ما هي الرقائق الإلكترونية (أشباه الموصلات) كل ما بجي عليك معرفته

ما هي الرقائق الإلكترونية وما هي أهميتها في عصرنا الحالي. هذان السؤالان من الأسئلة الشائعة بين الناس، خاصة بعدما ظهرت للعلن أزمة نقص الرقائق الإلكترونية خلال فترة وباء كوفيد19 الذي ضرب العالم بأسره. وعلى العموم تعرف هذه الرقائق الذكية بأنها ذات أهمية كبيرة في الصناعات التكنولوجية المتطورة، لذلك فإن نقص الرقائق ينعكس سلباً على تلك الصناعات، وقد يوقفها أو يؤدي إلى تباطؤها. 

ما هي الرقائق الإلكترونية

تعرف الرقاقة الالكترونية بأنها عبارة عن شريحة صغيرة تتكون من مكونات متعددة هي: الثنائيات والمقاومات فضلاً عن الترانزستورات. وتكون هذه الشريحة مصنوعة من مادة شبه موصلة تعرف بـ السيليكون. وهي إلى ذلك تتميز بوجود طبقات متعددة من النحاس ورقائق أشباه الموصلات (semiconductor wafer) ومواد أخرى مختلفة. وعلى العموم قد يدخل في تصنيع الرقائق الإلكترونية عدد هائل من المكونات الموجودة كلها في مساحة متناهية الصغر.

وعلى العموم عرف العالم صناعة الرقائق أو أشباه الموصلات منذ القرن العشرين، وهي إلى ذلك تدخل في تصنيع مجموعة كبيرة من أجهزة الإلكترونيات الحديثة. وتتميز هذه الرقائق بقدرتها الفريدة على تخزين كمية ضخمة من المعلومات والبيانات، مما يجعلها عنصراً جوهرياً تعتمد عليه الصناعات الخاصة بأجهزة الكومبيوتر. فمن دون هذه الرقائق الالكترونية المتطورة، التي تعرف أيضاً باسم الدوائر المتكاملة، ستصبح عملية تصنيع جهاز كمبيوتر صعبة جداً لأن حجمه سيكون ضخماً للغاية.

تصميم ومكونات الرقائق الإلكترونية الحديثة

تطورت عملية تصنيع الرقائق مع مرور الوقت. وفي عصرنا الحالي أصبحت هذه الدوائر المتكاملة معقدة جدا بشكل لا يوصف. فهذه الرقائقة قادرة حالياً على تجميع مليارات الترانزستورات والمكونات الأخرى ضمن شريحة صغيرة واحدة فقط. والمقصود هنا أن الرقاقة تكون عبارة عن قطعة واحدة تضم مكونات فردية مدمجة مباشرة في بلورة السيليكون، وذلك عوضاً عن تركيبها عليها.

وعادة تقوم صناعة الرقائق الإلكترونية على مستويات متعددة من التجريد (abstraction). وعموماً تعرف رقاقات أشباه الموصلات المستخدمة لتصنيع الرقائق الإلكترونية بأنه هشة كثيراً، وهي إلى ذلك تحتوي على العديد من نقاط الوصل المعقدة بين طبقاتها. ولكن نظراً لأن الرقاقة الواحدة تتكون من ملايين المكونات الموجودة في شريحة واحدة، فإن المصممين يستخدمون لغة برمجة مخصصة لأغراض معينة. وهم بذلك يكونون عناصر دارة صغيرة، ومن ثم يجمعونها لزيادة حجم وكثافة المكونات على الرقاقة بشكل تدريجي.

لماذا الرقائق الإلكترونية باهظة الثمن؟

تعد الرقائق الإلكترونية من أهم المكونات الدقيقة الضرورية في إنتاج كثير من الصناعات. ومع ذلك فإن رقائق الكترونية مثل هذه تكون باهظة الثمن غالباً، مما يمثل مشكلة في قطاع الصناعة، خاصة أن وجودها لا يمكن الاستغناء عنه. وفيما يلي نستعرض أبرز الأسباب المؤدية إلى السعر الباهظ لهذه الرقائق:

التصنيع متناهي الدقة

تتكون هذه الرقائق من طبقات متعددة من المواد يبلغ عددها أحياناً مائة طبقة، ويتم تصنيعها على المستوى الذري نظراً لأن سماكة بعض تلك الطبقات تكون رقيقة جداً مثل الذرة الواحدة. ولذلك تتعامل المصانع مع مجموعة متنوعة من العوامل في أثناء عملية التصنيع، مثل الضغط ودرجة الحرارة والمجالات الكهربائية والمغناطيسية. ولا يمكن إغفال جميع مراحل التصنيع الأخرى التي تتطلب تجهيز بيئة عمل مناسبة نظراً لأن هذه الرقائق تتأثر بأدنى الظروف والأمور، وهذا كله يزيد من تكلفة التصنيع، وبالتالي يرفع اسعارها.

ما هي الرقائق الإلكترونية ، البيئة النظيفة 

إذا تعرضت الرقائق الإلكترونية إلى التلوث بالغبار وغيره من الأوساخ، فإن ذلك يؤثر سلباً على عملية التصنيع. لذلك يجب توفير غرفة نقية كلياً قبل وضع السيليكون في آلة تصنيع الرقائق نظراً لأن كثيراً من الترانزستورات ذات حجم صغير أقل من حجم الذرة، لذلك قد تتضرر إذا تعرضت للتلوث بفعل ذرة واحدة فقط. وهذا الأمر يدفع الشركات إلى اتخاذ تدابير وإجراءات شديدة وباهظة التكلفة، مثل تنقية الهواء باستمرار وضبط عدد الأفراد الداخلين على غرف التصنيع وغيرها. ويؤدي ذلك كله في نهاية المطاف إلى زيادة أسعار تلك الرقاقات.

المكونات النادرة

يتم تصنيع الرقائق من بعض المواد والمكونات النادرة التي لا توجد إلا في بلدان معينة دوناً عن سواها، وهذا الأمر يجعل وجودها غير متاح على الدوام. ولهذا تزيد تكلفة عملية التصنيع، مما يؤدي في نهاية الأمر إلى زيادة ثمن الرقائق.

الطلب المتزايد

أصبحت الرقائق من الأمور الأساسية في صناعات الأجهزة الإلكترونية والسيارات والمعدات الطبية وغيرها. وتزايد الطلب عليها كثيراً في الآونة الأخيرة، خاصة بعدما حصلت أزمة النقص العالمي في شحنات الرقائق الإلكترونية. لذلك ساهم هذا كله بزيادة أسعارها التي كانت باهظة في الأصل.   

ماهي استخدامات الرقائق؟

بعدما أجبنا عن سؤال ما هي الرقائق الإلكترونية ، ننتقل الآن لشرح أكبر وأهم الاستخدامات التي الذكية لهذه الرقاقات. إذ تتضمن استعمالاتها المتعددة كلاً من المجالات التالية:

الأجهزة الالكترونية

تستخدم رقاقات اشباه الموصلات بكثرة لصناعة أكثر الأجهزة الإلكترونية المتعددة، مثل السيارات والهواتف الذكية والساعات الذكية وأجهزة الكمبيوتر والتلفزيون فضلاً عن الذواكر المختلفة. ولذلك فإن أي نقص  كبير في كميات رقاقة أشباه الموصلات يؤثر سلباً على هذه الصناعات في كثير من الدول.

الصناعات الفضائية

تستخدم عناصر الرقاقات الإلكترونية في تصنيع المركبات الفضائية وانظمة الطيران؛ فهي المكون الرئيسي في الصناعة الخاصة بكافة أنظمة الطيران الجوي. وأيضاً يتم استعمال هذه الرقائق في تصنيع أجهزة الحواسيب في الطائرات المختلفة.

الصناعات الطبية

تدخل رقائق أشباه الموصلات في صناعة كثير من الأجهزة الطبية العالمية. فمن المعلوم أنّ هذه الدوائر المتكاملة تؤدي وظائف رئيسية في تلك الأجهزة، مثل وظائف الاستشعار والتخزين وتنظيم الطاقة. وفي العصر الحديث تستعمل الرقائق الإلكترونية بكثرة في تطوير الأجهزة الطبية القابلة للزرع في الجسم.

في الختام

أجبنا في هذا المقال عن سؤال ما هي الرقائق الإلكترونية ، وتعرفنا كذلك على أبرز مكوناتها وطريقة تصنيعها وتصميمها. وأيضاً شرحنا الأسباب الكامنة وراء ارتفاع أسعار الرقائق الإلكترونية، والاستخدامات المتعددة لها في شتى الصناعات والأجهزة الإلكترونية.