ما هو أشباه الموصلات؟
الموصلات شبه الموصلة هي منتجات مادية تتمتع ببعض خصائص كل من العوازل والموصلات (ومن هنا جاءت التسمية شبه، بمعنى نصف أو جزئي، موصل). عادةً ما تتكون الموصلات شبه الموصلة من السيليكون، حيث إنها توصل الكهرباء أكثر من العازل، مثل الزجاج، ولكن أقل من الموصل النقي، مثل النحاس أو الألومنيوم. يمكن تعديل قدرتها على التوصيل وخصائصها الأخرى من خلال إدخال شوائب، تُعرف بالتطعيم، لتلبية الاحتياجات المحددة للمكون الإلكتروني الذي توجد فيه.
تُعرف أيضًا باسم أشباه الموصلات أو الرقائق، ويمكن العثور على أشباه الموصلات في آلاف المنتجات مثل أجهزة الكمبيوتر، الهواتف الذكية، الأجهزة المنزلية، أجهزة الألعاب، والمعدات الطبية.
النقاط الرئيسية
- يُستخدم في آلاف المنتجات الإلكترونية، يُعتبر أشباه الموصلات مادة توصل الكهرباء أكثر من العازل ولكن أقل من الموصل النقي.
- هناك أربعة أنواع أساسية من أشباه الموصلات.
- تركز صناعة أشباه الموصلات على تطوير منتجات بثلاث سمات كأهداف: أصغر، أسرع، وأرخص.
- يجب على المستثمرين أن يأخذوا في الاعتبار أن صناعة أشباه الموصلات هي صناعة دورية للغاية، تتعرض لفترات من الازدهار والانكماش بشكل دوري.
- بالإضافة إلى الاستثمار في شركات معينة تصنع أشباه الموصلات، هناك أيضًا صناديق الاستثمار المتداولة (ETFs)، وصناديق المؤشرات، والمؤشرات التي تركز إما على صانعي الرقائق أو مصنعي معدات الرقائق.
فهم أشباه الموصلات
يمكن لأجهزة أشباه الموصلات أن تعرض مجموعة من الخصائص المفيدة، مثل إظهار مقاومة متغيرة، وتمرير التيار بسهولة أكبر في اتجاه واحد مقارنة بالآخر، والتفاعل مع الضوء والحرارة. وتشمل وظيفتها الفعلية تضخيم الإشارات، والتبديل، وتحويل الطاقة.
لذلك، تجد أشباه الموصلات استخدامًا واسعًا في جميع الصناعات تقريبًا. وتُعتبر الشركات التي تصنع وتختبر أشباه الموصلات مؤشرات ممتازة لصحة الاقتصاد بشكل عام.
تُعتبر صناعة أشباه الموصلات قطاعًا بالغ الأهمية لكل من الاقتصاد الأمريكي والعالمي، حيث تُستخدم مكونات أشباه الموصلات في مجموعة واسعة من المنتجات الاستهلاكية والتجارية، بدءًا من المركبات إلى أجهزة الكمبيوتر والأجهزة المحمولة والإلكترونيات الشخصية.
أنواع أشباه الموصلات
تأتي أشباه الموصلات في نوعين رئيسيين بناءً على العناصر التي تُضاف إلى السيليكون، وهي عملية تُعرف باسم "التطعيم". يتم إدخال هذه "الشوائب" إلى السيليكون البلوري لتغيير خصائص أشباه الموصلات النهائية:
- يحتوي شبه الموصل من النوع n-type على شوائب واحدة أو أكثر تعتمد على ذرات خماسية التكافؤ مثل الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون والبزموت.
- يحتوي شبه الموصل من النوع p على شوائب تحتوي على خمسة إلكترونات في طبقة التكافؤ. يُستخدم الفوسفور عادةً لهذا الغرض، وكذلك الزرنيخ أو الأنتيمون.
استخدامات أشباه الموصلات
بشكل عام، يمكن تصنيف أشباه الموصلات إلى أربع فئات رئيسية من المنتجات:
ذاكرة
تعمل رقائق الذاكرة كمخازن مؤقتة للبيانات وتنقل المعلومات من وإلى عقول أجهزة الكمبيوتر. يستمر اندماج سوق الذاكرة، مما يدفع أسعار الذاكرة إلى مستويات منخفضة جدًا بحيث لا يستطيع البقاء في اللعبة سوى عدد قليل من العمالقة مثل توشيبا وسامسونج وNEC.
المعالجات الدقيقة
هذه هي وحدات المعالجة المركزية التي تحتوي على المنطق الأساسي لأداء المهام. هيمنة شركة Intel على قطاع المعالجات الدقيقة أجبرت تقريبًا كل المنافسين الآخرين، باستثناء شركة Advanced Micro Devices، على الخروج من السوق الرئيسية والانتقال إلى منافذ أصغر أو قطاعات مختلفة تمامًا.
دائرة متكاملة للسلع
تُعرف أحيانًا باسم "الرقائق القياسية"، ويتم إنتاجها بكميات ضخمة لأغراض المعالجة الروتينية. يهيمن على هذا القطاع شركات تصنيع الرقائق الآسيوية الكبيرة جدًا، ويقدم هذا القطاع هوامش ربح ضئيلة للغاية لا يمكن أن تنافس عليها إلا أكبر شركات أشباه الموصلات.
Complex SOC
"النظام على شريحة" يتعلق أساسًا بإنشاء شريحة دائرة متكاملة تحتوي على قدرة نظام كامل عليها. يدور السوق حول الطلب المتزايد على المنتجات الاستهلاكية التي تجمع بين الميزات الجديدة والأسعار المنخفضة. مع إغلاق الأبواب أمام أسواق الذاكرة والمعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة السلعية بإحكام، يمكن القول إن قطاع النظام على شريحة هو الوحيد المتبقي الذي يحتوي على فرص كافية لجذب مجموعة واسعة من الشركات.
صناعة أشباه الموصلات
يعتمد النجاح في صناعة أشباه الموصلات على إنشاء منتجات أصغر وأسرع وأرخص. الفائدة من كونها صغيرة هي أنه يمكن وضع المزيد من الطاقة على نفس الشريحة. كلما زاد عدد الترانزستورات على الشريحة، زادت سرعتها في أداء عملها. هذا يخلق منافسة شرسة في الصناعة، والتقنيات الجديدة تخفض تكلفة الإنتاج لكل شريحة.
أدى ذلك إلى ظهور الملاحظات المعروفة باسم قانون مور، الذي ينص على أن عدد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة الكثيفة يتضاعف تقريبًا كل عامين. وقد سميت هذه الملاحظة على اسم جوردون مور، المؤسس المشارك لشركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات وإنتل، الذي كتب ورقة بحثية تصفها في عام 1965. في الوقت الحاضر، غالبًا ما يُقتبس فترة التضاعف على أنها 18 شهرًا، وهي الرقم الذي ذكره ديفيد هاوس، المدير التنفيذي لشركة إنتل.
نتيجة لذلك، هناك ضغط مستمر على مصنعي الرقائق لتقديم شيء أفضل وأرخص مما كان يُعتبر أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا قبل بضعة أشهر فقط. لذلك، تحتاج شركات أشباه الموصلات إلى الحفاظ على ميزانيات كبيرة للـ البحث والتطوير. توقعت جمعية أبحاث سوق أشباه الموصلات IC Insights أن معدل النمو السنوي المركب (CAGR) لشركات أشباه الموصلات سينمو بحوالي 5.5% بين عامي 2022 و2026.
تصنيع أشباه الموصلات
تقليديًا، كانت شركات أشباه الموصلات تتحكم في عملية الإنتاج بأكملها، من التصميم إلى التصنيع. ومع ذلك، فإن العديد من مصنعي الرقائق الآن يفوضون المزيد والمزيد من الإنتاج للآخرين في الصناعة. وقد برزت شركات المسابك، التي يتمثل عملها الوحيد في التصنيع، مؤخرًا، حيث تقدم خيارات جذابة للاستعانة بمصادر خارجية. بالإضافة إلى المسابك، بدأت صفوف المصممين والمختبرين المتخصصين في الرقائق في التزايد. وتظهر شركات الرقائق بشكل أكثر رشاقة وكفاءة. يشبه إنتاج الرقائق الآن مطبخ مطعم فاخر، حيث يصطف الطهاة لإضافة التوابل المناسبة إلى المزيج.
في الثمانينيات، كان صانعو الرقائق يعيشون مع معدلات إنتاج (عدد الأجهزة العاملة من إجمالي الأجهزة المصنعة) تتراوح بين 10-30%. أما الآن، فإن صانعي الرقائق يهدفون إلى معدلات إنتاج (عدد الأجهزة العاملة من إجمالي الأجهزة المصنعة) لا تقل عن 90%. وهذا يتطلب عمليات تصنيع مكلفة للغاية.
نتيجة لذلك، تقوم العديد من شركات أشباه الموصلات بتصميم وتسويق منتجاتها ولكنها تختار الاستعانة بمصادر خارجية لبعض أو كل عمليات التصنيع. تُعرف هذه الشركات باسم شركات تصنيع الرقائق "بدون مصنع" (fabless)، ولديها إمكانات نمو عالية لأنها لا تتحمل الأعباء العامة المرتبطة بـ"التصنيع".
الاستثمار في صناعة أشباه الموصلات
بجانب الاستثمار في الشركات الفردية، هناك عدة طرق لمراقبة أداء الاستثمار في القطاع بشكل عام. تشمل هذه الطرق المؤشر المرجعي مؤشر فيلادلفيا لأشباه الموصلات، المعروف باسم SOX، بالإضافة إلى أشكاله المشتقة في الصناديق المتداولة في البورصة. هناك أيضًا مؤشرات تقسم القطاع إلى صانعي الرقائق ومصنعي معدات الرقائق. يقوم الأخير بتطوير وبيع الآلات والمنتجات الأخرى المستخدمة في تصميم واختبار أشباه الموصلات.
بالإضافة إلى ذلك، تعتمد بعض الأسواق في الخارج—مثل تايوان وكوريا الجنوبية، وبدرجة أقل اليابان—بشكل كبير على أشباه الموصلات. كما أن مؤشراتهم توفر دلائل على صحة الصناعة العالمية.
اعتبارات خاصة للاستثمار في أشباه الموصلات
إذا كان بإمكان مستثمري أشباه الموصلات تذكر شيء واحد، فيجب أن يكون أن صناعة أشباه الموصلات دورية للغاية. غالبًا ما يشهد صانعو أشباه الموصلات دورات من "الازدهار والانهيار" بناءً على الطلب الأساسي على المنتجات المعتمدة على الرقائق. عندما تكون الأوقات جيدة، يمكن أن تكون هوامش الربح مرتفعة جدًا لصانعي الرقائق؛ ولكن عندما ينخفض الطلب، يمكن أن تنخفض أسعار الرقائق بشكل كبير ويكون لها تأثير كبير على سلاسل التوريد للعديد من الصناعات.
عادةً ما يتتبع الطلب الطلب في السوق النهائي لأجهزة الكمبيوتر الشخصية والهواتف المحمولة وغيرها من المعدات الإلكترونية. عندما تكون الأوقات جيدة، لا تستطيع الشركات مثل Intel وToshiba إنتاج الرقائق الدقيقة بالسرعة الكافية لتلبية الطلب. وعندما تكون الأوقات صعبة، يمكن أن تكون قاسية للغاية. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي مبيعات الكمبيوتر البطيئة إلى إحداث اضطراب في الصناعة—وفي أسعار أسهمها.
في نفس الوقت، لا يبدو من المنطقي التحدث عن "دورة الرقائق" كما لو كانت حدثًا ذا طبيعة فريدة. بينما لا تزال أشباه الموصلات في جوهرها تجارة سلع، فإن أسواقها النهائية متنوعة للغاية - مثل الحواسيب، وبنية الاتصالات التحتية، والسيارات، والمنتجات الاستهلاكية، وغيرها - مما يجعل من غير المحتمل أن يؤدي الفائض في القدرة الإنتاجية في مجال واحد إلى انهيار كامل.
مخاطر الدورية
من المدهش أن الدورية في الصناعة يمكن أن توفر درجة من الراحة للمستثمرين. في بعض القطاعات التكنولوجية الأخرى، مثل معدات الاتصالات، لا يمكن للمرء أن يكون متأكدًا تمامًا مما إذا كانت الثروات دورية أم علمانية. على النقيض من ذلك، يمكن للمستثمرين أن يكونوا شبه متأكدين من أن السوق سيتحول في مرحلة ما في المستقبل القريب.
في حين أن الدورية توفر بعض الراحة، إلا أنها تخلق أيضًا خطرًا للمستثمرين. يجب على مصنعي الرقائق الإلكترونية المشاركة بشكل روتيني في مقامرة عالية المخاطر. يأتي الخطر الكبير من حقيقة أنه قد يستغرق الأمر عدة أشهر، أو حتى سنوات، بعد مشروع تطوير كبير لتكتشف الشركات ما إذا كانت قد حققت النجاح أم لا. أحد أسباب التأخير هو الهيكل المتشابك ولكن المجزأ للصناعة: حيث تصل القطاعات المختلفة إلى ذروتها وتصل إلى أدنى مستوياتها في أوقات مختلفة.
على سبيل المثال، يصل أدنى نقطة للمسابك في كثير من الأحيان قبل بكثير مما يحدث لمصممي الرقائق. سبب آخر هو الوقت الطويل الذي تحتاجه الصناعة lead time: يستغرق تطوير شريحة أو بناء مسبك سنوات، وحتى وقت أطول قبل أن تحقق المنتجات أرباحًا.
تواجه شركات أشباه الموصلات المعضلة الكلاسيكية حول ما إذا كانت التكنولوجيا هي التي تحرك السوق أم أن السوق هو الذي يحرك التكنولوجيا. يجب على المستثمرين أن يدركوا أن كلا الأمرين لهما أهمية في صناعة أشباه الموصلات.
لأن الشركات تنفق جزءًا كبيرًا من الإيرادات على البحث والتطوير، والذي قد يستغرق شهورًا أو حتى سنوات لتحقيق العائد - وأحيانًا قد لا يتحقق العائد إذا كانت التكنولوجيا معيبة - يجب على المستثمرين أن يكونوا حذرين من التصريحات التي تصدرها الشركات التي تدعي امتلاكها لأحدث وأفضل التكنولوجيا في صناعة أشباه الموصلات.
كيف يختلف أشباه الموصلات عن الموصل أو العازل؟
يعمل أشباه الموصلات بشكل أساسي كخليط بين الموصلات والعوازل. بينما تسمح الموصلات بتدفق الشحنة عند تطبيق جهد كهربائي، ولا تسمح العوازل بتدفق التيار، فإن أشباه الموصلات تعمل بالتناوب كعازل وموصل حسب الحاجة.
ما هو أشباه الموصلات من النوع N؟
شبه الموصل من النوع n هو شبه موصل مختلط بالشوائب يستخدم ذرات شوائب خماسية التكافؤ مثل الفوسفور، والزرنيخ، والأنتيمون، والبزموت.
ما هو أشباه الموصلات من النوع P؟
الموصل شبه الموصل من النوع p هو نوع من أشباه الموصلات الخارجية التي تحتوي على شوائب ثلاثية التكافؤ مثل البورون والألمنيوم، مما يزيد من مستوى التوصيل الكهربائي لموصل شبه الموصل العادي المصنوع بشكل نقي من السيليكون.
ما هو أشباه الموصلات الجوهرية؟
الموصل الذاتي أو النقي هو موصل شبه لا يحتوي على أي شوائب أو مواد مضافة، كما هو الحال في الموصلات من النوع p والنوع n. في الموصلات الذاتية، يكون عدد الإلكترونات المثارة وعدد الفجوات متساويين: n = p.
الخلاصة
في العقود الأخيرة، تم دمج أشباه الموصلات في مئات الصناعات الشهيرة وآلاف المنتجات. فهي جزء حيوي من أجهزة الكمبيوتر والإنترنت والهواتف المحمولة والتقنيات السيارات والمنتجات الاستهلاكية مثل أجهزة التلفاز ذات الشاشات المسطحة. ونتيجة لذلك، يلعب قطاع أشباه الموصلات دورًا بارزًا في الاقتصاد العالمي. كما يظل القطاع مركزًا للابتكار، حيث يستمر قانون مور في إحداث تأثيره السحري، مما ينتج رقائق ميكروية أكثر قوة وأقل تكلفة في الإنتاج مع مرور الوقت.