبي على المعدن وتكسيره في درجات حرارة عالية.
- أيضًا يُحسن من الحالة الهيكلية للألومنيوم، حيث يُقلل من فرصة حدوث تقلص له عند استخدامه في تطبيقات الصّب، وهي الخاصية المرغوبة بشكل ضروري عند صناعة مصبوبات مُعقدة رقيقة.
صناعة شرائح السيليكون
يلعب السيليكون دور هام جدًا في تقليل التكاليف المطلوبة للإنتاج، حيث يدخل في صناعة البلورات الضخمة التي تقترب جدًا من المثالية، وهي إحدى المهارات المطلوبة لتصنيع شرائح الحاسب الحديثة، حيث يتم تقطيع تلك البلورات بعد ذلك إلى شرائح رقيقة، ثم نقشها ومعالجتها بطرق متعددة.
ثم تُقطع إلى مكعبات في قالب فردي، حتى يتم تعبئتها في معالجات تجارية، وفي عصرنا هذا أصبح من الشائع تصنيع بلورات السيليكون التي تُعرف باسم السبائك في أسطوانات قطرها 300مم.
العناصر الكيميائية في صناعة الإلكترونيات
أحد العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات قد يكون عنصر كيميائي، حيث يوجد حوالي 17 عنصر نادر على سطح الأرض، يدخل كلًا منهم في صناعة الإلكترونيات بشكل أساسي.
1- عنصر التنتالوم
يُصنف كواحد من العناصر الفلزات الانتقالية النادرة، ورمزه هو Ta، وعدده الذري هو 73، ويتميز بصلابته ولونه الأزرق المائل إلى الرمادي، يُمكن العثور عليه في منطقة جبل أبو دباب في البحر الأحمر بجمهورية مصر، وهو من أكثر العناصر المستخدمة في صناعة الإلكترونيات، حيث يدخل في صناعة كثير من المواد.
- آلات تشغيل المعادن.
- معدات العمليات الكيميائية.
- مراوح الطائرات النفاثة.
- الصناعات الدقيقة للطائرات.
- أجزاء من الصواريخ.
- المفاعلات النووية.
- معدات الجراحة.
يتميز التنتالوم بقدرته الفعّالة على تشكيل الروابط المباشرة مع الأنسجة الصلبة، وهو ما يجعله من المواد المستخدمة في صناعة الأجهزة المزروعة في الجسم البشري، كما أن الأكسيد الخاص به يدخل في صناعة الزجاج ذو المعامل الحراري العالي، والذي غالبًا ما يستخدم في صناعة عدسات الكاميرات.
2- عنصر النيوديميوم
يُصنف ضمن قائمة عناصر اللانثانيدات، ويُعد من العناصر الفلزية النادرة التي تم اكتشافها عام 1885م على يد العالم الكيميائي النمساوي كارل أوير فون، ورمزه هو Nd، وعدده الذري هو 60، يتميز بلونه الأبيض الفضي، لكنّه يفقد بريقه بسهولة إذا تعرّض إلى الهواء.
على الرغم من تصنيفه أنه ضمن العناصر النادرة إلا أن استخدامه شائع إلى حدٍ ما، حيث يتم توزيعه على نطاق واسع على سطح الأرض، لكن يتم استخراج معظم كميته الموجودة حول العالم من الصين.
من أهم استخدامات عنصر النيوديميوم أنه يدخل في صناعة السبائك المستخدمة في صُنع المغناطيس ذو القوة العالية، وهو ما يدخل بشكل شائع في صناعة مواد محددة.
- المحركات الكهربائية ذات الأداء العالي من نوع DC.
- مكبرات الصوت الاحترافية.
- الميكروفونات الإلكترونية.
- الأقراص الصلبة في أجهزة الكمبيوتر.
- الأنواع الكبيرة من مغناطيس النيوديميوم تدخل في صناعة المحركات الكهربائية عالية القوة مقابل الوزن، وهي ما تستخدم في السيارات الهجينة.
مع العلم أنه من العناصر ذات الشحنة الموجبة تمامًا، والتي تتفاعل مع الماء البارد ببطء، على عكس ما يحدث مع الماء الساخن، وما ينتج عن هذا التفاعل هو هيدروكسيد النيوديميوم.
3- عنصر الإنديوم
يدخل قائمة العناصر الفلزية النادرة المستخدمة في صناعة الإلكترونيات، منذ أن تم اكتشافها من قِبل فرديناند ريتش، وهيرونيموس ثيودور ريتشر عام 1863م في ألمانيا، وعدده الذري هو 49
يُشتق اسم الإنديوم من كلمة indicum، التي تُشير إلى اللون النيلي، وهو اللون الذي يظهر به العنصر في السبكتروسكوب، يتميز بدرجة عالية من الليونة، ويظل على حالته مستقرًا في كلٍ من الهواء والماء، أما في الأحماض يذوب.
غالبًا ما يُستخدم في صناعة أشباه الموصلات، ومعدات الأسنان، لكنه يُستخدم أيضًا في تغطية الموصلات ذات السرعات العالية، وذلك عندما يتواجد في خامات الخارصين، أيضًا يُمكن صُنع سبيكة منه تساعد على تقليل درجة انصهار بعض الأنواع من الفلزات الأخرى.
اقرأ أيضًا: أنواع السيليكون واستخداماته
4- عنصر الهافنيوم
يُعد واحدًا من أشهر العناصر التي تدخل في صناعة الإلكترونيات، وأهم الفلزات الانتقالية التي تُشبه الزركونيوم في خواصه الكيميائية، حتى أنه يتواجد في العديد من معادن الزركونيوم، رمزه Hf، وعدده الذري هو 72، ويتميز بلونه الرمادي المائل إلى الفضي اللامع.
هو ثاني آخر عنصر ثابت يتم اكتشافه بعد الرينيوم، والجدير بالذكر أن اسمه يُشتق من اسم “هافنيا” وهو المُسمى اللاتيني لعاصمة الدنمارك “كوبنهاون/ كوبنهاغن” حيث تم اكتشافه.
يدخل في صناعة أشباه الموصلات، أما الأكسيد الخاص به يُعد من المواد العازلة للكهرباء ذات الكفاءة العالية، حيث إنه أكثر فعاليّة في تقليل الكمية المفقودة من التيار من مادة الترانزستور.
هناك العديد من الخصائص التي يجب أن تتوافر في العنصر حتى يكون مثاليًا في صناعة الأجهزة الإلكترونية، ولا شك أن هناك تباين في المثالية بين العديد من العناصر.