เหตุใดซิลิกอนจึงเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์?

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องอยู่ระหว่างค่าการนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เช่นเดียวกับลวดทองแดงในชีวิตประจำวัน ลวดอลูมิเนียมก็เป็นตัวนำไฟฟ้า และยางก็เป็นฉนวน จากมุมมองของการนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำหมายถึงค่าการนำไฟฟ้าที่ควบคุมได้ ตั้งแต่ฉนวนไปจนถึงตัวนำไฟฟ้า

ในยุคแรกของชิปเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิกอนไม่ใช่ผู้เล่นหลัก เจอร์เมเนียมเป็นผู้เล่นหลัก ทรานซิสเตอร์ตัวแรกเป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้เจอร์เมเนียม และชิปวงจรรวมตัวแรกเป็นชิปเจอร์เมเนียม

อย่างไรก็ตาม เจอร์เมเนียมมีปัญหาที่ยากจะแก้ไขหลายประการ เช่น ข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซจำนวนมากในเซมิคอนดักเตอร์ เสถียรภาพทางความร้อนต่ำ และความหนาแน่นของออกไซด์ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ เจอร์เมเนียมยังเป็นธาตุที่หายาก โดยมีปริมาณในเปลือกโลกเพียง 7 ส่วนต่อล้านส่วน และการกระจายตัวของแร่เจอร์เมเนียมยังกระจัดกระจายมากอีกด้วย นั่นเป็นเพราะเจอร์เมเนียมหายากมาก การกระจายตัวไม่เข้มข้น ส่งผลให้ต้นทุนวัตถุดิบเจอร์เมเนียมสูง สิ่งของหายาก ต้นทุนวัตถุดิบสูง และทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมไม่ได้ถูกที่ไหนเลย ดังนั้นทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมจึงผลิตจำนวนมากได้ยาก

ดังนั้น นักวิจัยจึงมุ่งเน้นไปที่การศึกษาในระดับที่สูงขึ้นไปอีก โดยพิจารณาที่ซิลิกอน อาจกล่าวได้ว่าข้อบกพร่องแต่กำเนิดของเจอร์เมเนียมทั้งหมดล้วนเป็นข้อดีแต่กำเนิดของซิลิกอน

1. ซิลิกอนเป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับสองรองจากออกซิเจน แต่แทบจะไม่พบซิลิกอนในธรรมชาติ สารประกอบที่พบมากที่สุดคือซิลิกาและซิลิเกต ซิลิกาเป็นองค์ประกอบหลักอย่างหนึ่งของทราย นอกจากนี้ เฟลด์สปาร์ หินแกรนิต ควอตซ์ และสารประกอบอื่นๆ ยังมีพื้นฐานมาจากสารประกอบซิลิกอน-ออกซิเจนอีกด้วย

2. เสถียรภาพทางความร้อนของซิลิกอนนั้นดี โดยมีออกไซด์ไดอิเล็กตริกที่มีค่าคงที่หนาแน่นสูง ทำให้สามารถเตรียมอินเทอร์เฟซซิลิกอน-ซิลิกอนออกไซด์ได้อย่างง่ายดายโดยมีข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซเพียงเล็กน้อย

3. ซิลิกอนออกไซด์ไม่ละลายน้ำ (เจอร์เมเนียมออกไซด์ไม่ละลายน้ำ) และไม่ละลายในกรดส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นเพียงเทคโนโลยีการพิมพ์ป้องกันการกัดกร่อนของแผงวงจรพิมพ์ ผลิตภัณฑ์รวมคือกระบวนการแบบระนาบวงจรรวมที่ยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้