فناوری های نانو مقیاس » نانو الکترونیک

[P O U R I A]

فناوری های نانو مقیاس » نانو الکترونیک
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------



آشنایی با فیزیک حالت جامد(پست های 2 تا 5 )

مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها(پست های 6 تا 8 )

دیود چیست و چگونه کار می کنند؟(پست های 9 تا 12 )

آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستورها(پست های 13 تا 16 )

ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم(پست های 17 تا 20 )

ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده الکترونیکی(پست های 21 تا 24 )

ترانزیستورها کوچک و کوچک‌تر می‌شوند(پست های 25 تا 27 )

فناوری ساخت مدارهای مجتمع(پست های 28 تا 36 )

چالش‌های فناوری نانو برای ساخت مدارهای مجتمع(پست های 37 تا 39 )

نانوالکترونیک و چالش‌های کوانتومی(پست های 40 تا 42 )

نانو لوله‌های کربنی، پاسخی برای چالش‌های نانو الکترونیک؟!(پست های 43 تا 44 )

اتصالات میانی مدارهای مجتمع، چالشی دیگر برای نانو الکترونیک!(پست های 45 تا 47 )

کربن یا سیلیکون، مسأله این است!(پست های 48 تا 49 )

نقاط کوانتومی و رها کردن تخم‌مرغ‌ها!(پست های 50 تا 52 )

سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)(پست های 53 تا 54 )

سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs)(پست های 55 تا 56 )

الکترونیک مولکولی(پست های 57 تا 58 )

 

[P O U R I A]

آشنایی با فیزیک حالت جامد

آشنایی با فیزیک حالت جامد

فیزیک کلاسیک می تواند به سوالات محدودی در مورد رسانایی مواد مختلف پاسخ دهد ولی همه ی پدیده های رسانایی را نمی توان به کمک آن توجیه کرد.برای توجیه سایر پدیده ها باید از نظریه ی نواری کمک بگیریم. در این نظریه ساختار جسم جامد دارای چند نوار است که هر نوار از چند تراز انرژی تشکیل شده است که الکترون ها بر این تراز های انرژی قرار می گیرند و با صرف انرژی برابر اختلاف انرژی دو تراز موجود، الکترون به ترازهای بالاتر رفته و رسانش الکتریکی صورت می گیرد. بین هردو نوار انرژی یک منطقه ای است که خالی از الکترون است این ناحیه را گاف انرژی گویند. اجسام رسانا دارای نوار رسانش نیمه پر هستند. اجسام نارسانا فقط دارای نوار پر و خالی هستند. اجسام نیمه رسانا نیز همانند اجسام نارسانا فقط دارای نوار پر و خالی هستند ولی با این تفاوت که گاف انرژی در این مواد کمتر است و با صرف انرژی می توان الکترون ها را از نواری به نوار دیگر منتقل کرد به همین علت است که رسانایی الکتریکی نیمه رسانا ها با افزایش دما کاهش می یابد.

 

[P O U R I A]

مقدمه
مشاهده‌ی پدیده‌های جدید در اوایل قرن بیستم میلادی و عدم توجیه این پدیده‌ها با قوانین فیزیک آن روز، موجب شد تا دانشمندان برخی نظریه‌های مرسوم فیزیک را دوباره بررسی کنند. نتیجه‌ی این اتفاقات، ظهور دو نظریه‌ی مهم و بنیادی در فیزیک به نام نظریه‌ی نسبیت و نظریه‌ی کوانتوم است.
یکی از این مشاهدات، پدیده‌ی رسانایی الکتریکی در جامدات بود. دانشمندان می‌توانستند بخش‌هایی از این پدیده را با استفاده از نظریه‌های فیزیک کلاسیک توجیه کنند؛ اما آزمایشات جدید، آنها را با وقایعی روبرو کرد که با قوانین قبلی قابل پیش‌بینی و توجیه نبودند.

رسانا یا نارسانا؟!
همانطور که می‌دانیم اتم از دو بخش اصلی به نام هسته و ابرِ الکترونی پیرامون هسته تشکیل شده است. الکترون ها اطراف هسته در حال حرکت‌اند و توسط نیروی جاذبه‌ی الکتروستاتیکی که بین هسته و الکترون‌ها موجود است، در قید جاذبه‌ی هسته‌ی اتم قرار دارند. حال اگر الکترون یا الکترون‌هایی در اتم موجود باشند که بتوانند خود را از قید جاذبه‌ی الکتروستاتیکی هسته رها کنند و آزادانه حرکت کنند، الکترون‌های آزاد نامیده می‌شوند. از آنجاییکه الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی هستند، با حرکت خود موجب انتقال بار الکتریکی می‌شوند. ازاین‌رو مواد جامدی را که دارای الکترون آزاد هستند، رسانا یا هادی الکتریکی می‌گوییم چرا که الکترون‌ها می‌توانند درون آنها جابه‌جا شوند. از سویی دیگر اگر هیچ الکترونی در اتم نتواند خود را از قید جاذبه‌ی الکتروستاتیکی هسته‌ی اتم رها کند، دیگر عاملی برای انتقال بار الکتریکی وجود ندارد و آن ماده، نارسانا یا عایق الکتریکی نامیده می‌شود.
مقاومت ویژه‌ی الکتریکی به بیان ساده یعنی میزان مقاومت مقدار معینی از یک ماده‌ی خاص در مقابل رسانایی الکتریکی. مقاومت ویژه‌ی الکتریکی در مواد گوناگون متفاوت است و در مورد هر ماده عدد ویژهای است. مثلا مقاومت ویژه‌ی الکتریکی نقره، که یک رسانای خوب محسوب می‌شود، 1.6 * 10-8 اهم متر است و مقاومت ویژه‌ی الکتریکی تفلون، که یک نارسانای قوی است، 1014 اهم متر است. (توجه کنید که چه تفاوت زیادی دارند!) در جدول 1 مقاومت ویژه‌ی الکتریکی برخی مواد در دمای اتاق (27 درجه‌ی سانتی‌گراد) داده شده است.

جدول 1 مقاومت ویژه ی الکتریکی چند ماده در دمای اتاق بر حسب اهم متر

همانطور که در جدول1 نیز مشخص است، رساناها دارای مقاومت ویژه‌ی الکتریکی بسیار کم و نارساناها دارای مقاومت ویژه‌ی الکتریکی بسیار زیاد هستند. با دقت در این جدول به موادی مانند سیلیسیوم و ژرمانیوم برمی‌خوریم که مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آن‌ها بین مقاومت ویژه‌ی الکتریکی رساناها و نارساناها است. این مواد را که مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آن‌ها نه شبیه رساناها و نه شبیه نارساناها است، نیمه‌رسانا یا نیمه‌هادی می‌گوییم.
همهی آنچه تاکنون گفته شد مطابق آن چیزی است که در فیزیک کلاسیک بیان میشود. همانطور که میبینیم فیزیک کلاسیک می‌تواند تفاوت بین رسانا و نارسانا را با بیانی ساده و به خوبی مشخص کند؛ اما آیا می‌داند که چرا رسانایی الکتریکی در رساناهای گوناگون متفاوت است؟ چرا الماس و گرافیت که هر دو از عنصر کربن تشکیل شدهاند، یکی نارسانا و دیگری رسانا است؟ چرا مقاومت ویژهی الکتریکی رساناها با افزایش دما بیشتر میشود، اما مقاومت ویژهی الکتریکی نیمه‌رساناها همانطور که در آزمایش هم دیده میشود با افزایش دما، کمتر میشود؟ و ... . این‌ها چند نمونه از پدیدههایی است که در فیزیک کلاسیک بدون پاسخ میماند.
یک نظریهی جدید!

 

[P O U R I A]

نظریهی نواری؟!
همانطور که می‌دانیم الکترون‌ها در مدارهای معینی که هر یک انرژی ویژه‌ای دارند، در اطراف هسته‌ی اتم حرکت می‌کنند. این مقدار انرژی را تراز انرژی آن مدار می‌گوییم. به هر یک از این مدارها و تراز انرژی وابسته به آن، یک حالت کوانتومی برای الکترون‌های آن اتم می‌گوییم.
در یک اتم الکترون‌ها ابتدا ترازهای پایین‌تر انرژی را پر می‌کنند. به بیان دیگر حالت‌های کوانتومی در هر اتم از تراز پایین به بالا توسط الکترون‌های آن اتم اشغال می‌شود. (این ماجرا مشابه آن است که شما درون یک کاسه تعدادی تیله بریزید، واضح است که تیله‌هایی که ابتدا می‌ریزید در تَهِ کاسه قرار می‌گیرند و تیله‌های بعدی به تدریج روی تیله‌های پایینی می‌ایستند.)
هنگامیکه همه‌ی الکترون‌ها به ترتیب ترازهای انرژی را از پایین به بالا پر می‌کنند، می‌گوییم اتم در حالت پایه‌ی خود قرار دارد. از طرف دیگر، الکترون می‌تواند با جذب مقداری انرژی، تراز خود را ترک کند و به تراز بالاتری که خالی است برود که در این حالت می‌گوییم اتم برانگیخته شده است. مقدار این انرژی دقیقا برابر مقدار اختلاف انرژی دو تراز است.
خُب، آنچه تاکنون بیان شد مربوط به یک اتمِ تنها بود. اما در اجسام جامد که متشکل از تعداد بسیار زیادی اتم است، ترازهای انرژیِ الکترون‌ها چگونه‌اند؟ پاسخ این پرسش همان چیزی است که به آن نظریه‌ی نواری می‌گوییم و مبتنی بر اصول مکانیک کوانتوم است. (ادامه‌ی ماجرا را با دقت بیشتری بخوانید!)
در جسم جامد به جای یک اتم، با مجموعه‌ای از اتم‌های نزدیک به هم سر و کار داریم. بنابراین دیگر فقط با یک هسته (با بار مثبت) و تعدادی الکترون (با بار منفی) که اطراف هسته‌ی اتم حرکت می‌کند، روبرو نیستیم؛ بلکه اکنون تعداد بسیار زیادی الکترون هستند که تحت تاثیر نیروهای حاصل از تمام هسته‌های مثبت قرار دارند. دانشمندان مدت‌های طولانی این مسئله‌ی بسیار پیچیده را بررسی کردند تا بالاخره نتایج زیر را بدست آورند:
ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، مانند ترازهای انرژی الکترون‌ها در یک اتم، مقدار انرژی ویژه‌ای دارند.
ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، مانند ترازهای انرژی الکترون‌ها در یک اتم، مقدارهایی گسسته‌اند. (یعنی ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد هر مقداری نمی‌تواند باشد و فقط مقادیر خاصی هست. بنابراین می‌گوییم این مقدار پیوسته نیست و گسسته است. به این نوع کمیت‌ها در مکانیک کوانتومی، کمیت کوانتیده گفته می‌شود.)
هر تراز انرژی تنها توسط یک الکترون می‌تواند پر شود. (در بعضی کتاب‌ها می‌گویند هر تراز انرژی توسط دو الکترون با اسپین مخالف پر می‌شود. البته این دو، متناقض هم نیستند و فقط بیان‌ها در مورد تراز انرژی با یکدیگر متفاوت است!).و مهم‌تر از همه اینکه ترازهای انرژی الکترون‌ها در جسم جامد، نوارهای مشخصی را تشکیل می‌دهند. هر نوار انرژی شامل تعداد بسیار زیادی ترازهای گسسته است که از نظر مقدار انرژی بسیار به هم نزدیک‌اند. تفاوت انرژی برخی نوارها بسیار زیاد است. یعنی بین آخرین تراز انرژی نوار پایین با اولین تراز انرژی نوار بالا، اختلاف انرژی زیادی وجود دارد. در این فاصله هیچ تراز انرژی وجود ندارد، یعنی الکترون‌ها در این فاصله نمی‌توانند قرار بگیرند. این ناحیه را ناحیه‌ی ممنوع یا گاف انرژی می‌گوییم.

شکل 1- نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی

 

[P O U R I A]

.با توجه به این توضیحات، به نظر شما الکترون‌ها چگونه در جسم جامد توزیع می‌شوند؟ در جسم جامد الکترون‌ها به ترتیب از پایین‌ترین تراز انرژی در پایین‌ترین نوار توزیع می‌شوند. از آنجاییکه در هر تراز انرژی فقط یک الکترون می‌تواند قرار بگیرد، ترازهای انرژی به ترتیب توسط الکترون‌ها پر می‌شوند تا یک نوار انرژی کاملا پر شود. الکترون‌های بعدی در ترازهای انرژی نوار بالاتر قرار می‌گیرند و این ماجرا ادامه می‌یابد تا همه‌ی الکترون‌ها در ترازهای انرژی جا بگیرند. بدین ترتیب آخرین نوار انرژی یا کاملا از الکترون پر است و یا نیمه‌پر است. واضح است نوارهای انرژی پایین‌تر همگی پر هستند و نوارهای انرژی بالاتر همگی خالی هستند.
همانطور که بیان شد در یک اتم الکترون‌ها می‌توانند با جذب مقداری انرژی، که دقیقا برابر اختلاف دو تراز انرژی است، از یک تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر بروند. در جسم جامد هم الکترون‌ها با جذب انرژی می‌توانند از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر در همان نوار منتقل شوند. اما برای تغییر تراز انرژی از یک نوار به نوار بالاتر، انرژی بسیار زیادی لازم است که در شرایط معمولی، اتفاق نمی‌افتد. بنابراین گذار الکترون از یک تراز انرژی به تراز انرژی دیگر، تنها در صورتی انجام می‌شود که نوار نیمه‌پر باشد؛ چون الکترون‌ها فقط می‌توانند به ترازهای انرژی بالاتر در همان نوار گذار کنند و گذار از یک نوار به نوار بالاتر امکان‌پذیر نیست.
از آنجاییکه الکترون‌های موجود در نوارهای پر، امکان گذار از یک تراز انرژی به تراز انرژی بالاتر را ندارند، بنابراین سهمی در رسانایی الکتریکی ندارند. به بیان دیگر تنها الکترون‌هایی که در نوارهای نیمه‌پر قرار دارند و امکان گذار از یک تراز انرژی به تراز انرژی بالاتری در همان نوار را دارند، در رسانایی الکتریکی جسم جامد نقش دارند. دقت کنید وقتی می‌گوییم الکترون از یک تراز انرژی به تراز انرژی بالاتری رفته، منظور افزایش سطح انرژی الکترون است، نه حرکت فیزیکی! (یعنی تلاش نکنید زیر میکروسکوپ دنبال ترازها و نوارهای انرژی بگردید!!!)

رسانا، نارسانا و نیمه‌رسانا در نظریه‌ی نواری

الف) ساختار نواری اجسام رسانا
اگر در ساختار نواری جسم جامد، نوار نیمه‌پر وجود داشته باشد، آن جسم رسانا است. زیرا الکترون‌های نوار نیمه‌پر به آسانی و تحت تاثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی که دو سر رسانا اِعمال می‌شود، می‌توانند تراز انرژی خود را تغییر دهند و در رسانایی الکتریکی شرکت کنند. این الکترون‌ها را الکترون‌های رسانش و نوار نیمه‌پر را نوار رسانش می‌گوییم. پس مشخصه‌ی اصلی رساناها، وجود نوار نیمه‌پر در ساختار نواری آن‌ها است (شکل 2). در رسانایی الکتریکی شرکت کنند.
این الکترون‌ها را الکترون‌های رسانش و نوار نیمه‌پر را نوار رسانش می‌گوییم. پس مشخصه‌ی اصلی رساناها، وجود نوار نیمه‌پر در ساختار نواری آن‌ها است

شکل 2- نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی در یک جسم رسانا

ب) ساختار نواری اجسام نارسانا
در ساختار نواری جامدات نارسانا، نوار نیمه‌پر وجود ندارد. گاف انرژی در جامدات نارسانا بسیار بزرگ است و بنابراین هیچ الکترونی نمی‌تواند از نوار پر به نوار خالی گذار کرده و موجب رسانایی الکتریکی شود. در این مواد رسانایی الکتریکی انجام نمی‌شود.

شکل 3- نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی در یک جسم نارسانا

پ) ساختار نواری اجسام نیمه‌رسانا
در ساختار نواری جامدات نیمه‌رسانا، همانند نارسانا، نوار نیمه‌پر وجود ندارد. اما گاف انرژی در نیمه‌رساناها بسیار کمتر از نارساناها است. در نیمه‌رسانا، بالاترین نوار پر را نوار ظرفیت و پایین‌ترین نوار خالی را نوار رسانش می‌گوییم. کوچک بودن گاف انرژی در جامدات نیمه رسانا موجب می‌شود که تعدادی از الکترون‌های نوار ظرفیت حتی در دمای اتاق برانگیخته شده، به نوار رسانش بروند و در رسانایی الکتریکی شرکت کنند. با افزایش دما، الکترون‌های بیشتری امکان گذار از نوار ظرفیت به نوار رسانش می‌یابند و بنابراین رسانایی الکتریکی بیشتر می‌شود.

شکل 4- نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی در یک جسم نیمه‌رسانا

 

[P O U R I A]

مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها

مواد نیمه رسانا، انواع و ویژگی ها

یکی از ویژگی‌های جالب مواد نیمه‌رسانا، که آنها را از مواد رسانا متمایز می‌کند، چگونگی تغییر مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آنها با تغییرات دما است. برخلاف رسانا، در نیمه رسانا افزایش دما موجب کاهش مقاومت ویژه‌ی الکتریکیِ نیمه‌رسانا می‌شود. آزمایش ها نشان می دهد ذراتی با بار مثبت و هم‌جرم الکترون نیز در رسانایی الکتریکی نیمه‌رساناها نقش دارند این ذرات را که جای خالی الکترون ها در هر لایه هستند، حفره می گوییم. علاوه بر افزایش دما، با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده‌ی نیمه‌رسانا نیز می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. آلایش نیمه‌رسانا به دو روش مختلف انجام می‌شود. یک روش آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد و روش دیگر آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد.

 

[P O U R I A]

گفتیم برای توجیه پدیدهی رسانایی الکتریکی در جامدات، دیگر نظریهی کلاسیکِ الکترون آزاد پاسخگو نیست و نظریهی نواری، که مبتنی بر فیزیک کوانتوم است، برای تفسیر این پدیده استفاده می‌شود. در مقالهی قبل اندکی دربارهی این نظریه صحبت کردیم و با ساختار نواری جامدات رسانا، نارسانا و نیمهرسانا آشنا شدیم. در ادامه مطلب قبلی، در این مقاله درباره‌ی برخی ویژگی‌های مواد نیمه‌رسانا سخن می‌گوییم.

برخی ویژگی های نیمه رساناها
یکی از ویژگی‌های جالب مواد نیمه‌رسانا، که آنها را از مواد رسانا متمایز می‌کند، چگونگی تغییر مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آنها با تغییرات دما است. همانطور که می‌دانیم افزایش دما موجب افزایش مقاومت ویژه‌ی الکتریکی مواد رسانا می‌شود. علت این پدیده نیز افزایش تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های در حال نوسان در جسم رسانا است. با افزایش دما، جنبشِ ذراتِ تشکیل‌دهنده‌ی جسم بیشتر می‌شود و بنابراین تعداد و شدت برخورد الکترون‌های آزاد با اتم‌های جسم افزایش می‌یابد. یعنی الکترون‌ها که حاملان بار الکتریکی در جسم جامد رسانا هستند، برای انتقال بار الکتریکی با موانع بیشتری برخورد می‌کنند و در نتیجه رسانایی الکتریکیِ جسم کاهش می‌یابد.
آزمایش‌ نشان می‌دهد، برخلاف رسانا، در نیمه رسانا افزایش دما موجب کاهش مقاومت ویژه‌ی الکتریکیِ نیمه‌رسانا می‌شود. توجیه این پدیده در نیمه‌رسانا تنها با استفاده از نظریه‌ی نواری امکان‌پذیر است.
در تصویر 1 ساختار نواری یک نیمه‌رسانا نشان داده شده است. همان‌گونه که در تصویر می‌بینیم در دماهای پایین نوار ظرفیت نیمه‌رسانا کاملا پُر از الکترون و نوار رسانش کاملا خالی از الکترون است. از این رو نه نوار ظرفیت در رسانش نقشی دارد (چون نوار کاملا پر است و هیچ الکترونی امکان گذار درون نوار را ندارد) و نه در نوار رسانش الکترونی هست تا موجب رسانایی الکتریکی شود. بنابراین در دماهای پایین، نیمه‌سانا مشابه نارسانا رفتار می‌کند. با افزایش دما، تعدادی از الکترون‌های نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می‌کنند. بدین ترتیب هم الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند، موجب رسانایی الکتریکی می‌شوند و هم تعدادی تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. ازاین‌رو امکان گذار برای الکترون‌های نوار ظرفیت نیز (در همان نوار) فراهم می‌شود. به بیان دیگر، در این حالت هم نوار رسانش در رسانایی الکتریکی نقش دارد و هم نوار ظرفیت. به همین ترتیب با افزایش دما هم تعداد الکترون‌های نوار رسانش بیشتر می‌شود و هم ترازهای خالی نوار ظرفیت افزایش می‌یابد. این مسئله سبب افزایش رسانایی الکتریکی نیمه‌رسانا می‌شود. اما مسئله به همین‌جا ختم نمی‌شود.

شکل 1- ساختار نواری یک جسم نیمه‌رسانا

آزمایش‌های گوناگون نشان میدهد که مقدار جریان الکتریکی در نیمه رسانا بیشتر از آن است که فقط با عبور الکترون‌ها ایجاد شده باشد. این پدیده ایده‌ی وجود ذرات دیگری را به عنوان حامل بار الکتریکی مطرح می‌کند. به عبارت دیگر ما تا کنون فقط الکترونها را به عنوان حاملان بار الکتریکی در نظر میگرفتیم، اما آزمایش‌های دقیق‌تر نشان می‌دهد ذراتی با بار مثبت و هم‌جرم الکترون نیز در رسانایی الکتریکی نیمه‌رساناها نقش دارند.
این اتفاق با استفاده از نظریه‌ی نواری اینچنین توجیه می‌شود؛ در نیمه‌رسانا علاوه بر الکترون‌هایی که در نوار رسانش قرار می‌گیرند و در رسانایی الکتریکی نقش دارند، جای خالی ایجاد شده در نوار ظرفیت نیز (که به دلیل گذار الکترون‌ها به نوار رسانش تشکیل شده)، موجب رسانایی الکتریکی می‌شود.
با گذار الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، تعدادی جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. جای خالی الکترون در نوار ظرفیت را حفره می‌گوییم. حالا با ایجاد این جاهای خالی در نوار ظرفیت، الکترون‌های این نوار هم می‌توانند گذار انجام دهند و از تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتر بروند. این مسئله موجب رسانایی الکتریکی می‌شود.
گذار الکترون از تراز اولیه‌ی خود به تراز خالی، مشابه آن است که بگوییم حفره از تراز بالاتر به تراز اولیه‌ی الکترون گذار کرده است. بنابراین به جای آن‌که بگوییم الکترون درون نوار ظرفیت گذار کرده است، می‌گوییم حفره تراز خود را تغییر داده است. در واقع زیاد بودن تعداد الکترون‌ها، بررسی گذار آن‌ها را دشوار می‌کند؛ اما چون تعداد حفره‌ها کم‌ است، در نظر گرفتن آنها ساده‌تر است. نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد، نحوه تعیین بار حفره‌های نوار ظرفیت است. از آنجاییکه حفره‌‌ها، برخلاف الکترون‌ها، از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر گذار می‌کنند؛ قرارداد می‌کنیم که بار آنها را مثبت در نظر بگیریم.
پس در نیمه‌رسانا دو نوع حامل بار الکتریکی داریم؛ یکی الکترون‌های نوار رسانش و دیگری حفره‌های نوار ظرفیت.

 

[P O U R I A]

آلایش نیمه‌رسانا
نیمه‌رسانایی را که ناخالصی نداشته باشد، نیمه‌رسانای ذاتی می‌گوییم. در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد الکترون‌های موجود در نوار رسانش با تعداد حفره‌های موجود در نوار ظرفیت با هم برابرند.
همان‌طور که متوجه شدیم با افزایش دما می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی و در نتیجه رسانایی الکتریکی را در مواد نیمه‌رسانا افزایش داد. علاوه بر افزایش دما، با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده‌ی نیمه‌رسانا نیز می‌توان تعداد حاملان بار الکتریکی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. منظور از ناخالصی، اتم‌های غیرهم‌جنس با اتم‌های نیمه‌رسانا است. به عمل اضافه کردن ناخالصی به نیمه‌رسانا، "آلایش نیمه‌رسانا" می‌گوییم و نیمه‌رسانایی را که به آن اتم‌های ناخالصی اضافه شده است، نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌نامند. با افزودن ناخالصی به نیمه‌رسانا، مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آن کاهش می‌یابد و در نتیجه رسانایی الکتریکی نیمه‌رسانا به صورت قابل توجهی بیشتر می‌شود.
آلایش نیمه‌رسانا به دو روش مختلف انجام می‌شود. یک روش آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد و روش دیگر آن است که اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم‌های نیمه‌رسانای ذاتی داشته باشد. به عنوان مثال دو نیمه‌رسانای معروف که در بسیاری از قطعات الکترونیکی استفاده می‌شوند، عناصر سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم(Ge) هستند که هر دو چهار الکترون ظرفیت دارند. با اضافه کردن مقادیری ناخالصی از جنس فسفر(P) یا ارسنیک(As) که دارای پنج الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمه‌رسانا را به روش اول آلایش کرده‌ایم. همچنین با افزودن مقادیری ناخالصی از جنس بور (B) یا آلومینیوم (Al) که دارای سه الکترون ظرفیت هستند به سیلیسیوم یا ژرمانیوم، نیمه‌رسانا را به روش دوم آلایش کرده‌ایم.
نیمه‌رسانایی را که به روش اول آلاییده می‌شود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت بیشتر از اتم نیمه‌رسانا داشته باشد، نیمه‌رسانای نوع n می‌گوییم و نیمه‌رسانایی را که به روش دوم آلاییده می‌شود، یعنی اتم ناخالصی یک الکترون ظرفیت کمتر از اتم نیمه‌رسانا داشته باشد، نیمه‌رسانای نوع p می‌گوییم.

الف) نیمه‌رسانای نوع n
با افزودن مقادیر کمی ناخالصی از جنس یک اتم پنج ظرفیتی مانند ارسنیک به نیمه‌رسانای سیلیسیوم که دارای چهار الکترون ظرفیت هست، نیمه‌رسانای نوع n تشکیل می‌شود. همان‌گونه که در تصویر 2 مشاهده می‌کنیم، چهار تا از الکترون‌های ظرفیت اتم ارسنیک با اتم‌های سیلیسیومِ همسایه پیوند تشکیل می‌دهند و در واقع این چهار الکترون به جای الکترون‌های اتم سیلیسیوم، نوار ظرفیت را پُر می‌کنند.

شکل 2- آلایش سیلیسیوم با ارسنیک

 

[P O U R I A]

دیود چیست و چگونه کار می کنند؟

دیود چیست و چگونه کار می کنند؟

در اثر اتصال یک نیمه رسانای نوع n به یک نیمه رسانای نوع p قطعه ای به نام پیوند p-n (دیود) حاصل می شود. بر اثر این اتصال کمی الکترون از بخش n به بخش p آمده و کمی هم حفره از بخش p به بخش n آمده و باعث می شود یک میدان الکتریکی درون این قطعه حاصل شود. حال که این قطعه در مدار قرار می گیرد اگر میدان الکتریکی دو سر این قطعه خلاف جهت میدان الکتریکی درونی باشد، میدان الکتریکی درونی خنثی شده و جریان الکتریکی در آن جهت برقرار می شود ولی اگر میدان الکتریکی دو سر قطعه هم سو با میدان درونی باشد ، جریان الکتریکی در آن جهت عبور داده نمی شود.

 

[P O U R I A]

مروری بر گذشته
در مقاله های قبلی با مواد نیمه رسانا و برخی ویژگی های آن آشنا شدیم و این مواد را از دیدگاه نظریه‌ی نواری بررسی کردیم. همچنین آموختیم که در نیمه رسانا می توان با افزودن مقادیر کمی ناخالصی رسانش الکتریکی را به صورت شگفت انگیزی افزایش داد. گفتیم سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) دو نیمه رسانای معروف هستند که هر کدام 4 الکترون ظرفیت دارند. اگر آن ها را با عناصری که اتم‌هایشان 5 الکترون ظرفیت دارند، نظیر ارسنیک (As) یا فسفر (P) آلایش دهیم، نیمه رسانای نوع n تولید می شود و اگر آن ها را با عناصری که اتم هایشان 3 الکترون ظرفیت دارند، نظیر بور (B) یا آلومینیوم (Al) آلایش دهیم، نیمه رسانای نوع p تولید می شود.
اشاره کردیم که در نیمه رسانای نوع n، الکترون های نوار رسانش بیشتر از حفره های نوار ظرفیت نقش حامل های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می گوییم در نیمه رسانای نوع n الکترون ها حامل اکثریت هستند (در مقابل حفره ها حامل اقلیت هستند). در نیمه رسانای نوع p، حفره های نوار ظرفیت بیشتر از الکترون های نوار رسانش نقش حامل های بار الکتریکی را دارند. بنابراین می گوییم در نیمه رسانای نوع p حفره ها حامل اکثریت هستند (در مقابل الکترون ها حامل اقلیت هستند). اکنون در ادامه ی مباحث قبل می خواهیم درباره ی یک ویژگی بسیار جالب نیمه رسانا صحبت کنیم. این ویژگی اساسِ کارِ بسیاری از قطعات الکترونیکی است که ما در رایانه، تلفن همراه، حافظه و ... از آن‌ها استفاده می کنیم.


یک ماجرای جالب
.
.
.
لطفا وارد نشوید!
اگر یک نیمه رسانای نوع n را به یک نیمه¬ رسانای نوع p متصل کنیم، قطعه ای حاصل می شود که آن را پیوند p-n می گوییم. پیوند p-n ویژگی جالب توجهی دارد که شنیدن آن خالی از لطف نیست.
همانگونه که می دانیم حامل های اکثریت در نیمه رسانای نوع n از جنس الکترون های آزاد و در نیمه رسانای نوع p از جنس حفره های آزاد هستند. در اثر اتصال این دو نیمه رسانا به یکدیگر، تعدادی از الکترون های نیمه رسانای نوع n به سمت نیمه رسانای نوع p می روند و تعدادی از حفره های نیمه رسانای نوع p به سمت نیمه رسانای نوع n منتقل می شوند. علت این انتقال پدیده ای به نام نفوذ است که ما بارها آن را پیرامون خود مشاهده کردیم.

 

[P O U R I A]

فعالیت1
مواد و وسایل مورد نیاز: مقداری جوهر رنگی، مقداری آب، یک ظرف شیشه ای مثل بِشِر یا لیوان، یک قطره چکان.
شرح فعالیت: مقداری آب درون ظرف شیشه ای بریزید به گونه ای که ظرف تقریبا پُر شود. با استفاده از قطره چکان یک قطره جوهر رنگی درون آب بیاندازید. چه روی می دهد؟

تصویر1: لحظات اولیه چکاندن قطره

تصویر2: توزیع یکنواخت قطره رنگی در آب

همان گونه که در تصویر1 مشاهده می کنیم ذرات جوهر از جایی که تعدادشان بیشتر است به جایی که تعدادشان کمتر است منتقل می شوند؛ به گونه ای که به تدریج در همه جا به یک اندازه توزیع می‌شوند و تمامی آب رنگی می شود (تصویر2). به این پدیده، یعنی انتقال خودبخودی ذرات از جایی که تعدادشان بیشتر است به جایی که تعدادشان کمتر است، نفوذ می گوییم.
هنگام اتصال دو قطعه ی نیمه رسانای نوع n و p به یکدیگر، تعدادی از الکترون ها که در نیمه‌رسانای نوع n حامل اکثریت هستند، در اثر پدیده ی نفوذ به سمت نیمه رسانای نوع p می روند. همچنین تعدادی از حفره ها که در نیمه¬ رسانای نوع p حامل اکثریت هستند نیز در اثر پدیده ی نفوذ به سمت نیمه رسانای نوع n می روند.

تصویر3- یک پیوند p-n

به تصویر3 نگاه کنید. در اثر انتقال الکترون ها از n به p، تعدادی از اتم های نیمه رسانا در سمت n که یک الکترون خود را از دست داده اند، به یونی با بار مثبت تبدیل می شوند. همچنین به صورت برعکس، در اثر انتقال حفره ها از p به n، تعدادی از اتم های نیمه رسانا در سمت p که یک حفره از دست داده‌اند، به یونی با بار منفی تبدیل می شوند. می دانیم که بر خلاف الکترون ها و حفره ها که می توانند آزادانه حرکت کنند، یون ها در جای خود ثابت می مانند و حرکت نمی کنند. الکترون های آزاد و حفره های آزاد که از دو طرف می آیند با یکدیگر ترکیب می شوند و اثر هم را خنثی می کنند. بنابراین تعداد حاملان بار الکتریکی، که همان الکترون ها و حفره ها هستند، در این ناحیه کم می شود. این ناحیه را که تعداد حاملان بار الکتریکی در آن بسیار کم است، ناحیه ی تهی می گوییم.

 

[P O U R I A]

فعالیت2
مواد و وسایل مورد نیاز: 2 میله ی کوچک شیشه ای (در همه ی آزمایشگاه ها می توانید پیدا کنید)، مقداری پارچه ی پشمی، تکه های کوچک کاغذ.

شرح فعالیت:
1- یک میله ی شیشه ای را با پارچه ی پشمی مالش دهید و سپس آن را به تکه های کاغذ نزدیک کنید. چه روی می دهد؟
2- هر دو میله ی شیشه ای را با پارچه ی پشمی مالش دهید و آن ها را به یکدیگر نزدیک کنید. این بار چه روی می دهد؟
فضایی که پیرامون اجسام باردار الکتریکی شکل می گیرد و در این فضا به اجسام دیگر نیروی جاذبه یا دافعه الکتریکی وارد می‌شود را میدان الکتریکی می گوییم. قرار می‌گذاریم (قرارداد می‌کنیم) که جهت میدان الکتریکی از بار مثبت به سمت بار منفی باشد. اگر جسمی باردار درون میدان الکتریکی قرار گیرد، از بار همنام خود دفع شده و به بار ناهمنام خود جذب می شود. این سبب می‌شود که اجسام با بار مثبت درون میدان الکتریکی هم جهت میدان (به سمت بار منفی) حرکت کنند و اجسام با بار منفی، خلاف جهت میدان (به سمت بار مثبت) حرکت کنند.

تصویر4- میدان الکتریکی بار منفی خلاف جهت میدان و بار مثبت هم‌جهت میدان حرکت می‌کند. جهت میدان الکتریکی با بردارهای آبی مشخص شده است.

همان‌گونه که بیان کردیم در اثر پدیده‌ی نفوذ، حامل‌های اکثریت بار الکتریکی از هر دو طرف به سمت یکدیگر حرکت می کنند و اثر هم را خنثی می کنند. بنابراین یون های ثابت با بار مثبت در سمت n و یون های ثابت با بار منفی در سمت p باقی می ماند. این ناحیه را ناحیه ی تهی نامیدیم. ناحیه ی تهی دارای عرض محدودی است. زیرا در اثر وجود یون های ثابت مثبت و منفی در طرفین آن، یک میدان الکتریکی داخلی در ناحیه ی تهی به وجود می آید. از آن جاییکه جهت میدان الکتریکی از مثبت به منفی است، پس جهت این میدان داخلی از سمت یون های مثبت به سمت یون های منفی است، یعنی از n به p. وجود این میدان الکتریکی داخلی، مانع ادامه ی نفوذ الکترون های آزاد به سمت p و حفره های آزاد به سمت n می شود (زیرا الکترون ها بار الکتریکی منفی دارند و به صورت خودبخودی خلاف جهت میدان الکتریکی حرکت می کنند. همچنین حفره ها بار الکتریکی مثبت دارند و به صورت خودبخودی هم جهت میدان الکتریکی حرکت می کنند). تصویر5 را ببینید.

تصویر5- ایجاد ناحیه تهی و جهت میدان الکتریکی داخلی

بنابراین نفوذ الکترون های آزاد و حفره های آزاد تا جایی ادامه می یابد که میدان الکتریکی داخلی دیگر اجازه ی نفوذ حاملان بار را ندهد. در این هنگام عرض ناحیه ی تهی دیگر بیشتر نمی شود و تقریبا ثابت می ماند.
این ویژگی جالب سبب می‌شود که که هرگاه پیوند p-n در مدار الکتریکی قرار بگیرد، جریان الکتریکی را فقط از یک سو عبور دهد. در واقع الکترون ها از یک سو اجازه ی عبور دارند و از سوی دیگر اجازه‌ی عبور ندارند! (لطفا وارد نشوید!)
همان گونه که بیان کردیم میدان الکتریکی داخلی در ناحیه ی تهیِ پیوندِ p-n، مانع از ادامه ی نفوذ حاملان بار الکتریکی در دو طرف می شود و بنابراین جریان الکتریکی نمی تواند از آن عبور کند. اکنون اگر یک میدان الکتریکی قوی تر از میدان الکتریکی داخلی و خلاف جهت آن، به دو طرف پیوند p-n اعمال کنیم، اثر میدان داخلی از بین می رود و در اثر این میدان الکترون های آزاد می‌توانند منتقل شوند. برای این کار کافی است پایانه ی مثبت منبع ولتاژ (نظیر یک باتری) را به سمت p و پایانه ی منفی منبع ولتاژ را به سمت n متصل کنیم. در پیوندهای p-n که از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ساخته می شوند و در قطعات الکترونیکی استفاده می شود، برای غلبه بر میدان الکتریکی داخلی، تقریبا ولتاژ 0/7 ولت کافی است. بنابراین با این کار الکترون های آزاد می توانند هم جهت میدان الکتریکی داخلی (در واقع خلاف جهت میدان الکتریکی خارجی که بزرگتر است) حرکت کنند و موجب رسانش الکتریکی شوند (تصویر6).

تصویر6- اتصال منبع ولتاژ الکتریکی به یک پیوند p-n به صورتی که پایانه مثبت به p و پایانه منفی به n متصل است.

اما اگر جهت پایانه های باتری را برعکس متصل کنیم، یعنی پایانه ی منفی را به p و پایانه ی مثبت را به n اتصال دهیم، میدان الکتریکی خارجی هم جهت میدان الکتریکی داخلی ایجاد می شود و جریان الکتریکی برقرار نمی شود (تصویر7).

تصویر7- اتصال منبع ولتاژ الکتریکی به یک پیوند p-n به صورتی که پایانه مثبت به n و پایانه منفی به p متصل است.

در الکترونیک به قطعه ای که دارای یک پیوند p-n هست، دیود می گوییم. در تصویر8 یک دیود واقعی را مشاهده می کنیم.

تصویر8- یک دیود واقعی که از یک پیوند p-n تشکیل شده است.

 

[P O U R I A]

آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستورها

آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستورها

ترانزیستور دارای انواع گوناگونی است که مهم‌ترین آن BJT و MOSFET نام دارد. ترانزیستور MOS (ترانزیستور MOSFET را به اختصار MOS می گوییم .) دارای دو نوع گوناگون است. یکی NMOS و دیگری PMOS نام دارد. در ترانزیستور NMOS الکترون‌های آزاد حامل بار الکتریکی هستند و در ترانزیستور PMOS حفره‌های آزاد حامل بار الکتریکی می‌باشند. عملکرد ترانزیستور PMOS و پدیده‌ی روشن شدن در آن مشابه ترانزیستور NMOS است، با این تفاوت که همه‌ی ولتاژها معکوس می‌شود. عملکرد ترانزیستور MOS مشابه کلید در برق ساختمان است.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در سه مقاله‌ی قبلی به صورت مختصر با فیزیک حالت جامد آشنا شدیم. در مقاله‌ی اول نظریه‌ی نواری را به منظور توجیه پدیده‌ی رسانایی جامدات آموختیم. در مقاله‌ی دوم با نیمه‌رسانا و ویژگی‌های متمایز آن و همچنین مفهوم آلایش نیمه‌رسانا با عناصر دیگر آشنا شدیم. در مقاله‌ی سوم نیز مشاهده کردیم که با اتصال دو نوع نیمه‌رسانای n و p و تشکیل پیوند p-n، قطعه‌ای حاصل می‌شود که از یک سو جریان الکتریکی را عبور می‌دهد و از سوی دیگر نه! این قطعه را دیود نامیدیم.
پس از آشنایی مقدماتی با مفاهیم بیان شده در مقالات قبل، اکنون می‌توانیم درباره‌ی مهم‌ترین عنصر مدارات الکترونیکی یعنی ترانزیستور صحبت کنیم. اهمیت ترانزیستور در مدارات الکترونیکی همانند اهمیت آجر در ساختن یک ساختمان است!!! به بیان دیگر، همان‌طور که آجر جزء اساسی در ساختن یک ساختمان است، ترانزیستور نیز جزء اصلی ساختن یک مدار الکترونیکی است. در مقالات بعدی درباره‌ی کاربرد و اهمیت ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی مطالبی را همراه با مثال بیان خواهیم کرد.
ترانزیستور دارای انواع گوناگونی است که مهم‌ترین آن BJT و MOSFET نام دارد. ما در این مقاله درباره‌ی ساختار و چگونگی عملکرد MOSFET مطالبی را خواهیم آموخت. کاربرد MOSFET درمدارهای الکترونیکی امروزی بسیار بیشتر از BJT است، بنابراین فعلا سراغ MOSFET می‌رویم. برای اختصار این نوع ترانزیستور را، ترانزیستور MOS می‌نامیم.

ساختار ترانزیستور MOS
ترانزیستور MOS دارای دو نوع گوناگون است. یکی NMOS و دیگری PMOS نام دارد. در ترانزیستور NMOS الکترون‌های آزاد حامل بار الکتریکی هستند و در ترانزیستور PMOS حفره‌های آزاد حامل بار الکتریکی می‌باشند. ابتدا ساختار ترانزیستور NMOS را شرح می‌دهیم. سپس با استفاده از تشابهاتِ موجود، ساختار ترانزیستور PMOS را نیز بیان می‌کنیم.
در تصویر1 ساختار یک ترانزیستور NMOS را مشاهده میک‌نیم. همان‌طور که در تصویر1 می‌بینیم ترانزیستور NMOS از سه ناحیه تشکیل شده است. هر سه ناحیه بر روی یک بدنه بنا شده است. در ترانزیستور NMOS، بدنه از جنس نیمه‌رسانای نوع p است. بر روی بدنه قطعه‌ای قرار گرفته که شامل دو ناحیه‌ی نیمه‌رسانای نوع n است. این ناحیه‌ها با فاصله‌ی معینی از یکدیگر قرار گرفته‌اند و بین آن‌ها، نیمه‌رسانای نوع p قرار دارد.

تصویر1- ساختار یک ترانزیستور NMOS

جنس ترانزیستور NMOS، مانند بسیاری از قطعات الکترونیکی دیگر، از عنصر سیلیسیوم (Si) است که با افزودن ناخالصی از عناصر سه ظرفیتی و پنج ظرفیتی به ترتیب به نیمه رسانای نوع p و نوع n آلاییده می‌شود. بر روی نیمه‌رسانای نوع p که در بین دو ناحیه‌ی n قرار دارد، یک لایه‌ی نازک از اکسید سیلیسیوم (SiO2) قرار گرفته که ماده‌ای نارسانا است. یک لایه‌ی رسانا (که در گذشته از جنس فلز بوده و در فناوری جدید از جنس سیلیسیومِ غیربلورین است) نیز بر روی لایه‌ی نازکِ اکسید قرار دارد.
بدنه‌ی ترانزیستور NMOS را زیربنا یا بدنه می‌نامیم. یکی از ناحیه‌ها‌ی نیمه‌رسانای نوع n را دِرِین (Drain) و دیگری را سورس (Source) می‌گوییم. لایه‌ی رسانای روی اکسید را هم گِیت (Gate) می‌نامیم.

 

[P O U R I A]

در تصویر2 یک ترانزیستور PMOS را مشاهده می‌کنیم. همان‌طور که در تصویر2 می‌بینیم ترانزیستور PMOS بر روی زیربنایی از جنس نیمه‌رسانای نوع n، بنا شده است. ترانزیستور PMOS از دو ناحیه‌ی نیمه‌رسانای نوع p تشکیل شده که با فاصله‌ی معینی از یکدیگر قرار دارند. این دو ناحیه را دِرِین و سورس می‌نامیم. در بین دو ناحیه‌ی درین و سورس، ناحیه‌ای از جنس نیمه‌رسانای نوع n قرار دارد. مشابه ترنزیستور NMOS، در ترانزیستور PMOS نیز بر روی ناحیه‌ی بین سورس و درین، یک لایه‌ی نازک از اکسید سیلیسیوم قرار دارد. بر روی این لایه‌ی اکسید، یک لایه‌ی رسانا از جنس سیلیسیوم غیربلورین وجود دارد که آن‌را گیت می‌نامیم.

تصویر2- ساختار یک ترانزیستور PMOS

توجه کنید که هر دو ترانزیستور NMOS وPMOS، نسبت به سورس و درین ساختار متقارنی دارند. در هر دو ترانزیستور طول گیت را در امتداد مسیر بین سورس و درین است، طول کانال و راستای عمود بر آن را پهنای کانال می‌نامیم.

عملکرد ترانزیستور MOS
در این بخش نیز ابتدا عملکرد ترانزیستور NMOS را شرح می‌دهیم. و سپس به‌طور مشابه عملکرد ترانزیستور PMOS را از روی آن شرح خواهیم داد. بسیار خوب، یک ترانزیستور NMOS را در نظر می‌گیریم که مطابق تصویر3 به منبع ولتاژ متصل شده است (گیت را به پتانسیل مثبت متصل می‌کنیم. همچنین درین را به پتانسیل مثبت و سورس را به زمین متصل می‌کنیم.)

تصویر3- یک ترانزیستور NMOS متصل به منبع ولتاژ

همان‌طور که در تصویر3 مشاهده می‌کنیم با افزایش ولتاژ پایانه‌ی گیت، بار مثبت در این پایانه تجمع می‌کند (در واقع بار مثبت به دلیل اتصال به پایانه‌ی مثبت منبع ولتاژ، در گیت جمع می‌شود). به دلیل وجود یک لایه‌ی اکسید که نارسانای الکتریکی است، بار در محل گیت باقی می‌ماند و جمع می‌شود. در اثر پدیده‌ی القای الکتریکی، حفره‌های موجود در زیربنای نوع p، که دارای بار مثبت هستند، از زیر سطح گیت رانده می‌شوند و یون‌های منفی به جای می‌ماند (تصویر4 را ببینید). این ناحیه را که تعدادی از حامل‌های بار الکتریکی از آن رانده شده است، ناحیه‌ی تهی می‌نامیم.

تصویر4- در اثر پدیده‌ی القای الکتریکی، حفره‌های موجود در زیربنای نوع p از زیر سطح گیت رانده می‌شوند و یون‌های منفی به جای می‌ماند

 

[P O U R I A]

تا کنون و تحت این شرایط هیچ جریان الکتریکی به وجود نیامده است. زیرا مسیر بین سورس و درین به اندازه‌ی کافی دارای حامل بار الکتریکی نیست. با افزایش ولتاژ گیت به تدریج تعدادی از الکترون‌های آزاد که در ناحیه‌ی سورس قرار دارند به محدوده‌ی زیر اکسید گیت وارد می‌شوند (دلیل این اتفاق آن است که ولتاژ گیت و همچنین درین مثبت است و بار الکترون‌ها منفی است. بنابراین با افزایش ولتاژ مثبت، الکترون‌ها به دلیل نیروی جاذبه‌ی الکتریکی تمایل پیدا می‌کنند که به سمت درین حرکت کنند). چنان‌چه ولتاژ گیت را باز هم بیشتر کنیم، با توجه به اینکه ولتاژ درین نیز مثبت (تصویر3) است و الکترون‌ها را به سمت خود جذب می‌کند، الکترون‌های آزاد از سورس به درین منتقل می‌شوند و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. به این ترتیب یک کانال یا مسیر از حامل‌های بار الکتریکی، که در این‌جا از نوع الکترون‌های آزاد است، بین سورس و درین و زیر لایه‌ی نازک اکسید، تشکیل می‌شود (تصویر5). در این حالت می‌گوییم ترانزیستور روشن است. مقدار ولتاژِ گیت را که به ازای آن این اتفاق می‌افتد، ولتاژ آستانه می‌نامیم.

تصویر5- با افزایش ولتاژ گیت به تدریج تعدادی از الکترون‌های آزاد که در ناحیه‌ی سورس قرار دارند به محدوده‌ی زیر اکسید گیت وارد می‌شوند

عملکرد ترانزیستور PMOS و پدیده‌ی روشن شدن در آن مشابه ترانزیستور NMOS است، با این تفاوت که همه‌ی ولتاژها معکوس می‌شود. همان‌طور که در تصویر6 مشاهده می‌کنیم، اگر ولتاژ گیت به اندازه‌ی کافی منفی شود، لایه‌ا‌ی وارون حالت قبل (تصویر 5) در زیر لایه‌ی اکسید تشکیل می‌شود. این لایه که شامل حامل‌های بار الکتریکی از نوع حفره‌های آزاد است، برای برقراری جریان الکتریکی مسیری بین درین و سورس فراهم می‌کند.

تصویر6- اگر ولتاژ گیت به اندازه‌ی کافی منفی شود، یک لایه‌ی وارون از حفره‌ها در زیر لایه‌ی اکسید تشکیل می‌شود

ترانزیستور MOS به عنوان کلید
همان طور که گفتیم پدیده‌ی روشن شدن ترانزیستور NMOS و PMOS یک پدیده‌ی تدریجی است. در ترانزیستور NMOS اگر ولتاژ گیت بالا باشد، سورس و درین به یکدیگر متصل هستند و اگر ولتاژ گیت پایین باشد، سورس و درین از یکدیگر جدا هستند. این پدیده مشابه عملکرد یک کلید است. همان‌گونه که اگر کلید را در یک جهت فشار دهیم، لامپ روشن می شود و اگر در جهت دیگر فشار دهیم لامپ خاموش می‌شود.
در ترانزیستور PMOS اگر ولتاژ گیت پایین باشد، سورس و درین به یکدیگر متصل هستند و اگر ولتاژ گیت بالا باشد، سورس و درین از یکدیگر جدا هستند. می‌بینیم که عملکرد ترانزیستور NMOS و PMOS به عنوان کلید دقیقا برعکس یکدیگر است.
عملکرد ترانزیستور MOS به عنوان کلید، ویژگی بسیار مهمی است که اساس ساخت صدها مدار الکترونیکی پیچیده و حافظه‌ها است. در مقالات بعدی به صورت ملموس‌تر و کاربردی‌تر، مختصری از اهمیت ترانزیستورها خواهیم گفت.


نشانه‌های مداری ترانزیستور MOS
در پایان این نوشتار، نشانه‌های مداری ترانزیستور NMOS و PMOS را معرفی می‌کنیم. در مقالات بعدی با این نشانه‌ها بیشتر سر و کار خواهیم داشت. در تصویر اول دو نوع از نشانه‌های مداری ترانزیستور NMOS و در تصویر دوم دو نوع از نشانه‌های مداری ترانزیستور PMOS را می‌بینیم.

 

[P O U R I A]

ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم

ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم

از اتصال چند ترانزیستور به یکدیگر قطعه ای حاصل می شود که آن را گیت می نامند. هر گیت بسته به نوع طراحی و قطعات به کار رفته در آن، کاربرد خاصی دارد. رایانه برای ذخیره داده ها و تجزیه و تحلیل آنها از اعداد در مبنای دو استفاده می کند. علت آن این است که گیت های حافظه و پردازش رایانه از ترانزیستور ها تشکیل شده اند و ترانزیستور ها هم دو حالت قطع و وصل بیشتر ندارند.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در مقاله‌های قبل، ابتدا با اصول و مبانی اولیه‌ی فیزیک حالت جامد آشنا شدیم: نظریه‌ی نواری، فیزیک نیمه‌رسانا و پیوند pn را با هم مرور کردیم. سپس درباره‌ی ساختار و عملکرد یک نوع ترانزیستور به نام ترانزیستور MOS مطالبی را آموختیم. در مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستور» گفتیم اهمیت ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی همانند اهمیت آجر در ساختن یک ساختمان است! یعنی همان طور که آجر جزء اساسی در ساختن یک ساختمان است، ترانزیستور هم جزء اساسی در طراحی و ساخت یک مدار الکترونیکی است. همچنین قول دادیم تا درباره‌ی کاربرد و اهمیت ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی، مطالب بیشتری را همراه با مثال بیان کنیم.
ترانزیستور کاربردهای بسیار زیاد و متنوعی در الکترونیک دارد، که شرح آن موضوع رشته‌ی مهندسی الکترونیک است. در این مقاله می‌خواهیم از یک بُعدِ خاص، به اهمیتِ نقش و کاربرد ترانزیستور در الکترونیک بپردازیم. ما در این نوشتار، ترانزیستور را به عنوان یک کلید نگاه می‌کنیم و از این دریچه، اهمیت آن را توضیح می‌دهیم. یادتان باشد در مقاله‌ی "آشنایی با ساختار و عملکرد ترانزیستور" توضیح دادیم که چرا ترانزیستور را می‌توانیم بصورت یک کلید در نطر بگیریم و اکنون ادامه‌ی ماجرا...

رایانه‌های دیجیتال و نقش ترانزیستور
هیچ کس نمی‌تواند مُنکر نقش ابداع رایانه در پیشرفت و توسعه‌ی دانش و فناوری جدید شود. همان طور که می‌دانیم رایانه یک سیستم دیجیتال است. یعنی اطلاعات را به صورت رقمی دریافت می‌کند، تجزیه و تحلیل می‌کند و نگهداری می‌کند. ما در زندگی روزمره با اعداد در مبنای 10 بیشتر سر و کار داریم، اما همانطور که احتمالاً می‌دانید در سیستم رایانه، همه‌ی اعداد در مبنای 2 هستند. فکر می‌کنید چرا در رایانه مبنای 2 را انتخاب کرده‌ایم؟ چون واحدهای گوناگونِ حافظه و پردازش رایانه از ترانزیستور تشکیل شده‌اند و ترانزیستور هم مانند یک کلید دو حالت دارد؛ قطع یا وصل؛ یعنی یا جریان عبور می‌کند یا جریان عبور نمی‌کند، به بیان دیگر یا ولتاژ خروجی ترانزیستور بالا است یا پایین است. می‌بینید، فقط دو حالت. پس مبنا در رایانه‌ها، مبنای دو است.
در واقع رایانه، اطلاعاتی را که از راه های گوناگون نظیر صفحه کلید، ماوس، اسکنر و ... دریافت می‌کند، به صورت اعدادی در مبنای 2 ذخیره می‌کند. سپس عملیات پردازش مورد نظر را بر روی این اطلاعات انجام می‌دهد. در آخر نیز این اطلاعات پردازش شده را یا در محل مناسبی از حافظه‌ی خود ذخیره می‌کند و یا از طریق صفحه نمایش، چاپگر، بلندگو و ... به کاربر تحویل می‌دهد.
همان طور که گفتیم واحدهای گوناگونِ پردازش و حافظه‌ی رایانه از ترانزیستور تشکیل شده است. ما در این مقاله و مقالات بعدی قصد داریم با ساختار و عملکرد این واحدها بیشتر آشنا شویم. اما قبل از آن، لازم است با چند مثال ساده‌تر شروع کنیم.

ساختار ترانزیستوری چند گیت مهم
از اتصال چند ترانزیستور به یکدیگر، قطعه ای حاصل می‌شود که آن را گیت (Gate) می‌نامیم. ساده‌ترین گیت در الکترونیک، گیت معکوس‌کننده یا NOT است که ساختار آن را در تصویر1 مشاهده می‌کنیم.

تصویر1- ساختار ترانزیستوری گیت NOT

 

[P O U R I A]

همان طور که می‌بینید، گیتِ NOT از دو ترانزیستور تشکیل شده است. ترانزیستور بالایی PMOS و ترانزیستور پایینی NMOS است. اگر ورودی، ولتاژ بالایی داشته باشد، ترانزیستور M1 قطع و ترانزیستور M2 وصل می‌شود (زیرا گفتیم که در ولتاژهای بالا تراتزیستورهای NMOS روشن هستند). در این حالت بخش پائینی مدار بسته است و در نتیحه ولتاژ صفر ولت به خروجی منتقل می‌شود. اگر ورودی، ولتاژ پایینی داشته باشد، ترانزیستور M1 وصل و ترانزیستور M2 قطع می‌شود (زیرا گفتیم که در ولتاژهای پایین تراتزیستورهای PMOS روشن هستند). در این حالت بخش بالایی مدار بسته است و در نتیحه ولتاژ پنج ولت به خروجی منتقل می‌شود. می‌بینیم که اگر ولتاژ ورودی بالا باشد، ولتاژ خروجی پایین است و اگر ولتاژ ورودی پایین باشد، ولتاژ خروجی بالا است. بنابراین این گیت را معکوس کننده یا NOT می‌نامیم. فقط برای یادآوری می‌گوییم که ولتاژ بالا در مدارهای الکترونیکی از یک نسل به نسل دیگر تغییر می‌کند. ما در این‌جا ولتاژ بالا را پنج ولت در نظر می‌گیریم. همچنین ولتاژ پایین را صفر ولت فرض می‌کنیم.
در تصویر2، گیت دیگری را مشاهده می‌کنیم که از 6 ترانزیستور (3 ترانزیستور PMOS و 3 ترانزیستور NMOS) تشکیل شده است. در مقاله‌ی قبل با نمادهای مداری ترانزیستور PMOS و NMOS آشنا شدیم و همان‌طور که از روی تصویر مشخص است، 3 ترانزیستور بالایی از نوع PMOS و 3 ترانزیستور پایینی از نوع NMOS هستند.

تصویر2- ساختار ترانزیستوری گیت OR

در نگاه اول ظاهر این گیت کمی پیچیده به نظر می‌رسد. اما اگر دقیق‌تر نگاه کنیم در بخشی از این گیت، یک گیت NOT می‌بینیم. این گیت توسط ترانزیستورهای M5 و M6 تشکیل شده است و نقش آن‌ها معکوس کردن خروجی است. با وجود این گیت، خروجی نهایی معکوس خروجی 1 است.
اگر ورودی1 ولتاژ بالا و ورودی2 ولتاژ پایین داشته باشد، ترانزیستورهای M1 و M4 قطع می شوند و چون از طریق ترانزیستور M3 یک مسیر بین ولتاژ صفر و خروجی 1 ایجاد شده اشت، در خروجی1ولتاژ صفر شده و خروجی نهایی پنج ولت می‌شود.
اگر ورودی1 ولتاژ پایین و ورودی2 ولتاژ بالا داشته باشد. با استدلالی مشابه آنچه بیان شد، خروجی نهایی باز هم ولتاژ پنج ولت خواهد داشت. همچنین اگر هر دو ورودی 1 و 2 ولتاژ بالا داشته باشند، خروجی نهایی ولتاژ پنج ولت خواهد داشت. فقط درصورتی خروجی نهایی ولتاژ صفر دارد که هر دو ورودی 1 و2 ولتاژ پایین داشته باشند (جدول 1). دقت کنیم که در الکترونیک ولتاژ بالا را ولتاژ1 و ولتاژ پایین را صفر در نظر می‌گیریم. البته همان‌طور که قبلا هم بیان شد، به این معنی نیست که ولتاژ بالا یک ولت است. چون ولتاژ بالا در نسل‌های گوناگون مدارهای الکترونیکی مقدار متفاوتی است. این گیت را، گیتِ OR می‌نامیم (می‌دانیم که در زبان انگلیسی واژه‌ی OR یعنی "یا"). زیرا خروجیِ نهایی در صورتی 1 است که یا ورودی اول 1 باشد یا ورودی دوم 1 باشد یا هر دو ورودی 1 باشد.


جدول1- جدول ورودی_خروجی گیت OR

 

[P O U R I A]

در تصویر 3، گیت دیگری را با 6 ترانزیستور مشاهده می‌کنیم. در این گیت نیز دو ترانزیستور M5 و M6 نقش معکوس‌کننده دارند. توضیح چگونگی عملکرد این گیت بر عهدۀ خودتان! پس از اینکه پاسخ را یافتید، جدول 2 را ببینید و درستی پاسخ‌تان را کنترل کنید.

تصویر3- ساختار ترانزیستوری گیت AND

جدول 1- جدول ورودی_خروجی گیتAND

این گیت را، گیتِ AND می نامیم (می‌دانیم که در زبان انگلیسی واژه‌ی AND یعنی "وَ"). زیرا خروجی نهایی درصورتی 1 است که هم ورودی اول و هم ورودی دوم، 1 باشند.

نمادهای مداری
در مدارهای بزرگتر به منظور پرهیز از پیچیدگی، برای هرکدام از گیت‌های مذکور نمادهای استانداردی را در نظر می‌گیریم. این نمادها را در تصویر 4 مشاهده می‌کنیم.

تصویر4- نمادهای مداری گیت‌های NOT, OR, AND

ما در این مقاله مختصری از نقش ترانزیستور در الکترونیک بیان کردیم. اکنون که با گیت‌های ابتدایی آشنایی مختصری پیدا کردیم، می‌توانیم درباره‌ی ساختارهای پیچیده‌تر و کاربردی‌تر نیز صحبت کنیم. در مقاله‌ی بعد درباره‌ی یکی از واحدهای پردازشگر رایانه که بسیار پر کاربرد است، صحبت می‌کنیم.

 

[P O U R I A]

ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده الکترونیکی

ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده الکترونیکی

می دانیم که به مجموعه ای از ترانزیستورها یک گیت می گویند. گیت XOR گیتی است که حداقل دو پایه دارد و در صورتی خروجی آن دارای ولتاژ بالا است که به تعداد فردی از ورودی های آن ولتاژ بالا اعمال گردد. جمع‌کننده یک واحد پردازش اصلی است که در پردازشگر مرکزی همه‌ی رایانه‌ها به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این گیت اعداد در مبنای دو با هم جمع می شوند.

 

[P O U R I A]

مقدمه
گفتیم یکی از اصلی‌ترین نقشهای ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی، استفاده به عنوان کلید است. این ویژگیِ ترانزیستور آن قدر مهم و پرکاربرد است که اساس کار بسیاری از قطعات الکترونیکی نظیر پردازشگر مرکزی رایانه (CPU)، انواع حافظه (RAM, ROM, FLASH) و ... است. در مقاله‌ی «نانوالکترونیک(5)» ساختار ترانزیستوری چند گیتِ NOT، AND و OR را بیان کردیم و درباره‌ی عملکرد هر یک از آن‌ها به صورت مختصر سخن گفتیم.

در این مقاله می‌خواهیم درباره‌ی ساختار و عملکرد یک واحد پردازش اصلی و بسیار پرکاربرد در رایانه صحبت کنیم. اما قبل از آن لازم است علاوه بر سه گیتِ NOT ، AND و OR با گیت دیگری هم آشنا شویم. نام این گیت، XOR است.

عملکرد گیت‌های پایه
قبل از آشنایی با گیت XOR، به منظور یادآوری، یک بار دیگر عملکرد سه گیتِ NOT ، AND و OR را مرور می‌کنیم.

تصویر1- تصویر شماتیک عملکرد گیت‌های NOT ، AND و OR


تصویر1 را مشاهده کنید. گیتِ NOT (ستون اول تصویر 1)، یک ورودی دارد. اگر ورودیِ آن صفر باشد، خروجی یک می‌شود و اگر ورودیِ آن یک باشد، خروجی صفر می‌شود. گیتِ AND (ستون دوم تصویر 1)، حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، باید همه‌ی ورودی‌ها، یک باشند. در غیر این صورت خروجی آن صفر خواهد بود. گیتِ OR (ستون سوم تصویر 1) نیز حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، کافی است حداقل یکی از ورودی‌ها یک باشد. به بیان دیگر خروجی آن فقط در صورتی صفر است که همه‌ی ورودی‌ها صفر باشند (در تصویر1 یک گیتِ OR را با دو ورودی مشاهده می‌کنیم.
گیتِ XOR، مانند گیتِ OR حداقل دو ورودی دارد. نماد مداری گیت XOR را در تصویر2 می‌بینیم. ما در این مقاله، به علت سعی در خلاصه‌گویی، به ساختار ترانزیستوری گیت XOR اشاره نمی‌کنیم اما لازم است که نحوه عملکرد آن‌را بدانیم. برای این که خروجیِ این گیت یک باشد، باید تعداد یک‌های ورودی عددی فرد باشد. یعنی اگر تعداد یک‌های ورودی عددی زوج باشد، خروجی آن صفر خواهد بود. در تصویر2، عملکرد شماتیک یک XOR با دو ورودی و یک XOR با سه ورودی را مشاهده می‌کنیم.

تصویر2- عملکرد شماتیکِ گیت XOR با دو ورودی و سه ورودی

 

[P O U R I A]

ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده
خُب همان طور که قول داده بودیم اکنون که با عملکرد گیت‌های پایه آشنا شدیم، می‌خواهیم درباره‌ی یکی از اصلی‌ترین واحدهای پردازش، یعنی جمع‌کننده، صحبت کنیم. جمع‌کننده یک واحد پردازش اصلی است که در پردازشگر مرکزی همه‌ی رایانه‌ها به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته جمع‌کننده در سایر وسایل الکترونیکی نظیر ماشین حساب و ... نیز کاربرد بسیاری دارد.
در تصویر3 ساختار یک جمع‌کننده را مشاهده می‌کنیم. این تصویر، جمع‌کننده را در حال جمع زدن دو عددِ سه رقمی با یکدیگر نشان می‌دهد (ما در این مقاله درباره‌ی مبحث گسترده‌ طراحی این جمع‌کننده و سایر واحدهای پردازش صحبت نمی‌کنیم. علاقه‌مندان می‌توانند برای آشنایی بیشتر به کتاب‌های طراحی دیجیتال یا مدار منطقی رشته‌ی مهندسی برق یا کامپیوتر مراجعه کنند!). این دو عدد در مبنای 2 با یکدیگر جمع می‌شوند.

تصویر3- ساختار یک جمع‌کننده

با استفاده از یک مثال ساده می‌توانیم عملکرد این جمع‌کننده را توضیح ‌دهیم. فرض کنید می‌خواهیم دو عددِ و را که دو عدد در مبنای 2 هستند، با یکدیگر جمع کنیم. در تصویر4 فرآیند جمع کردنِ دستیِ این دو عدد را مشاهده می‌کنیم.

تصویر4- فرآیند جمع کردنِ دستیِ دو عددِ سه رقمی در مبنای 2

اکنون همین دو عدد را در ساختار جمع‌کننده قرار می‌دهیم. تصویر5 را ملاحظه کنید. در این تصویر ورودی‌های مورد نظر اعمال شده و خروجی هر گیت نیز در تصویر مشخص شده است. خروجی مورد نظر مطابق آن چه انتظار داشتیم، تولید شده است. آیا می‌توانید بگویید که این خروجی چگونه تولید شده است؟

 

[P O U R I A]

تصویر5- فرآیند جمع کردن دو عدد سه رقمی در یک جمع‌کننده

به تصویر5 نگاه کنید. از سمت راست شروع می‌کنیم؛ خروجی اول (اولین عدد صفر که با رنگ سبز در سمت راست مشخص شده) خروجی یک XOR است. چون در ورودی XOR دو عدد یک وجود دارد، پس خروجی آن صفر می‌شود. (یادتان هست که خروجی XOR در صورتی یک می‌شود که تعداد یک‌های ورودی فرد باشد.) پس از آن 3 گیت AND هست. خروجی AND اول، یک است، چون هر دو ورودی آن یک است. اما خروجی AND دوم و سوم برابر صفر است، چون در هر دو، یک ورودی یک و ورودی دیگر صفر است. خروجی گیت OR هم یک می¬شود، چون برای یک شدن خروجی OR، یک بودنِ یکی از ورودی‌ها کافی است.
به این ترتیب عملکرد یک سوم جمع‌کننده را ملاحظه کردیم. عملکرد بقیه‌ی جمع‌کننده نیز نظیر همین قسمت است. فقط کافی است عملکرد گیت‌های AND، OR و XOR را به یاد داشته باشید. برای این منظور می¬توانید از تصاویر1 و 2 استفاده کنید.

فعالیت1
به منظور تسلط بیشتر بر عملکرد جمع‌کننده، دو عددِ و را یک بار به صورت دستی و یک بار با استفاده از ساختار جمع‌کننده که در تصویر3 رسم شده، با یکدیگر جمع کنید. نتیجه‌ی دو فرآیند را با هم مقایسه کنید.

فعالیت2
همان‌طور که مشاهده می‌کنید ساختار جمع‌کننده یک ساختار تکراری است. یعنی یک ساختار ساده که در یک جمع‌کننده‌ی سه رقمی، سه بار تکرار شده است. اکنون خودتان ساختار یک جمع‌کننده‌ی چهار رقمی را حدس بزنید و ترسیم کنید.
در یک رایانه عملیات‌های پردازشی بسیارِ دیگری نیز نظیر تفریق، ضرب، تقسیم، مقایسه و ... انجام می‌شود. همه‌ی این عملیات‌های پردازشی در واحدهای پردازش گوناگونی انجام می‌شود که همگی آن ها از ترانزیستورها تشکیل شده‌اند. علاوه بر این، عملیات‌های منطقی و کنترل قسمت‌های گوناگون رایانه نیز توسط قطعات الکترونیکی انجام می‌شود که همگی از ترانزیستور ساخته شده‌اند. همچنین حافظه‌ها نیز که از عناصر اصلی رایانه‌ها هستند، نوعی قطعات الکترونیکی هستند که با توجه به حجم‌شان از هزاران، صدها هزار یا حتی میلیون‌ها ترانزیستور تشکیل شده‌اند.

فعالیت3
به منظور آشنایی بیشتر با ساختار ترانزیستوری (Transistor Level) و گِیتی (Gate Level) واحدهای پردازش و حافظه‌ی گوناگون، واژگان زیر را در اینترنت جستجو کنید. هم ساختار آن را مشاهده کنید و هم سعی کنید از عملکرد آن سر در بیاورید:!
Multiplexer, Multiplier, Adder, Subtracter, Comparator, Decoder, Encoder, Latch, Flip Flop
به منظور طراحی واحدهای پردازش، روش‌های متنوع و گوناگونی وجود دارد، که بیان آن ها در موضوع این مقاله نمی‌گنجد. ما در این مقاله قصد داشتیم به منظور درک بیشتر نقش و اهمیت ترانزیستور، یک مثال واقعی را بیان کنیم. همان طور که در این مثال دیدیم، ترانزیستور سنگ بنای اصلی ما در طراحی و ساخت بسیاری قطعات الکترونیکی است.

ما در مقاله‌ی بعد درباره‌ی اندازه‌ی ابعاد ترانزیستور صحبت خواهیم کرد. همچنین خواهیم گفت که ظهور فناوری‌نانو موجب چه تغییراتی در ابعاد ترانزیستور شده است. چرا تلاش می‌کنیم ابعاد ترانزیستور را به محدوده‌ی نانو متر نزدیک کنیم؟ از فواید بسیار فناوری‌نانو در این گستره از الکترونیک می‌گوییم و چالش‌های روبروی آن را مختصری بیان می‌کنیم.

 

[P O U R I A]

ترانزیستورها کوچک و کوچک‌تر می‌شوند

ترانزیستورها کوچک و کوچک‌تر می‌شوند

مور پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای مدارهای مجتمع هر دو سال تقریبا دو برابر می‌شود. نوع دیگر بیان قانون مور این است که هر دو سال تقریبا ابعاد ترانزیستور های موجود در مدارهای الکترونیکی نصف می شود.هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع بیشتر شود، اندازه حافظه‌ها نیز بیشتر می‌شود. ابعاد ترانزیستور را معمولا با طول کانال ترانزیستور، یعنی فاصله‌ی بین سورس و درین مشخص می‌کنند.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در سال 1958 میلادی اولین مدار مجتمع الکترونیکی ساخته شد. یک مدار مجتمع شامل تعداد زیادی ترانزیستور و البته تعدادی قطعه‌ی دیگر الکترونیکی است و معمولا برای انجام کار خاصی طراحی و ساخته می‌شود. در بسیاری از وسایلی که ما امروزه در زندگی استفاده می‌کنیم، مدارهای مجتمع الکترونیکی جزئی اصلی و مهم هستند. رایانه‌ها، خودروها، تلفن‌های همراه و ثابت، بسیاری از تلویزیون‌ها، رادیوها، پخش‌کننده‌های موسیقی و فیلم، دوربین‌های دیجیتال، یخچال و فریزر، ماشین‌های لباس‌شویی، آسانسورها، درب‌های الکترونیکی و سیستم‌های حفاظتی آن‌ها، سیستم‌های کنترل در کارخانجات و بسیاری قطعات دیگر همگی دارای مدارهای مجتمع هستند.

قانون مور
به تصویر(1) نگاه کنید. در این تصویر نموداری آمده که در آن، تعداد ترانزیستورهای واحد پردازشگر مرکزی رایانه بر محور عمودی و سال تولید آن بر محور افقی نشان داده شده است. پیش‌بینی مور با یک خط‌چین مورب رسم شده و اعداد واقعی با نقطه نمایش داده شده‌اند. بدین ترتیب می‌توان ملاحظه کرد که پیش‌بینی قانون مور تا چه اندازه به واقعیت نزدیک است. توجه کنید که در تصویر(1) ، به منظور پرهیز از پیچیدگی، نام همه‌ی انواع CPU نوشته نشده است. (CPU) یا واحد پردازشگر مرکزی، مخفف واژه‌ی Central Processing Unit است. این بخش اصلی‌ترین و مهم‌ترین قسمت یک رایانه است CPU .به منزله‌ی مغز رایانه انجام عملیات پردازشی، منطقی، ریاضی و کنترلی را بر عهده دارد. به بیان دیگر همه‌ی کارهای رایانه توسط واحد پردازشگر مرکزی مدیریت و کنترل می‌شود.

تصویر1- مقایسه‌ی قانون مور و تعداد ترانزیستورهای CPU از سال 1971 تا 2008.

در این تصویر قانون مور به صورت خط‌چین نشان داده شده است.
چرا ترانزیستورِ بیشتر؟
.
.
.
چرا ترانزیستورِ کوچک‌تر؟!

 

[P O U R I A]

گفتیم مور پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای مدارهای مجتمع هر دو سال تقریبا دو برابر می‌شود. البته این قانون مور را می‌توان به گونه‌ای دیگر نیز بیان کرد؛ در این بیان جدید هر دو سال ابعاد ترانزیستورهای موجود در مدارهای الکترونیکی تقریبا نصف می‌شود. اما به نظر شما چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال قرار دادن تعداد بیشتری ترانزیستور در یک مدار مجتمع هستند؟ یا به بیان دیگر، چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور هستند؟ آیا این کار مزیتی دارد؟
همان گونه که قبلا در مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ترانزیستور» به صورت مفصل شرح دادیم، ترانزیستورها از طریق الکترون‌های آزاد یا حفره‌های آزاد مسیر رسانش الکتریکی را برقرار می‌کنند. ما از این ویژگی ترانزیستور که مشابه یک کلید است، استفاده می‌کنیم و مدارهای الکترونیکی را طراحی می‌کنیم و می‌سازیم. هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارات مجتمع بیشتر باشد، یا به بیان دیگر هر چه ترانزیستورها کوچک‌تر باشند، الکترون‌ها و حفره‌های آزاد برای رسانش الکتریکی مسیر کمتری را می‌پیمایند و این یعنی سرعت پردازش اطلاعات بیشتر می‌شود.

همچنین همان طور که در مقاله‌ی «نقش ترانزیستور در الکترونیک (2) » بیان کردیم، واحدهای حافظه‌ها نظیرRAM ، ROM ، FLASH و ... همگی از ترانزیستور ساخته شده است. بنابراین هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع بیشتر شود، اندازه حافظه‌ها نیز بیشتر می‌شود.
به همین جهت است که سرعت واحد پردازشگر مرکزی در رایانه‌ها مرتب افزایش می‌یابد. تا چند سال پیش سرعت رایانه‌ها حداکثر چند صد مگا هرتز بود، در حالی که امروزه سرعت رایانه‌ها به چند گیگا هرتز رسیده است و مرتب نیز در حال افزایش است. یا این‌که اندازه‌ی ظاهری حافظه‌ها تغییری نمی‌کند و حتی در مواردی کوچک‌تر هم می‌شود، اما میزان حافظه‌ی آن‌ها به سرعت در حال افزایش است.
اکنون ممکن است این پرسش در ذهن شما شکل بگیرد که چرا با این همه مزایا، از همان ابتدا ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک نساختیم؟ چرا دانشمندان تقریبا هر دو سال، ابعاد ترانزیستور را نصف می‌کنند؟ پاسخ این پرسش ساده است. در اواخر دهه‌ی 60 میلادی که برای اولین بار از ترانزیستور برای ساخت مدارهای مجتمع استفاده شد، فناوری ساخت آن ها در ابعاد کوچک موجود نبود. در واقع دانشمندان به تدریج و با استفاده از روش‌های نوین و فنون خاصی توانستند ابعاد ترانزیستورها را کوچک کنند و این کوچک شدن همچنان ادامه دارد.

چقدر کوچک‌تر؟!
ابعاد ترانزیستور را معمولا با طول کانال ترانزیستور، یعنی فاصله‌ی بین سورس و درین مشخص می‌کنند (اگر این مفاهیم را یادتان رفته، به مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ترانزیستور» مراجعه کنید). طول کانال ترانزیستور تا چند سال پیش حدود 0/25 میکرومتر بود. این طول سپس به 0/18 میکرومتر و پس از آن به 90 نانومتر کاهش یافت، یعنی کمتر از 100 نانومتر. از این مرحله، ترانزیستور در حوزه مورد نظر فناوری‌نانو قرار می‌گیرد. در مدارهای مجتمع امروزی طول کانال ترانزیستور حدود 65 نانومتر است.
پیش‌بینی می‌شود تا سال 2010 میلادی ترانزیستورهایی با طول کانال 45 نانومتر در مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین برآوردها نشان می‌دهد طول کانال ترانزیستورها در سل 2013 میلادی به 32 نانومتر و در سال 2016 میلادی به 22 نانومتر برسد. همان طور که ملاحظه می‌کنیم، ابعاد ترانزیستور مرتب کوچک و کوچک‌تر می‌شود و نقش فناوری‌نانو در الکترونیک بیش از پیش مهم جلوه می‌کند.
البته ماجرا به این سادگی هم نیست. رسیدن به ابعاد کوچکی که بیان شد، نیازمند حل مسائل و مشکلات بسیاری است. همان گونه که می‌دانیم، زمانی که از ابعاد چند ده نانومتر صحبت می‌کنیم، با تعداد محدودی اتم سر و کار داریم. اندازه‌ی اتم سیلیسیوم که عنصر اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی امروزی است، حدود 0/2 نانومتر است. اگر فاصله‌ی مربوط به پیوند اتمی را هم در نظر بگیریم، می‌بینیم که در این ابعاد مطرح شده برای طول کانال، کار بسیار دشواری را پیش رو داریم. چرا که کار با چند ده اتم، مسائل پیش‌بینی نشده‌ی بسیاری به دنبال خواهد داشت. در واقع در این ابعاد اتفاقاتی می‌افتد که در ابعاد بزرگ‌تر به سادگی قابل صرف نظر کردن است. ولی اکنون نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. این مشکلات را مسائل کوانتومی می‌گوییم.
مشکل دیگر، فناوری ساخت ترانزیستور در این ابعاد است. فنون و ابزارهای ساخت مدارهای مجتمع باید تغییرات اساسی بیابند. در این راه باید ابداعات و خلاقیت‌های زیادی انجام گیرد تا دسترسی به آن چه پیش‌بینی شده، امکان‌پذیر شود. برای اینکه بتوانیم در این باره دقیق‌تر صحبت کنیم، لازم است ابتدا با فناوری ساخت مدارهای مجتمع الکترونیکی آشنا شویم. ما در چند مقاله‌ی بعدی درباره‌ی فناوری ساخت مدارهای مجتمع بیشتر صحبت می‌کنیم.

 

[P O U R I A]

فناوری ساخت مدارهای مجتمع- قسمت اول

فناوری ساخت مدارهای مجتمع- قسمت اول

مدار مجتمع (IC)،‌ یک مدار الکترونیکی است که حداقل از ده‌ها ترانزیستور تشکیل شده است. این نوع مدار ها از ترکیب ترانزیستور های PMOS و NMOS تشکیل شده اند که به اختصار فناوری ساخت آنها را CMOS می گویند. فناوری‌های پیشرفته‌ی ساخت CMOS دارای بیش از 200 مرحله است، اما برای منظور ما،‌ می‌توانیم نگاهی به زنجیره‌ی ترکیبی از عملیات زیر بیندازیم:
1- پردازش ویفر برای تولید یک زیربنا از نوع مناسب.
2- لیتوگرافی نوری برای تعریف دقیق هر ناحیه.
3- اکسیداسیون، لایه‌نشانی و کاشت یونی برای افزدون مواد لازم به ویفر.
4- زدایش جهت زدودن مواد زائد از ویفر.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در مقاله‌های 1 تا 6 نانوالکترونیک با مفاهیم اولیه و پایه‌ی نانوالکترونیک آشنا شدیم. از فیزیک حالت جامد با تاکید بر نیمه‌رسانا‌ها گفتیم. هم‌چنین، از ساختار ترانزیستور و چگونگی عملکرد آن مطالبی را بیان کردیم. در دو مقاله نیز همراه با بیان مثال، به اهمیت نقش ترانزیستور در مدارهای مجتمع پرداختیم. در مقاله‌ی هفتم با بیان قانون مور گفتیم که از زمان ساخت اولین ترانزیستور، ‌دانشمندان فیزیک ِ الکترونیک به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور، یا به بیان دیگر، زیادترکردن تعداد ترانزیستور در فضای ثابت بوده‌اند. همان‌طور که در آن مقاله بیان شد،‌ نتیجه‌ی این امر افزایش سرعت پردازنده‌ها و نیز افزایش حجم حافظه‌ها است.
در پایان مقاله‌ی هفتم این پرسش مطرح شد که با وجود چنین مزایایی که در کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور است،‌ چرا از ابتدا ترانزیستورها در ابعاد بسیار کوچک تولید نشد؟ یعنی چرا به تدریج به سمت فناوری‌های کوچک‌تر حرکت می‌‌کنیم؟ در پاسخ به این پرسش بیان کردیم که حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌مقیاس نظیر فناوری نانو محدودیت‌هایی دارد. برای این که با محدودیت‌های ساخت ترانزیستورها در مقیاس نانو بیش‌تر آشنا شویم، ‌ابتدا باید با فناوری ساخت ترانزیستورها در مدارهای مجتمع آشنا شویم. در این مقاله و چند مقاله‌ی بعد راجع به فناوری ساخت مدارهای مجتمع سخن خواهیم گفت.
دقت کنید که منظور ما از مدار مجتمع،‌ یک مدار الکترونیکی است که حداقل از ده‌ها ترانزیستور تشکیل شده است. پردازشگر مرکزی رایانه (CPU)، انواع حافظه‌ها (نظیر RAM, ROM, FLASH MEMORY و ...) مدارهای کوچک الکترونیکی که در انواع وسایل الکترونیکی نظیر تلویزیون،‌ یخچال،‌کنترل از راه دور خودروها،‌گوشی تلفن همراه، مایکروویو، پخش‌کننده‌های فیلم و موسیقی و ... وجود دارد، همگی نمونه‌هایی از مدار مجتمع یا به اختصار 1IC است.
از آن جایی که در این مقاله قرار است راجع به فناوری ساخت ترانزیستورهای NMOS و 2PMOS صحبت کنیم،‌ پیشنهاد می‌کنم چنانچه ساختار این ترانزیستورها را فراموش کرده‌اید، مقاله‌های سوم و چهارم نانوالکترونیک را مرور کنید. مدارهای الکترونیکی را که از ترانزیستورهای NMOS و PMOS به صورت مکمل استفاده می‌کنند، مدارهای CMOS می‌‌گوییم. امروزه اغلب مدارهای الکترونیک مجتمع با فناوری 3CMOS ساخته می‌شوند.
ملاحظات کلی فرآیند ساخت
قبل از آن که به صورت جزئی و دقیق،‌ فرآیند ساخت مدارهای مجتمع را بررسی کنیم، خوب است که ساختمان ساده‌ی ترانزیستورهای NMOS و PMOS را در نظر بگیریم و گام‌های لازم برای ساخت را پیش‌بینی کنیم. در شکل (1) نمای کناری و بالایی یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS نشان داده شده است.
قبل از آن که به صورت جزئی و دقیق،‌ فرآیند ساخت مدارهای مجتمع را بررسی کنیم، خوب است که ساختمان ساده‌ی ترانزیستورهای NMOS و PMOS را در نظر بگیریم و گام‌های لازم برای ساخت را پیش‌بینی کنیم. در شکل (1) نمای کناری و بالایی یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS نشان داده شده است

شکل(1) نمای بالایی و کناری یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS

همان‌طور که در شکل (1) مشخص است، هر دو ترانزیستور بر روی یک بدنه‌ی P- ساخته می‌شوند. بر روی این بدنه‌ی اصلی، چاه‌های n- ، نواحی سورس و درین ، عایق گیت ، پلی‌سیلیکون ، زیر بنا ، اتصالات فلزی ساخته می‌شود. (علامت – در P- و n- یعنی غلظت ناخالصی درون سیلیسیوم کم است. در واقع؛ همان‌طور که در مقاله‌ی اول و دوم نانوالکترونیک گفتیم به منظور ساخت نیمه‌رسانای نوع n و P، مقداری ناخالصی به نیمه‌رسانای سیلیسیوم اضافه می‌کنیم.)

 

[P O U R I A]

فناوری‌های پیشرفته‌ی ساخت CMOS دارای بیش از 200 مرحله است، اما برای منظور ما،‌ می‌توانیم نگاهی به زنجیره‌ی ترکیبی از عملیات زیر بیندازیم:

1. پردازش ویفر برای تولید یک زیربنا از نوع مناسب. ویفر همان ماده‌ی آغازین فرآیند ساخت است. همان زیربنایی که همه‌ی ترانزیستورها بر روی آن ساخته می‌شوند. جنس ویفر از عنصر سیلیسیوم به همراه مقداری ناخالصی است.

2. لیتوگرافی نوری برای تعریف دقیق هر ناحیه.

3. اکسیداسیون، لایه‌نشانی و کاشت یونی برای افزدون مواد لازم به ویفر.

4. زدایش جهت زدودن مواد زائد از ویفر.

بسیاری از این گام‌ها نیاز به عملیات حرارتی دارند. یعنی ویفر باید یک چرخه‌ی حرارتی را در یک کوره بگذراند.

گام اول:‌ پردازش ویفر
در فناوری CMOS، ویفر اولیه باید با کیفیت بسیار بالایی تولید شود. به این منظور، سیلیسیوم یا همان سیلیکون، به صورت جامد بلورین رشد داده می‌‌شود. بلور باید به گونه‌ای رشد یابد که دارای کمترین نقص بلوری باشد و نیز از درجه‌ی خلوص بسیار بالایی نیز برخوردار باشد. یعنی اتم‌های ناخالصی در آن بسیار کم باشد. (برای آشنایی با مفهوم نقص بلوری،‌ مقاله‌ای با همین نام بر روی سایت وجود دارد که می‌توانید به آن مراجعه کنید.)
جامدات بلورین دسته‌ای از جامدات هستند که در آن‌ها اتم‌ها یا مولکول به صورت شبکه‌های منظم و تکراری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

شکل 2. سمت راست: سیلیکون نوع p و سمت چپ: سیلیکون نوعn

پس از ساخت ویفر باید به آن ناخالصی موردنظر با مقدار و نوع مناسب اضافه شود تا زیربنای P- با ویژگی‌های موردنظر تولید شود (شکل 2). برای ساخت ویفر با چنین وی‍ژگی‌هایی از روشی که به روش چوکرالسکی موسوم است،‌ استفاده می‌شود. در این روش، یک دانه‌ی بلور در سیلیکون مذاب رو برده می‌شود و سپس به تدریج در حالی که می‌چرخد بیرون کشیده می‌شود. در نتیجه‌ی این عملیات، شمش بزرگ استوانه‌ای و بلوری از سیلیکون درست می‌شود که می‌توان آن را به قرص‌های نازک سیلیکون برش داد. قطر ویفر سیلیکون بین 10 تا 30 سانتی‌متر و طول آن 1 متر است و رنگ آن نیز خاکستری فولادی است.
پس از برش، ضخامت هر قرص سیلیکون بین 400 میکرومتر تا 600 میکرومتر می‌شود. سپس ویفرها ساییده و به صورت شیمیایی پاک می‌شوند تا بدین ترتیب خرابی‌های سطحی که در هنگام برش به وجود آمده بر طرف شود. اکنون ویفر برای انجام مراحل بعدی آماده است.