تراشه های نیمه هادی چگونه کار می کنند؟
Oct 31, 2024
پیام بگذارید
0020-42285 PLATE,BLOCKER 8" EC WXZ
0010-35756 CVD Cooldown Chamber Assy
█ لوله خلاء (لوله الکترونی)
اثر ادیسون
در سال 1883، مخترع معروف توماس ادیسون طی آزمایشی پدیده عجیبی را مشاهده کرد. در آن زمان او در حال انجام آزمایش زندگی فیلامنت (فیلامنت کربن) بود. در کنار رشته، یک سیم مسی قرار داد، اما سیم مسی به هیچ یک از الکترودها متصل نبود. یعنی سیم مسی برق ندارد
.
پس از اینکه فیلامنت کربن به طور معمول انرژی می گیرد، شروع به درخشش و گرم شدن می کند. بعد از مدتی ادیسون برق را قطع کرد. او به طور تصادفی متوجه شد که یک جریان الکتریکی نیز روی سیم مسی ایجاد شده است.
ادیسون هیچ راهی برای توضیح دلیل این پدیده نداشت، اما به عنوان یک "تاجر" زیرک، اولین چیزی که به ذهنش رسید ثبت اختراع این کشف بود. او همچنین نام این پدیده را «اثر ادیسون» گذاشت.
اکنون می دانیم که جوهر "اثر ادیسون" انتشار الکترون های حرارتی است. یعنی وقتی رشته گرم می شود، الکترون های سطح فعال می شوند و «فرار» می کنند و در نتیجه توسط سیم فلزی مسی که جریان الکتریکی ایجاد می کند، اسیر می شوند.
زمانی که ادیسون درخواست ثبت اختراع کرد، به استفاده از اثر فکر نکرد و آن را در قفسه گذاشت.
در سال 1884، فیزیکدان انگلیسی جان امبروز فلمینگ برای ملاقات با ادیسون از ایالات متحده بازدید کرد. ادیسون اثر ادیسون را به فلمینگ نشان داد و تأثیر بسیار خوبی بر فلمینگ گذاشت.
弗莱明
دیود
زمانی که فلمینگ واقعاً از این اثر استفاده کرد، بیش از یک دهه بعد بود. در سال 1901، گوگلیلمو مارکونی، مخترع تلگراف بی سیم، آزمایشاتی را با ارتباطات رادیویی دوربرد در سراسر اقیانوس اطلس انجام داد. فلمینگ برای کمک به چگونگی افزایش دریافت سیگنال بی سیم به این آزمایش پیوست. به بیان ساده، مطالعه چگونگی تشخیص سیگنال در انتهای گیرنده و تقویت سیگنال است تا سیگنال را بتوان به طور کامل تفسیر کرد.
به اصطلاح تشخیص سیگنال در واقع غربالگری سیگنال است. سیگنال دریافتی توسط آنتن بسیار نامرتب است و انواع سیگنال ها وجود دارد. سیگنال هایی که ما واقعاً به آنها نیاز داریم (سیگنال هایی با فرکانس مشخص) که باید از این سیگنال های درهم ریخته "فیلتر" شوند و آن تشخیص است.
برای دستیابی به تشخیص، هدایت یک طرفه (رسانایی یک طرفه) کلید است. امواج مغناطیسی بی سیم نوساناتی با فرکانس بالا هستند که تا صدها هزار بار در ثانیه می رسد. جریان القایی تولید شده توسط موج الکترومغناطیسی بی سیم نیز با "مثبت، منفی، مثبت، منفی" تغییر می کند، اگر از این جریان برای راندن گوشی استفاده کنیم، یک مثبت و یک منفی صفر می شود و هدفون قادر به انجام دقیق نیست. سیگنال را شناسایی کنید
با رسانایی یک طرفه، نیم چرخه منفی موج سینوسی از بین می رود، همه آنها مثبت هستند و جهت جریان یکسان است. با فیلتر کردن فرکانسهای بالا، هدفون به راحتی میتواند تغییرات جریان را حس کند.
去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读
فلمینگ برای تشخیص سیگنال به "اثر ادیسون" فکر کرد - آیا می توان نوع جدیدی از آشکارساز را بر اساس جریان الکترون های اثر ادیسون طراحی کرد؟ به این ترتیب در سال 1904 اولین دیود الکترونی خلاء جهان زیر دستان فلمینگ متولد شد. در آن زمان به این دیود «شیر فلمینگ» نیز می گفتند. (لوله خلاء، همچنین به عنوان لوله الکترون شناخته می شود، گاهی اوقات "مجرای صفراوی" نامیده می شود.)

弗莱明发明的2极管
دیود فلمینگ، ساختار در واقع بسیار ساده است، یعنی در یک لامپ شیشه ای خلاء، دو قطب پر شده است: یک کاتد (کاتد)، که می تواند هنگام گرم شدن، الکترون ها (پرتوهای کاتدی) را ساطع کند. آندی که الکترون را دریافت می کند.
旁热式2极管
دلیل خلاء در لوله شیشه ای جلوگیری از یونیزه شدن گازها است که بر جریان طبیعی الکترون ها تأثیر می گذارد و منحنی مشخصه را از بین می برد. (پمپ زدن در خلاء همچنین می تواند به طور موثری از دست دادن اکسیداسیون رشته را کاهش دهد.)
ترانزیستور
ظهور دیودها، که نیاز به تشخیص و اصلاح را برطرف می کرد، یک پیشرفت بزرگ در آن زمان بود. با این حال جای پیشرفت دارد.
德福雷斯特
در سال 1906، دانشمند آمریکایی De Forest Lee (De Forest Lee) با اضافه کردن هوشمندانه یک صفحه شبکه ("دروازه") به لوله الکترونی دیود خلاء، لوله الکترونی تریود خلاء را اختراع کرد.

德·福雷斯特发明的3极管
وقتی گیت اضافه می شود، وقتی ولتاژ گیت مثبت است، الکترون های بیشتری را از کاتد جذب می کند. بیشتر الکترون ها از گیت عبور می کنند و به آند می رسند که جریان روی آند را به شدت افزایش می دهد. اگر ولتاژ در دروازه منفی باشد، الکترون های کاتد قدرتی برای رفتن به دروازه ندارند، چه رسد به آند.

یک تغییر کوچک در جریان در دروازه می تواند باعث تغییر زیادی در جریان در آند شود. علاوه بر این، شکل موج در حال تغییر دقیقاً مشابه جریان گیت است. بنابراین، ترانزیستور اثر تقویت سیگنال را دارد.
در ابتدا، تریود یک شبکه بود، سپس به یک شبکه دوتایی با دو تخته در کنار هم تبدیل شد، و سپس به سادگی به یک شبکه محصور کامل تبدیل شد.
围栅
تولد تریود خلاء یک رویداد مهم در زمینه صنعت الکترونیک است.
این قطعه کوچک واقعاً استفاده از الکتریسیته را برای کنترل الکتریسیته درک می کند (در گذشته توسط کلیدهای مکانیکی کنترل می شد که مشکلات فرکانس پایین، عمر کوتاه و آسیب آسان را داشت) و از "جریان کوچک" برای کنترل "جریان زیاد" استفاده می کرد. ".
این قطعه کوچک واقعاً استفاده از الکتریسیته را برای کنترل الکتریسیته درک می کند (در گذشته توسط کلیدهای مکانیکی کنترل می شد که مشکلات فرکانس پایین، عمر کوتاه و آسیب آسان را داشت) و از "جریان کوچک" برای کنترل "جریان زیاد" استفاده می کرد. ".
بر اساس آن ایستگاه های رادیویی، رادیو، گرامافون، فیلم، رادیو، رادار، اینترکام رادیویی و... داریم که روز به روز قدرتمندتر می شوند. محبوبیت گسترده این محصولات زندگی روزمره مردم را تغییر داده و باعث پیشرفت اجتماعی شده است.

真空管
در سال 1919، شاتکی آلمانی ایده اضافه کردن یک دروازه پرده بین دروازه و قطب مثبت را پیشنهاد کرد. این ایده توسط لنده در انگلستان در سال 1926 محقق شد. این چهارگانه شد. بعدها هلست و تلگن هلندی پنتود را اختراع کردند.
در دهه 40 قرن بیستم، تحقیقات فناوری رایانه وارد اوج خود شد. مشخص شده است که رسانایی یک طرفه لوله های الکترونی می تواند برای طراحی برخی مدارهای منطقی (مثلاً مدارهای دروازه یا مدارهای دروازه) استفاده شود.
بنابراین، آنها شروع به وارد کردن لوله های الکترونی به میدان کامپیوتر کردند. در آن زمان، تقریباً تمام رایانههای الکترونیکی، از جمله ENIAC (که از بیش از 18،{1}} لوله استفاده میکرد)، بر پایه لولهها بودند.
埃尼阿克
در اینجا به طور خلاصه در مورد مدار دروازه صحبت می کنیم. وقتی اصول محاسبات را یاد می گیریم، باید عملیات منطقی اولیه مانند و، یا، نه، XOR، همان یا، نه، یا نه و غیره را یاد گرفته باشیم.

رایانهها فقط 0ها و 1ها را تشخیص میدهند. محاسبات خود را بر اساس این قوانین عملیات منطقی انجام می دهد. به عنوان مثال، 2+1 به صورت باینری 0010+0001 است و انجام "عملیات XOR" برابر با 0011 است که برابر با 3 است.

مداری که توابع گیت منطقی فوق را پیاده سازی می کند مدار گیت منطقی است. از طرف دیگر، یک لوله الکترونی تک رسانا (لوله خلاء) را می توان در مدارهای گیت منطقی مختلف مونتاژ کرد. به عنوان مثال، "OR Gate" و "AND Gate" در زیر.
A، B ورودی ها و F خروجی هستند
█ ترانزیستور
همزمان با توسعه و کاربرد سریع لوله های الکترونی، مردم به تدریج متوجه شده اند که این محصول دارای معایبی است:
از یک طرف، لوله به راحتی شکسته می شود و نرخ شکست بالایی دارد. از طرف دیگر، لوله نیاز به گرم شدن دارد و انرژی زیادی برای تولید گرما هدر می رود که مصرف برق بسیار بالایی را نیز به همراه دارد.
بنابراین، مردم شروع به فکر کردن در مورد اینکه آیا راه بهتری برای تشخیص، تصحیح و تقویت سیگنال وجود دارد یا خیر، فکر کردند. البته راه هایی وجود دارد. در این زمان، یک ماده عالی ظاهر می شود، و آن - نیمه هادی ها است.
جوانه نیمه هادی ها
بیایید به گذشته به قرن 18 برگردیم. در سال 1782، فیزیکدان معروف ایتالیایی الساندرو ولتا (الساندرو ولتا) دریافت که ماده جامد را می توان تقریباً به سه نوع تقسیم کرد:
اول، فلزاتی مانند طلا، نقره، مس، آهن و غیره فوق العاده رسانا هستند و به آنها رسانا می گویند;
ثانیاً، موادی مانند چوب، شیشه، سرامیک، میکا و غیره که رسانای الکتریسیته آسان نیستند، عایق نامیده می شوند.
سومین، بین یک هادی و یک عایق، به آرامی تخلیه می شود.
خواص عجیب ماده سوم را ولت "Semiconducting Nature" نامگذاری کرده است که به معنای "خواص نیمه هادی" است. این اولین بار در تاریخ بشر است که اصطلاح "نیمه هادی" ظاهر می شود.
亚历山德罗·伏特
بعدها، تعدادی از دانشمندان، خواسته یا ناخواسته، برخی از خواص نیمه هادی را کشف کردند. به عنوان مثال، در سال 1833، مایکل فارادی کشف کرد که وقتی دمای سولفید نقره افزایش مییابد، مقاومت کاهش مییابد (ویژگی حساس به حرارت نیمهرساناها).
در سال 1839، دانشمند فرانسوی، الکساندر ادموند بکرل، کشف کرد که نور می تواند باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو انتهای مواد خاص (اثر فتوولتائیک نیمه هادی ها) شود.
در سال 1873، ویلوبی اسمیت کشف کرد که رسانایی مواد سلنیوم هنگام قرار گرفتن در معرض نور افزایش می یابد (اثر رسانای نوری نیمه هادی ها).
این پدیده ها در آن زمان هیچ کس نتوانست آنها را توضیح دهد و توجه زیادی را به خود جلب نکرد.
در سال 1874، دانشمند آلمانی کارل فردیناند براون، خواص رسانایی یک طرفه جریان الکتریکی را در سنگ معدن طبیعی (سولفیدهای فلز) کشف کرد. این یک نقطه عطف بزرگ است.
卡尔·布劳恩
در سال 1906، مهندس آمریکایی Greenleaf Whittier Pickard، بر اساس کریستال سنگ معدن چالمر، آشکارساز کریستال معروف را اختراع کرد که به "ردیاب سبیل گربه" نیز معروف است (ژئوفون روی آن یک کاوشگر دارد، بسیار شبیه به سبیل گربه، از این رو به این نام میگویند. ).
矿石检波器
ژئوفون سنگ اولین دستگاه نیمه هادی بشر است. ظاهر آن یک "آزمایش کوچک" از مواد نیمه هادی است. اگرچه دارای کاستی هایی بود (کنترل کیفیت ضعیف، کار ناپایدار، زیرا سنگ معدن خلوص بالایی نداشت)، انگیزه قوی برای توسعه فناوری الکترونیکی داد. در آن زمان، گیرندههای رادیویی مبتنی بر ژئوفونهای سنگ معدن، گسترش پخش و تلگراف بیسیم را ترویج کردند.
ظهور نظریه باند
مردم از ژئوفون های سنگ معدن استفاده می کنند، اما هرگز نمی دانند که چگونه کار می کنند. در بیش از 30 سال از آن زمان، دانشمندان بارها پرسیده اند که چرا مواد نیمه هادی وجود دارد. چرا می توان از مواد نیمه هادی برای هدایت یک طرفه استفاده کرد؟
در روزهای اولیه، بسیاری از مردم حتی تردید داشتند که مواد نیمه هادی واقعا وجود داشته باشد. فیزیکدان معروف پاولی یک بار گفت: "مردم نباید نیمه هادی ها را مطالعه کنند، این یک آشفتگی کثیف است و چه کسی می داند که آیا نیمه هادی ها وجود دارند یا خیر." "
بعدها، با تولد و توسعه مکانیک کوانتومی، سرانجام پیشرفتی در تحقیقات نظری نیمه هادی ها حاصل شد.
در سال 1928، ماکس کارل ارنست لودویگ پلانک، فیزیکدان آلمانی و یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی، برای اولین بار نظریه باندهای انرژی جامد را در کاربرد مکانیک کوانتومی برای مطالعه رسانایی فلزات ارائه کرد.
量子理论之父,普朗克
او معتقد است که تحت عمل میدان الکتریکی خارجی، رسانایی نیمه هادی به رسانایی با مشارکت «سوراخ ها» (یعنی رسانایی نوع P) و رسانایی با مشارکت الکترون (یعنی رسانایی نوع N) تقسیم می شود. بسیاری از خواص عجیب و غریب نیمه هادی ها هم توسط "سوراخ" و هم توسط الکترون ها تعیین می شود. بعدها، تئوری باند برای توضیح سیستماتیک تفاوت های اساسی بین هادی ها، عایق ها و نیمه هادی ها بیشتر اصلاح شد. بیایید نگاهی کوتاه به نظریه باند بیندازیم. همانطور که در فیزیک دوره راهنمایی آموختید، اجسام از مولکول ها، اتم ها تشکیل شده اند و لایه بیرونی اتم یک الکترون است. وقتی اتم های یک جسم جامد به هم نزدیک باشند، الکترون ها با هم مخلوط می شوند. مکانیک کوانتومی معتقد است که الکترونها نمیتوانند در یک مدار باقی بمانند و «سقوط» میکنند. در نتیجه، مدار به چندین مسیر نازک تقسیم شد. در مکانیک کوانتومی، این اوربیتال ظریف سطح انرژی نامیده می شود. مدار گسترده ای که توسط چندین مسیر نازک به هم فشرده شده تشکیل می شود، نوار انرژی نامیده می شود. از دو باند پایینی نوار ظرفیت، بالایی نوار رسانایی و وسط نوار ممنوعه است. بین باند ظرفیت و نوار هدایت یک نوار ممنوعه است. فاصله باند ممنوعه که همان شکاف نواری (انرژی باند گپ) است.
الکترون ها در یک مدار وسیع حرکت می کنند و از نظر ماکروسکوپی رسانا هستند. الکترونها خیلی زیاد هستند، شلوغ هستند، نمیتوانند حرکت کنند و از نظر ماکروسکوپی رسانا نیستند. برخی از مدارهای کامل و مدارهای خالی بسیار نزدیک به هم هستند و الکترون ها به راحتی می توانند از مدارهای کامل به مدارهای خالی حرکت کنند و آزادانه حرکت کنند که به آن هادی می گویند. این دو مدار خیلی از هم دور هستند، شکاف خیلی بزرگ است، الکترون ها نمی توانند از آن عبور کنند، و هیچ راهی برای هدایت الکتریسیته وجود ندارد. با این حال، اگر یک انرژی از دنیای بیرون اضافه کنید، می توانید این حالت را تغییر دهید.

اگر فاصله نواری در محدوده 5 الکترون ولت (5 EV) باشد، انرژی اضافی به الکترون اضافه می شود و الکترون می تواند جهش را کامل کند و آزادانه حرکت کند، یعنی رسانایی. این متعلق به نیمه هادی ها است. (فاصله باند برای سیلیکون حدود 1.12 eV و برای ژرمانیوم 0}.67 eV است.) اگر شکاف نواری از 5 الکترون ولت (5EV) بیشتر شود، الکترون ها معمولاً نمی توانند از آن عبور کنند و عایق است. (اگر دنیای بیرون انرژی زیادی اضافه کند، می تواند به زور به آن کمک کند تا از گذشته عبور کند.) به عنوان مثال، هوا، هوا یک عایق است، اما برق با ولتاژ بالا نیز می تواند هوا را بشکند و جریان الکتریکی ایجاد کند. شایان ذکر است که "نیمه هادی باند گپ گسترده" که اکنون اغلب در مورد آن می شنویم، نسل سوم مواد نیمه هادی از جمله کاربید سیلیکون (SiC)، نیترید گالیم (GaN)، اکسید روی (ZnO)، الماس، نیترید آلومینیوم (AlN) است. ) و غیره
Their advantages are large bandgap width (>2.2EV)، میدان الکتریکی شکست بالا، هدایت حرارتی بالا، توانایی ضد تشعشع قوی، راندمان نوری بالا، فرکانس بالا، می تواند برای دمای بالا، فرکانس بالا، مقاومت در برابر تشعشع و دستگاه های با قدرت بالا استفاده شود، جهت صنعت است. توسعه شدید فعلی قبلا به الکترون ها و حفره ها اشاره کردیم. دو نوع حامل در نیمه هادی ها وجود دارد: الکترون های آزاد و حفره ها. الکترون های آزاد برای همه آشناست، حفره چیست؟
حفره ها به عنوان حفره های الکترونی نیز شناخته می شوند. در دمای اتاق، به دلیل حرکت حرارتی، تعداد کمی از الکترون های پرانرژی در بالای نوار ظرفیت ممکن است از نوار عبور کرده و به سمت نوار رسانایی حرکت کنند و به "الکترون های آزاد" تبدیل شوند. پس از حرکت الکترون ها، یک "حفره" پشت سر باقی می ماند. بقیه الکترون هایی که ارتقا نمی یابند می توانند وارد این "حفره" شده و جریان الکتریکی ایجاد کنند. لازم به ذکر است که سوراخ به خودی خود بی حرکت است، اما فرآیند "پر کردن سوراخ" یک اثر جریان الکتریکی مثبت ایجاد می کند، بنابراین به عنوان یک حامل نیز در نظر گرفته می شود.

در سال 1931، چارلز تامسون ویلسون یک مدل فیزیکی از نیمه هادی ها را بر اساس تئوری باند پیشنهاد کرد. در سال 1939، فیزیکدان شوروی AS Davydov (AS Давыдов)، فیزیکدان بریتانیایی Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) و فیزیکدان آلمانی Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) در نظریه اساسی نیمه هادی ها مشارکت کردند. داویدوف اولین کسی بود که نقش چند حامل را در نیمه هادی ها تشخیص داد، در حالی که شاتکی و موت معروف "نظریه انتشار" را توسعه دادند. بر اساس مشارکت این بزرگان، به تدریج پایه و اساس نظریه اساسی نیمه هادی ها گذاشته شده است.
تولد ترانزیستور
پس از تولد ژئوفون سنگ معدن، دانشمندان دریافتند که عملکرد ژئوفون ارتباط زیادی با خلوص سنگ معدن دارد. هرچه خلوص سنگ معدن بالاتر باشد، ژئوفون عملکرد بهتری خواهد داشت. بنابراین، بسیاری از دانشمندان تحقیقات خالص سازی را بر روی مواد معدنی (مانند سولفید سرب، سولفید مس، اکسید مس و غیره) انجام داده اند و روند تصفیه به طور مداوم بهبود یافته است.
در دهه 30 قرن بیستم، راسل شومیکر اوهل، دانشمند آزمایشگاه بل، پیشنهاد کرد که یک ژئوفون ساخته شده از مواد کریستالی خالص به طور کامل جایگزین دیود الکترونی خواهد شد. (می دانید، در آن زمان، لوله در بازار مطلق بود.) )
罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父
پس از آزمایش بیش از 100 ماده یک به یک، او به این نتیجه رسید که کریستال های سیلیکون ایده آل ترین ماده برای ژئوفون ها هستند. او برای آزمایش نتایج خود، یک همجوشی کریستال سیلیکونی با خلوص بالا را با کمک همکارش جک اسکاف، تصفیه کرد. از آنجایی که آزمایشگاههای بل توانایی برش کریستالهای سیلیکونی را نداشت، Orr این ترکیب را به یک جواهرفروشی فرستاد تا آن را به نمونههای کریستالی با اندازههای مختلف برش دهد. به طور غیر منتظره، یکی از نمونه ها، پس از روشنایی، به عنوان یک الکترود مثبت در یک انتها و یک الکترود منفی در انتهای دیگر رفتار کرد که Orr به ترتیب به عنوان مناطق P و N نام برد. به این ترتیب، اور اولین اتصال PN نیمه هادی جهان (پیوند P–N) را اختراع کرد. در طول جنگ جهانی دوم، وسترن الکتریک، یکی از زیرمجموعه های AT&T، دسته ای از دیودهای کریستال سیلیکونی را بر اساس کریستال های نیمه هادی خالص شده تولید کرد. اندازه کوچک و میزان خرابی پایین این دیودها عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم های راداری متفقین را بسیار بهبود بخشید. اختراع اتصال PN توسط Orr و عملکرد عالی دیودهای کریستالی سیلیکون عزم آزمایشگاههای بل را برای توسعه فناوری ترانزیستور تقویت کرد. در سال 1945، ویلیام شاکلی از آزمایشگاه های بل، پس از برقراری ارتباط با راسل اور، نمودار نواری نیمه هادی های نوع P و نوع N را بر اساس نظریه باند ترسیم کرد و بر این اساس "فرضیه اثر میدان" را مطرح کرد.
. 
肖克利的场效应设想
پس از آزمایش بیش از 100 ماده یک به یک، او به این نتیجه رسید که کریستال های سیلیکون ایده آل ترین ماده برای ژئوفون ها هستند. او برای آزمایش نتایج خود، یک همجوشی کریستال سیلیکونی با خلوص بالا را با کمک همکارش جک اسکاف، تصفیه کرد. از آنجایی که آزمایشگاههای بل توانایی برش کریستالهای سیلیکونی را نداشت، Orr این ترکیب را به یک جواهرفروشی فرستاد تا آن را به نمونههای کریستالی با اندازههای مختلف برش دهد. او فرض کرد که بار داخلی ویفر سیلیکونی می تواند آزادانه حرکت کند و اگر ویفر به اندازه کافی نازک باشد، تحت تاثیر ولتاژ اعمال شده، الکترون ها یا سوراخ هایی در ویفر سیلیکونی روی سطح ظاهر می شوند و رسانایی ویفر سیلیکونی را به شدت افزایش می دهند. ، بنابراین به اثر تقویت جریان دست می یابد. بر اساس این چشم انداز، در 23 دسامبر 1947، جان باردین و والتر براتون از آزمایشگاه های بل، اولین تقویت کننده سه گانه نیمه هادی جهان را ساختند. یعنی چیز بسیار عجیب و کهنه ای زیر:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型
با توجه به سوابق تجربی، این ترانزیستور می تواند به "افزایش ولتاژ 100، افزایش توان 40 و افت جریان 1/2.5......" برسد که بسیار خوب است.
باردین و براتون در نامگذاری آن استدلال می کنند که توانایی دستگاه در تقویت سیگنال ها به دلیل ویژگی های تبدیل مقاومت آن است، یعنی سیگنال از یک "ورودی با مقاومت کم" به "خروجی با مقاومت بالا" تبدیل می شود. بنابراین نام آن را ترانس مقاومت گذاشتند. بعداً به اختصار ترانزیستور نامگذاری شد.
سالها بعد، کیان ژوزئن، دانشمند مشهور چین، نام ترجمه چینی خود را اینگونه گذاشت: ترانزیستور.
من خلاصه کردم که خواص نیمه هادی توانایی خاصی برای رسانایی الکتریسیته است (با توجه به عوامل خارجی). به موادی که خاصیت نیمه هادی دارند، مواد نیمه هادی گفته می شود. سیلیکون و ژرمانیوم مواد نیمه هادی معمولی هستند.
از نظر میکروسکوپی، به موادی که طبق قوانین خاصی مرتب شده اند، کریستال می گویند. کریستال های سیلیکون دارای شکل های تک کریستالی، پلی کریستالی، بلوری آمورف و غیره هستند.

مورفولوژی کریستال ساختار نوار را تعیین می کند و ساختار نواری خواص الکتریکی را تعیین می کند. بنابراین، کریستال های سیلیکون (ژرمانیوم) به عنوان مواد نیمه رسانا، ارزش کاربردی زیادی دارند. دیودها، تریودها و چهاررودها از عملکرد آنها نامگذاری شده اند. لوله های الکترونی (لوله های خلاء) و ترانزیستورها (ترانزیستورهای سیلیکونی، ترانزیستورهای ژرمانیومی) در اصل نامگذاری شده اند. ترانزیستور اختراع شده توسط Bardeen و Bratton را باید ترانزیستور نقطه تماس نامید. همانطور که از تصویر زیر می بینید، این طرح بیش از حد ابتدایی است. اگرچه عملکرد تقویت را به دست می آورد، اما از نظر ساختاری شکننده است، به ارتعاشات خارجی حساس است و ساخت آن آسان نیست، بنابراین توانایی استفاده تجاری را ندارد.
شاکلی این نقص را دید و شروع به عقب نشینی برای مطالعه طراحی جدید ترانزیستور کرد.
در 23 ژانویه 1948، پس از بیش از یک ماه کار سخت، شاکلی یک مدل ترانزیستور جدید با ساختار سه لایه پیشنهاد کرد و نام آن را ترانزیستور اتصالی گذاشت.

肖克利的结式晶体管设计

این مورگان اسپارکس و گوردون کید تیل بودند که به شاکلی در ساخت محصول نهایی کمک کردند. باید به این گوردون تیل اشاره ویژه ای کرد. او دریافت که جایگزینی پلی با نیمه هادی های تک کریستالی می تواند منجر به افزایش عملکرد قابل توجهی شود. علاوه بر این، این او بود که کشف کرد که روش کشش مستقیم می تواند برای خالص سازی کریستال های تک فلزی استفاده شود. این روش از آن زمان تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است و غالب ترین روش ساخت تک کریستال در صنعت نیمه هادی است. تولد ترانزیستورها برای توسعه علم و فناوری بشر اهمیت زیادی دارد. توانایی لوله های الکترونی را دارد اما بر تمام کاستی های حجم زیاد، مصرف انرژی بالا، بزرگنمایی کم، عمر کوتاه و هزینه بالای لوله های الکترونی غلبه می کند. از لحظه تولد، تصمیم گرفته شد که به جایگزینی کامل لوله دست یابد.
正在生产晶体管的工人
در زمینه ارتباطات بی سیم، ترانزیستورها مانند لوله های الکترونی می توانند امواج الکترومغناطیسی را ساطع، شناسایی و تقویت کنند. در زمینه مدارهای دیجیتال، ترانزیستورها نیز می توانند برای پیاده سازی مدارهای منطقی راحت تر باشند. این یک پایه محکم برای برخاستن صنعت الکترونیک گذاشته است.
بعدها خانواده ترانزیستورها رشد کردند
█آی سی
با ظهور ترانزیستورها می توان مدارهای الکتریکی را کوچک کرد.
در سال 1952، جفری دامر، دانشمند مشهور مؤسسه تحقیقاتی رادار سلطنتی در بریتانیا، در کنفرانسی خاطرنشان کرد:
با ظهور ترانزیستورها و مطالعه جامع نیمه هادی ها، اکنون می توان تصور کرد که دستگاه الکترونیکی آینده یک جزء جامد و بدون سیم اتصال است.
در آگوست 1958، کیلبی، کارمند جدید تگزاس اینسترومنتز، کشف کرد که مدارهای کوچکی که از دستگاههای زیادی تشکیل شدهاند، میتوانند روی یک ویفر ساخته شوند. به عبارت دیگر، دستگاه های الکترونیکی مختلف (مانند مقاومت، خازن، دیود و ترانزیستور) را می توان بر روی ویفرهای سیلیکونی ساخت و با سیم های نازک به هم متصل کرد.
بلافاصله پس از آن، در 12 سپتامبر، کیلبی موفق به ساخت مدار تراشه ژرمانیومی به طول 7/16 اینچ و عرض 1/16 اینچ بر اساس ایده های خود شد که اولین مدار مجتمع جهان نیز بود.
این مدار یک نوسان ساز ترانزیستوری با بازخورد RC است و کل آن به اسلاید شیشه ای چسبانده شده است که بسیار ابتدایی به نظر می رسد. دستگاه های مدار توسط سیم های نازک پراکنده به هم متصل می شوند. همزمان با اختراع مدار مجتمع کیلبی، شخص دیگری نیز در این زمینه پیشرفت کرد. آن شخص رابرت نورتون نویس از Fairchild Semiconductor (که بعداً اینتل را تأسیس کرد) بود. Fairchild شرکتی است که توسط "هشت خیانتکار" سیلیکون ولی (نگاه کنید به: The Legend of Fairchild) تأسیس شده است، که قدرت بالایی در فناوری نیمه هادی دارد. ژان هورنی، یکی از "هشت خائن"، فرآیند بسیار مهم برنامه ریز را اختراع کرد. در این فرآیند یک لایه اکسید سیلیکون به عنوان یک لایه عایق به ویفر سیلیکونی اضافه می شود. سپس در این لایه اکسید سیلیکون عایق سوراخ ایجاد می شود و دستگاه هایی که با تکنولوژی انتشار سیلیکون ساخته شده اند با یک فیلم آلومینیومی به هم متصل می شوند. تولد فرآیند مسطح فیرچایلد را قادر ساخت تا ترانزیستورهای کریستالی سیلیکونی با کارایی بالا با اندازه های بسیار کوچک تولید کند و همچنین اتصال دستگاه ها را در مدارهای مجتمع ممکن کرد. در 23 ژانویه 1959، نویس در یادداشت های کاری خود نوشت: "با ساخت دستگاه های مختلف بر روی یک ویفر سیلیکونی و اتصال آنها به یکدیگر با استفاده از یک فرآیند مسطح، می توان مدارهای الکترونیکی چند منظوره ایجاد کرد. این فناوری می تواند اندازه و وزن را کاهش دهد. مدار، و هزینه را کاهش دهید.
诺伊斯
نویس پس از اطلاع از اینکه کیلبی برای یک مدار مجتمع ثبت اختراع کرده است، بسیار پشیمان شد و معتقد بود که یک قدم خیلی دیر شده است. با این حال، او به زودی متوجه شد که اختراع کیلبی ناقص بوده است. مدارهای مجتمع کیلبی توسط سیم های پرنده به هم متصل می شوند که به سادگی نمی توانند تولید انبوه شوند و ارزش عملی ندارند. دیدگاه Neuss این بود که یک صفحه منفی از تمام مدارها و اجزای یک دستگاه الکترونیکی بسازد و سپس آن را روی ویفر سیلیکونی حک کند. هنگامی که این ویفر سیلیکونی حکاکی شد، کل مدار است و می توان مستقیماً برای مونتاژ محصول از آن استفاده کرد. علاوه بر این، رسوب تبخیری فلز می تواند جایگزین سیم های جوش گرم شده و سیم های پرنده را کاملا از بین ببرد.
مدار مجتمع کریستال سیلیکون Fairchild
در 30 ژوئیه 1959، Neuss برای ثبت اختراع بر اساس ایده های خود درخواست کرد: "دستگاه نیمه هادی - ساختار سیم". به بیان دقیق، اختراع Neuss به مدارهای مجتمع به معنای مدرن نزدیکتر است. طراحی Neuss بر اساس یک فرآیند مسطح مبتنی بر سیلیکون است، در حالی که طراحی Kilbi بر اساس فرآیند انتشار مبتنی بر ژرمانیوم است. Neuss با تکیه بر مزایای فرآیند سیلیکون Fairchild مدارهایی را ساخته است که در واقع از کربی پیشرفته تر هستند. در سال 1966، دادگاه سرانجام به کیلبی اختراع ایده یک مدار مجتمع (مدار مجتمع ترکیبی) و اختراع یک مدار مجتمع بسته بندی شده در یک تراشه مورد استفاده امروزی (مدار مجتمع به معنای واقعی کلمه) را صادر کرد. و همچنین اختراع فرآیند تولید. کیلبی به عنوان "مخترع اولین مدار مجتمع" شناخته می شود، در حالی که نویس کسی بود که "نظریه مدارهای مجتمع مناسب برای تولید صنعتی را ارائه کرد". در مارس 1960، تگزاس اینسترومنتز گزارش داد که جک. طراحی کیلبی رسما اولین محصول مدار مجتمع تجاری سازی شده جهان را به بازار عرضه کرد، فلیپ فلاپ دوتایی چند تشدید سیلیکونی 502 که به قیمت 450 دلار فروخته شد. برنامه معروف فرود بر ماه آپولو میلیون ها مدار مجتمع را خریداری کرد که باعث شد تگزاس اینسترومنتز و فیرچایلد پول زیادی به دست آورد. موفقیت بازار هوانوردی منجر به گسترش بازار غیرنظامی شده است. در سال 1964، زنیت از مدارهای مجتمع در سمعک استفاده کرد که اولین فرود مدارهای مجتمع در زمینه غیرنظامی بود. بعد از آن همه باید با داستان آشنا شوند. با تلاش مشترک مواد، فرآیندها و فرآیندها، تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع همچنان افزایش می یابد، عملکرد همچنان بهبود می یابد و هزینه ها به تدریج کاهش می یابد و ما وارد عصر قانون مور شده ایم.

قانون مور: تعداد ترانزیستورهایی که می توانند در مدار مجتمع قرار گیرند تقریباً هر 18 ماه دو برابر می شود و عملکرد آن دو برابر می شود. توسعه مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ و فوق العاده بزرگ مبتنی بر مدارهای مجتمع، راه را برای ظهور ذخیره سازی نیمه هادی و ریزپردازنده ها هموار کرده است. در سال 1970، اینتل اولین مدار مجتمع DRAM (حافظه دسترسی تصادفی پویا) را به نام 1103 معرفی کرد. سال بعد، آنها اینتل 4004، اولین تراشه قابل برنامه ریزی جهان را که شامل ترکیب کننده ها و کنترلرها بود، عرضه کردند. عصر طلایی فناوری IT رسما آغاز شده است.
█ تکامل ترانزیستورها
بیایید برگردیم و دوباره در مورد ترانزیستورها صحبت کنیم. از زمان ظهور ترانزیستورها، تغییرات عمده زیادی در شکل آنها به وجود آمده است. به طور خلاصه، عمدتاً از دوقطبی تا تک قطبی است. در مورد نوع تک قطبی، از FET تا MOSFET. از نقطه نظر ساختاری، از PlanarFET تا FinFET تا GAAFET است.
دوقطبی، تک قطبی
ترانزیستور اتصالی که توسط شاکلی در سال 1948 اختراع شد، ترانزیستور پیوند دوقطبی (BJT) نامیده می شود زیرا از دو حامل، سوراخ و الکترون برای مشارکت در رسانش الکتریکی استفاده می کند.
ترانزیستورهای BJT در دو پیکربندی موجود هستند: NPN و PNP:

همانطور که می بینیم، یک ترانزیستور BJT دو اتصال PN را ایجاد می کند که بسیار نزدیک به یکدیگر روی یک بستر نیمه هادی هستند. دو اتصال PN کل نیمه هادی را به سه قسمت تقسیم می کنند، قسمت میانی پایه و دو طرف امیتر و جمع کننده هستند. اصل کار ترانزیستورهای BJT پیچیده تر است و امروزه به ندرت از آن استفاده می شود، بنابراین به خاطر فضا وارد آن نمی شوم. در اصل، وظیفه اصلی این ترانزیستور این است که کلکتور را از طریق یک تغییر جریان کوچک در پایه، تغییر جریان بزرگی ایجاد کند که اثر تقویت کننده دارد. نویسنده قبلاً به مدارهای منطقی اشاره کرده است. این مدار ترکیبی از یک دیود و یک ترانزیستور BJT است و به آن مدار DTL (دیود-ترانزیستور منطق) می گویند. بعدها مدارهای TTL (منطق ترانزیستور-ترانزیستور) به طور کامل از ترانزیستور ساخته شدند. مزایای ترانزیستورهای BJT فرکانس کاری بالا و قابلیت رانندگی قوی آنهاست. با این حال، معایبی نیز دارد، مانند مصرف انرژی بالا و یکپارچگی کم. فرآیند تولید آن نیز پیچیده تر است و استفاده از فناوری تخت دارای اشکالاتی است. در نتیجه، با گذشت زمان، نوع جدیدی از ترانزیستور شروع به ظهور کرد که به ترانزیستور اثر میدانی (FET) معروف است. در سال 1953، ایان راس و جورج دیسی از آزمایشگاه های بل برای تولید اولین نمونه اولیه ترانزیستور اثر میدان اتصال (JFET) در جهان همکاری کردند.

JFET(结型场效应晶体管)،此为N沟道
JFET یک دستگاه نیمه هادی با ساختار سه قطبی (سه پایانی) شامل منبع، تخلیه و دروازه است. JFET ها به JFET های کانال N (N-channel) و JFET های کانال P (Channel P) تقسیم می شوند. اولی یک نیمه هادی N شکل با دو نیمه هادی نوع P در دو طرف است (همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است). دومی یک نیمه هادی P شکل با دو نیمه هادی نوع N در دو طرف است. اصل کار JFET به سادگی کنترل اتصال PN بین گیت و کانال و در نتیجه لایه تخلیه با کنترل ولتاژ بین گیت G و منبع S (VGS در شکل) و ولتاژ بین درین D و منبع S است. (VDS در شکل). هرچه لایه تخلیه گسترده تر باشد، کانال باریک تر و مقاومت کانال بیشتر باشد، جریان تخلیه کوچکتر (ID در نمودار) قابل عبور است. حالتی که در آن کانال به طور کامل توسط لایه تخلیه پوشانده شود، حالت پینچ نامیده می شود. هنگامی که یک ترانزیستور JFET کار می کند، تنها به یک نوع حامل نیاز دارد، بنابراین ترانزیستور تک قطبی نامیده می شود. در سال 1959 نوع جدیدی از ترانزیستور متولد شد که MOSFET معروف (Metal-Oxide-Semiconductor FET) نام داشت. توسط محمد آتالا (تغییر نام به مارتین آتالا)، دانشمند مصری الاصل، و داون کاهنگ، دانشمند کره ای الاصل اختراع شد.

ماسفت همچنین از منبع، درین و گیت تشکیل شده است. "M" در "MOS" به این معنی است که دروازه در ابتدا با استفاده از فلز اجرا شده است. "O" به این معنی است که دروازه و بستر با استفاده از اکسید جدا می شوند. "S" به این معنی است که ماسفت به طور کلی توسط نیمه هادی اجرا می شود.
ترانزیستور ماسفت که با نام IGFET (In-sulated Gate FET، ترانزیستور اثر میدان گیت عایق شده) نیز شناخته می شود.

ماسفت (N型)
این ترانزیستور ماسفت نیز به دو نوع «N-type» و «P-type» یعنی NMOS و PMOS تقسیم می شود. با توجه به نوع عملکرد، آن را نیز به تقویت شده و خسته تقسیم می شود. MOS نوع N (که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد) در شکل بالا را به عنوان مثال در نظر بگیرید. از مواد نیمه هادی سیلیکونی نوع P به عنوان بستر استفاده شد و دو ناحیه از نوع N بر روی سطح پخش شد و سپس یک لایه عایق دی اکسید سیلیکون (SiO2) روی آن پوشانده شد. در نهایت در بالای ناحیه N دو سوراخ در اثر خوردگی ایجاد شد. سه الکترود بر روی لایه عایق و در دو سوراخ با متالیزاسیون ساخته می شود: G (دروازه)، S (منبع) و D (زهکش). بستر سیلیکونی نوع P دارای یک ترمینال (B) است که توسط یک سرب به منبع S متصل می شود. اصل کار یک ماسفت نسبتاً ساده است: به طور معمول، یک منطقه تخلیه خنثی بین ناحیه N و زیرلایه P به دلیل بازترکیب طبیعی حامل ها تشکیل می شود.

پس از وارد شدن ولتاژ رو به جلو به گیت، الکترونهای ناحیه P تحت تأثیر میدان الکتریکی در زیر اکسید سیلیکون گیت جمع میشوند و ناحیهای با تعداد الکترونها به تعداد زیربُنها، یعنی یک کانال، تشکیل میدهند.

حال اگر ولتاژی بین درین و منبع اعمال شود، جریان آزادانه بین منبع و درین جریان می یابد و به حالت رسانایی می رسد.

گیت G مانند گیتی است که ولتاژ را کنترل می کند، اگر ولتاژی به گیت G اعمال شود، گیت باز می شود و جریان از منبع S به تخلیه D می رسد. وقتی ولتاژ روی گیت برداشته شد، گیت بسته می شود و جریان نمی تواند از آن عبور کند. .
به طور خاص، لازم به ذکر است که در سال 1967، جیانگ دایوان با دانشمند چینی شی مین همکاری کرد تا به طور مشترک ساختار "دروازه شناور" FGMOS (Floating Gate MOSFET) را اختراع کند که پایه و اساس فناوری ذخیره سازی نیمه هادی ها را پایه گذاری کرد. بعدها تمامی فلش مموری ها، FLASH، EEPROM و... بر اساس این فناوری ساخته شدند.

BJT، JFET، MOSFET به تازگی معرفی شده اند، من ابتدا یک نمودار می کشم، فکر خود را به هم نریزید:

در سال 1963، نیمه هادی فرانک از Fairchild Semiconductor. فرانک وانلاس و چی تانگ ساه (از تبار چینی) برای اولین بار ترانزیستور CMOS را پیشنهاد کردند. آنها PMOS را با ترانزیستورهای NMOS ترکیب می کنند و آنها را به ساختارهای مکمل و تقریباً بدون جریان ساکن متصل می کنند. این نیز منشأ "C" (مکمل) ترانزیستورهای CMOS است.

بزرگترین ویژگی CMOS این است که مصرف برق بسیار کمتر از انواع دیگر ترانزیستورها است. با توسعه مداوم قانون مور، تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع در حال افزایش است که باعث می شود نیازهای مصرف برق نیز افزایش یابد. بر اساس ویژگی های مصرف انرژی کم، CMOS شروع به تبدیل شدن به جریان اصلی کرده است.
امروزه بیش از 95 درصد تراشه های مدار مجتمع بر اساس فرآیندهای CMOS تولید می شوند.
به عبارت دیگر، از دهه 1960، اصول اصلی معماری ترانزیستورها تا حد زیادی نهایی شده است. اکولوژی مدار مجتمع که توسط CMOS، سیلیکون نشان داده شده است (ذخایر طبیعی سیلیکون بسیار بیشتر از ژرمانیوم است و مقاومت در برابر حرارت آن بهتر از ژرمانیوم است، بنابراین به جریان اصلی تبدیل شده است) و فناوری مسطح از توسعه سریع کل صنعت پشتیبانی کرده است. برای دهه ها
PlanarFET، FinFET، GAAFET
اگرچه اصل معماری اصلی تغییر نکرده است، شکل آن تغییر کرده است.
مدارهای مجتمع دائماً در حال ارتقا هستند و فرآیندها و فرآیندها دائماً در حال تغییر هستند. هنگامی که تعداد ترانزیستورها به مقیاس معینی می رسد، این فرآیند ترانزیستورها را مجبور می کند تا برای رفع نیازهای توسعه "تغییر شکل" پیدا کنند. در روزهای اولیه، ترانزیستورها عمدتاً ترانزیستورهای مسطح (PlanarFETs) بودند. با کوچکتر شدن ترانزیستور، طول گیت کوتاه تر و کوتاهتر می شود و فاصله بین منبع و تخلیه به هم نزدیکتر می شود. هنگامی که فرآیند (یعنی آنچه ما اغلب 7 نانومتر و 3 نانومتر می نامیم، به طور کلی به عرض گیت اشاره دارد) کمتر از 20 نانومتر باشد، مشکل ایجاد می شود: دروازه ماسفت برای بستن کانال فعلی دشوار است، الکترون های بی قرار نمی توانند مسدود شود، پدیده نشت به طور مکرر رخ می دهد و مصرف برق نیز افزایش می یابد.

به منظور حل این مشکل، در سال 1999، پروفسور هو ژنگ مینگ، دانشمند چینی-آمریکایی، رسما FinFET را اختراع کرد. در مقایسه با طراحی گرافیکی PlanarFET، FinFET مستقیماً به یک طراحی سه بعدی و ساختار سه بعدی تبدیل شده است. کانال فعلی آن به یک برش عمودی نازک مانند باله ماهی تبدیل می شود که از سه طرف با پوشش دروازه ای بسته شده است. به این ترتیب، یک میدان الکتریکی نسبتاً قوی وجود دارد که کارایی کانال کنترل را بهبود می بخشد و می تواند بهتر کنترل کند که آیا الکترون ها می توانند از آن عبور کنند یا خیر. تکنولوژی به تکامل خود ادامه می دهد و تا زمانی که به 5 نانومتر برسد، FinFET ها نیز کار نمی کنند. در این زمان، GAAFET (ترانزیستور فناوری گیت پیچیده) وجود داشت. نام کامل GAAFET در زبان انگلیسی Gate-All-Around FET است. در مقایسه با FinFET ها، GAAFET دروازه و تخلیه از باله ها را به "چوب های کوچک" تبدیل می کند که به صورت عمودی از دروازه عبور می کنند. به این ترتیب، از سه تا چهار کنتاکت، و همچنین تقسیم به چندین کنتاکت چهارگانه، کنترل گیت جریان بیشتر بهبود می یابد. سامسونگ کره جنوبی شکل دیگری از GAA، MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET) را نیز طراحی کرده است. MBCFET نانوسیمها را در GAA با نانوصفحات چند لایه جایگزین میکند و عرض بیشتر ساختار ورق سطح تماس را افزایش میدهد، در حالی که تمام مزایای اصلی را حفظ میکند و پیچیدگی را به حداقل میرساند.
در حال حاضر، شرکت های بزرگ تراشه در صنعت هنوز در حال تحقیق عمیق در مورد ارتقاء شکل ترانزیستورها هستند تا نوآوری های بهتری برای حمایت از توسعه فناوری تراشه در آینده پیدا کنند.
█ Eپیلوگ
به طور کلی، چه یک لوله الکترونی (لوله خلاء) یا یک ترانزیستور، جزء کوچکی است که از الکتریسیته برای کنترل الکتریسیته استفاده می کند. ترانزیستورها بر اساس مواد نیمه هادی ساخته شده اند، بنابراین می توان آنها را به اندازه کافی کوچک ساخت. به همین دلیل است که تراشه ها (مدارهای مجتمع) می توانند به "اندازه بسیار کوچک، توانایی عالی" دست یابند. خواص مواد نیمه هادی و همچنین نقش ترانزیستورها بسیار ساده به نظر می رسد. این صدها میلیون «ابجت» ساده است که از توسعه فناوری دیجیتال انسان پشتیبانی می کند و ما را به سمت عصر هوش دیجیتال سوق می دهد.
ارسال درخواست


