مرحباً بكم في موقعنا الإلكتروني للاطلاع على معلومات المنتجات والاستشارات.
موقعنا الإلكتروني:https://www.vet-china.com/
مع استمرار عمليات تصنيع أشباه الموصلات في تحقيق طفرات نوعية، انتشر في هذا المجال قانونٌ شهير يُعرف باسم "قانون مور". وقد اقترحه غوردون مور، أحد مؤسسي شركة إنتل، عام 1965. ويتلخص هذا القانون في أن عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على دائرة متكاملة يتضاعف تقريبًا كل 18 إلى 24 شهرًا. ولا يقتصر دور هذا القانون على تحليل وتوقع اتجاهات تطور الصناعة فحسب، بل يُعد أيضًا قوة دافعة لتطوير عمليات تصنيع أشباه الموصلات، حيث يهدف كل شيء إلى إنتاج ترانزستورات أصغر حجمًا وأكثر استقرارًا في الأداء. ومنذ خمسينيات القرن الماضي وحتى الآن، أي على مدى سبعين عامًا تقريبًا، تم تطوير تقنيات تصنيع الترانزستورات ثنائية القطبية (BJT)، وترانزستورات تأثير المجال المعدني-الباعث للضوء (MOSFET)، وتقنية أشباه الموصلات ذات الوصلة المزدوجة (CMOS)، وتقنية أشباه الموصلات ذات الوصلة المزدوجة (DMOS)، بالإضافة إلى تقنيات تصنيع الترانزستورات الهجينة ثنائية القطبية ذات الوصلة المزدوجة (BiCMOS) وتقنية أشباه الموصلات ذات الوصلة المزدوجة (BCD).
1. الترانزستور ثنائي القطب
الترانزستور ثنائي القطب (BJT)، المعروف أيضًا باسم الترانزستور الثلاثي. ينتج تدفق الشحنة في هذا الترانزستور بشكل أساسي عن انتشار وانجراف حاملات الشحنة عند وصلة PN. ونظرًا لاحتوائه على تدفق كل من الإلكترونات والفجوات، يُطلق عليه اسم جهاز ثنائي القطب.
بالعودة إلى تاريخ نشأتها، اقترح شوكلي، انطلاقًا من فكرة استبدال الصمامات الثلاثية المفرغة بمضخمات صلبة، إجراء أبحاث أساسية على أشباه الموصلات في صيف عام 1945. وفي النصف الثاني من العام نفسه، أنشأت مختبرات بيل فريقًا بحثيًا متخصصًا في فيزياء الحالة الصلبة برئاسة شوكلي. ضمّ هذا الفريق، إلى جانب الفيزيائيين، مهندسي الدوائر الكهربائية والكيميائيين، بمن فيهم باردين، الفيزيائي النظري، وبراتين، الفيزيائي التجريبي. وفي ديسمبر 1947، تحقق إنجازٌ بارزٌ اعتبرته الأجيال اللاحقة علامةً فارقةً، حيث نجح باردين وبراتين في اختراع أول ترانزستور جرمانيوم ذي نقطة تلامس في العالم، مزود بخاصية تضخيم التيار.
أول ترانزستور ذي نقطة اتصال لباردين وبراتين
بعد ذلك بوقت قصير، اخترع شوكلي الترانزستور ثنائي القطبية عام 1948. اقترح أن يتكون الترانزستور من وصلتين من نوع pn، إحداهما منحازة للأمام والأخرى منحازة للخلف، وحصل على براءة اختراع في يونيو 1948. وفي عام 1949، نشر نظرية مفصلة عن آلية عمل الترانزستور ثنائي القطبية. وبعد أكثر من عامين، طور العلماء والمهندسون في مختبرات بيل عمليةً لإنتاج الترانزستورات ثنائية القطبية بكميات كبيرة (وهو إنجاز هام عام 1951)، مما فتح آفاقًا جديدة في مجال التكنولوجيا الإلكترونية. تقديرًا لإسهاماتهم في اختراع الترانزستورات، فاز شوكلي وباردين وبراتين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1956.
مخطط هيكلي بسيط لترانزستور ثنائي القطب NPN
فيما يتعلق ببنية الترانزستورات ثنائية القطب، فإنّ النوعين الشائعين هما NPN وPNP. يوضح الشكل أدناه البنية الداخلية بالتفصيل. منطقة أشباه الموصلات غير المشبعة المقابلة للباعث هي منطقة الباعث، وتتميز بتركيز عالٍ من الشوائب؛ أما منطقة أشباه الموصلات غير المشبعة المقابلة للقاعدة فهي منطقة القاعدة، وتتميز بعرضها الضيق جدًا وتركيز الشوائب المنخفض جدًا؛ وأخيرًا، منطقة أشباه الموصلات غير المشبعة المقابلة للمجمع هي منطقة المجمع، وتتميز بمساحتها الكبيرة وتركيز الشوائب المنخفض جدًا.
تتمثل مزايا تقنية الترانزستور ثنائي القطبية في سرعة الاستجابة العالية، والتوصيلية العالية (تتوافق تغيرات جهد الإدخال مع تغيرات كبيرة في تيار الإخراج)، والضوضاء المنخفضة، والدقة التناظرية العالية، وقدرة قيادة التيار القوية؛ أما عيوبها فتتمثل في التكامل المنخفض (لا يمكن تقليل العمق الرأسي مع الحجم الجانبي) واستهلاك الطاقة العالي.
2. التخصص العسكري
ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET)، هو ترانزستور تأثير مجال يتحكم في تبديل قناة أشباه الموصلات (S) عن طريق تطبيق جهد كهربائي على بوابة الطبقة المعدنية (M - معدن الألومنيوم) والمصدر عبر طبقة الأكسيد (O - طبقة عازلة من ثاني أكسيد السيليكون) لتوليد تأثير المجال الكهربائي. ولأن البوابة والمصدر، وكذلك البوابة والمصرف، معزولان بواسطة طبقة عازلة من ثاني أكسيد السيليكون، يُطلق على MOSFET أيضًا اسم ترانزستور تأثير المجال ذي البوابة المعزولة. في عام 1962، أعلنت مختبرات بيل رسميًا عن نجاح تطويره، مما شكّل أحد أهم الإنجازات في تاريخ تطوير أشباه الموصلات، ووضع الأساس التقني لظهور ذاكرة أشباه الموصلات.
يمكن تقسيم ترانزستور MOSFET إلى نوعين: قناة P وقناة N، وذلك حسب نوع القناة الموصلة. وبحسب سعة جهد البوابة، يمكن تقسيمه إلى: نوع الاستنزاف - حيث توجد قناة موصلة بين المصرف والمصدر عندما يكون جهد البوابة صفرًا؛ ونوع التحسين - في أجهزة قناة N (P)، توجد قناة موصلة فقط عندما يكون جهد البوابة أكبر من (أقل من) الصفر، وترانزستور MOSFET الخاص بالطاقة هو في الغالب من نوع التحسين ذي قناة N.
تشمل الاختلافات الرئيسية بين ترانزستور MOS وترانزستور التريود، على سبيل المثال لا الحصر، النقاط التالية:
- تعتبر الترايودات أجهزة ثنائية القطب لأن كلًا من حاملات الشحنة الأغلبية والأقلية تشارك في التوصيل في نفس الوقت؛ بينما يقوم MOS بتوصيل الكهرباء فقط من خلال حاملات الشحنة الأغلبية في أشباه الموصلات، ويسمى أيضًا ترانزستور أحادي القطب.
- تعتبر الصمامات الثلاثية أجهزة يتم التحكم فيها بالتيار وتستهلك طاقة عالية نسبيًا؛ بينما تعتبر MOSFETs أجهزة يتم التحكم فيها بالجهد وتستهلك طاقة منخفضة.
تتميز الصمامات الثلاثية بمقاومة عالية في حالة التشغيل، بينما تتميز أنابيب MOS بمقاومة منخفضة في حالة التشغيل، لا تتجاوز بضع مئات من الميلي أوم. في الأجهزة الكهربائية الحالية، تُستخدم أنابيب MOS بشكل عام كمفاتيح، وذلك لأن كفاءتها عالية نسبيًا مقارنةً بالصمامات الثلاثية.
تتميز الصمامات الثلاثية بتكلفة مناسبة نسبياً، بينما تعتبر أنابيب MOS باهظة الثمن نسبياً.
في الوقت الحاضر، تُستخدم أنابيب MOS بدلاً من الصمامات الثلاثية في معظم الحالات. أما في بعض الحالات التي تتطلب طاقة منخفضة أو لا تتأثر بالقدرة الكهربائية، فسنستخدم الصمامات الثلاثية نظرًا لميزة السعر.
3. CMOS
أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية: تستخدم تقنية CMOS ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية من النوع p والنوع n (MOSFETs) لبناء الأجهزة الإلكترونية والدوائر المنطقية. يوضح الشكل التالي عاكس CMOS شائع الاستخدام لتحويل الإشارة من 1 إلى 0 أو من 0 إلى 1.
الشكل التالي يُمثل مقطعًا عرضيًا نموذجيًا لدارة CMOS. الجانب الأيسر يُمثل ترانزستور NMOS، والجانب الأيمن يُمثل ترانزستور PMOS. يتم توصيل قطبي البوابة (G) لكلا الترانزستورين معًا كمدخل بوابة مشترك، بينما يتم توصيل قطبي المصرف (D) معًا كمخرج مصرف مشترك. يتم توصيل VDD بمصدر ترانزستور PMOS، بينما يتم توصيل VSS بمصدر ترانزستور NMOS.
في عام 1963، اخترع وانلاس وساه من شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات دارة CMOS. وفي عام 1968، طورت شركة راديو أمريكان (RCA) أول منتج دارة متكاملة بتقنية CMOS، ومنذ ذلك الحين، شهدت هذه الدارة تطورًا كبيرًا. من مزاياها انخفاض استهلاك الطاقة وتكاملها العالي (يمكن لعملية STI/LOCOS تحسين التكامل بشكل أكبر)؛ أما عيبها فيكمن في وجود تأثير القفل (حيث يُستخدم الانحياز العكسي لوصلة PN كعزل بين أنابيب MOS، ويمكن للتداخل أن يُشكل بسهولة حلقة مُعززة تُؤدي إلى احتراق الدارة).
4. DMOS
أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ذات الانتشار المزدوج: تشبه في تركيبها أجهزة MOSFET العادية، حيث تحتوي على مصدر ومصب وبوابة وأقطاب كهربائية أخرى، ولكن جهد الانهيار عند طرف المصب يكون مرتفعًا. وتُستخدم فيها عملية الانتشار المزدوج.
يوضح الشكل أدناه المقطع العرضي لترانزستور DMOS قياسي من النوع N. يُستخدم هذا النوع من ترانزستورات DMOS عادةً في تطبيقات التبديل منخفضة الجهد، حيث يكون مصدر MOSFET موصولًا بالأرض. بالإضافة إلى ذلك، يوجد ترانزستور DMOS من النوع P. يُستخدم هذا النوع عادةً في تطبيقات التبديل عالية الجهد، حيث يكون مصدر MOSFET موصولًا بجهد موجب. على غرار تقنية CMOS، تستخدم أجهزة DMOS التكميلية ترانزستورات MOSFET من النوعين N وP على نفس الشريحة لتوفير وظائف تبديل تكميلية.
اعتمادًا على اتجاه القناة، يمكن تقسيم DMOS إلى نوعين، وهما VDMOS (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة المزدوجة الانتشار الرأسي) و LDMOS (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة المزدوجة الانتشار الجانبي).
صُممت أجهزة VDMOS بقناة رأسية. وبالمقارنة مع أجهزة DMOS الجانبية، فإنها تتمتع بقدرات أعلى على تحمل جهد الانهيار والتيار، ولكن مقاومة التشغيل لا تزال كبيرة نسبيًا.
صُممت أجهزة LDMOS بقناة جانبية، وهي عبارة عن ترانزستورات MOSFET غير متماثلة. وبالمقارنة مع أجهزة DMOS العمودية، فإنها تسمح بمقاومة تشغيل أقل وسرعات تبديل أسرع.
بالمقارنة مع MOSFETs التقليدية، فإن DMOS يتمتع بسعة تشغيل أعلى ومقاومة أقل، لذلك يتم استخدامه على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة مثل مفاتيح الطاقة والأدوات الكهربائية ومحركات المركبات الكهربائية.
5. BiCMOS
تقنية BiCMOS ثنائية القطب هي تقنية تدمج أجهزة CMOS وأجهزة ثنائية القطب على نفس الشريحة في آن واحد. تقوم فكرتها الأساسية على استخدام أجهزة CMOS كدائرة رئيسية، وإضافة أجهزة أو دوائر ثنائية القطب عند الحاجة لتشغيل أحمال سعوية كبيرة. ولذلك، تتميز دوائر BiCMOS بمزايا التكامل العالي واستهلاك الطاقة المنخفض لدوائر CMOS، ومزايا السرعة العالية وقدرات تشغيل التيار القوية لدوائر الترانزستور ثنائي القطب (BJT).
تدمج تقنية BiCMOS SiGe (السيليكون الجرمانيوم) من STMicroelectronics أجزاء الترددات اللاسلكية والتناظرية والرقمية على شريحة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من عدد المكونات الخارجية ويحسن استهلاك الطاقة.
6. BCD
تقنية Bipolar-CMOS-DMOS، هذه التقنية قادرة على صنع أجهزة ثنائية القطب، وأجهزة CMOS، وأجهزة DMOS على نفس الشريحة، وتسمى عملية BCD، والتي تم تطويرها بنجاح لأول مرة بواسطة STMicroelectronics (ST) في عام 1986.
تُعدّ تقنية الدوائر ثنائية القطب مناسبة للدوائر التناظرية، بينما تُناسب تقنية CMOS الدوائر الرقمية والمنطقية، وتُناسب تقنية DMOS أجهزة الطاقة والجهد العالي. تجمع تقنية BCD مزايا هذه التقنيات الثلاث. بعد التطوير المستمر، باتت تقنية BCD تُستخدم على نطاق واسع في منتجات مجالات إدارة الطاقة، واكتساب البيانات التناظرية، ومحركات الطاقة. وفقًا للموقع الإلكتروني الرسمي لشركة ST، لا تزال عملية تصنيع BCD الناضجة عند حوالي 100 نانومتر، بينما لا تزال تقنية 90 نانومتر في مرحلة التصميم الأولي، أما تقنية 40 نانومتر BCD فهي من منتجات الجيل التالي قيد التطوير.
تاريخ النشر: 10 سبتمبر 2024