เหตุใดจึงเลือกใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุสำหรับทำชิปเซมิคอนดักเตอร์?

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องอยู่ระหว่างค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำและฉนวน เช่น สายทองแดงในชีวิตประจำวัน สายอะลูมิเนียมเป็นตัวนำ และยางเป็นฉนวน ในแง่ของค่าการนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำหมายถึงค่าการนำไฟฟ้าที่สามารถควบคุมได้ ตั้งแต่ฉนวนไปจนถึงตัวนำ

ในยุคแรกเริ่มของการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอนยังไม่ใช่ส่วนประกอบหลัก แต่เจอร์มาเนียมต่างหากที่เป็นส่วนประกอบสำคัญ ทรานซิสเตอร์ตัวแรกเป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้เจอร์มาเนียมเป็นส่วนประกอบ และชิปวงจรรวมตัวแรกก็เป็นชิปเจอร์มาเนียมเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม เจอร์มาเนียมมีปัญหาที่ยากลำบากหลายประการ เช่น ข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานในสารกึ่งตัวนำจำนวนมาก เสถียรภาพทางความร้อนต่ำ และความหนาแน่นของออกไซด์ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ เจอร์มาเนียมยังเป็นธาตุหายาก มีปริมาณในเปลือกโลกเพียง 7 ส่วนในล้านส่วน และการกระจายตัวของแร่เจอร์มาเนียมก็กระจัดกระจายมาก เนื่องจากเจอร์มาเนียมหายากมาก การกระจายตัวจึงไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ต้นทุนวัตถุดิบเจอร์มาเนียมสูง เมื่อสิ่งของหายาก ต้นทุนวัตถุดิบสูง และทรานซิสเตอร์เจอร์มาเนียมมีราคาไม่ถูกในทุกที่ ดังนั้นการผลิตทรานซิสเตอร์เจอร์มาเนียมในปริมาณมากจึงเป็นเรื่องยาก

ดังนั้น นักวิจัยจึงเปลี่ยนจุดสนใจของการศึกษาไปอีกระดับ โดยหันมาพิจารณาซิลิคอน อาจกล่าวได้ว่าข้อเสียโดยกำเนิดทั้งหมดของเจอร์มาเนียม คือข้อดีโดยกำเนิดของซิลิคอน

1. ซิลิคอนเป็นธาตุที่มีปริมาณมากเป็นอันดับสองรองจากออกซิเจน แต่หาได้ยากในธรรมชาติ สารประกอบที่พบได้ทั่วไปของซิลิคอนคือซิลิกาและซิลิเกต ซิลิกาเป็นส่วนประกอบหลักอย่างหนึ่งของทราย นอกจากนี้ เฟลด์สปาร์ หินแกรนิต ควอตซ์ และสารประกอบอื่นๆ ก็มีพื้นฐานมาจากสารประกอบซิลิคอน-ออกซิเจนเช่นกัน

2. ซิลิคอนมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ประกอบกับออกไซด์ที่มีความหนาแน่นและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ทำให้สามารถเตรียมส่วนต่อประสานระหว่างซิลิคอนกับออกไซด์ซิลิคอนได้ง่าย โดยมีข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานน้อย

3. ซิลิคอนออกไซด์ไม่ละลายในน้ำ (เจอร์มาเนียมออกไซด์ก็ไม่ละลายในน้ำเช่นกัน) และไม่ละลายในกรดส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์แบบกัดกร่อนของแผ่นวงจรพิมพ์ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการรวมกันนี้คือกระบวนการผลิตแผ่นวงจรรวม (Integrated Circuit Planar Process) ซึ่งยังคงใช้กันมาจนถึงทุกวันนี้