وصلة الترانزستور وترانزستور تأثير الحقل

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

تتألف وصلة الترانزستور التي اخترعها شوكلي من وضع وصلتين p-n في جوار بعضهما لتشكيل بنية n-p-n (أو p-n-p).

يبين الشكل 4.4 وصلة ترانزستور n-p-n مبكرة من تصنيع مختبرات بل باستعمال الجرمانيوم حيث تنتشر أجهزة الإشابة داخل البلورة الأحادية للحصول على منطقة رقيقة مُشابة p بين منطقتين مُشابتين n، عند كل من نهايتي القطعة اللتين ترسبان على تماس بواسطة أسلاك رقيقة.

عند تطبيق فرق فولطية على المنطقة الوسطى المُشابة p (القاعدة)، تصبح الوصلتان موجهتي القطبية حيث تُوجه الوصلة n-p نحو الأمام والوصلة p-n معاكسة التوجه. وكنتيجة، يحقن المُصدِر (الباعث) الإلكترونات داخل منطقة القاعدة نوع p، وتُوجَه الإلكترونات داخل منطقة المُجمع نوع n مما يولد تياراً.

ويعمل ترانزستور الوصلة كمضخِّم مع تغيرات صغيرة في فولطية القاعدة مما ينتج عنه تيار كبير أو مُضخَم لأن الإلكترونات تتحرك بسهولة أكبر من المُصدِر إلى المُجمع مع تزايد فولطية القاعدة.

 

يُعتبر ترانزستور تأثير الحقل النوع الثاني الرئيسي من الترانزستورات، ويُقارَن في الشكل 5.4 مع ترانزستور الوصلة (يُصنع كلا الترانزستوران في الشكل من السيليكون باستعمال التكنولوجيا السطحية التي ستوصف فيما بعد). في ترانزستور تأثير الحقل، يسحبُ قطب البوابة الإلكترونات أو الثقوب إلى السطح ويوفر قناة نقل من وصلة p-n إلى الأخرى.

وسطحياً، يتشابه ترانزستور تأثير الحقل مع ترانزستور وصلة مع وجود اختلاف جوهري. فالتماس الكهربائي لا يحصل إلى المنطقة الوسطى في ترانزستور تأثير الحقل، وعوضاً عن ذلك، يُطبق حقل كهربائي بواسطة ما يسمى قطب البوابة الذي يفصله عن السيليكون طبقة عازلة من الأوكسيد

ومن هنا، تأتي التسمية ترانزستور تأثير الحقل معدن- أوكسيد- نصف ناقل (MOSFET) ويُشار إلى ترانزستورات تأثير الحقل n-p-n و ترانزستورات تأثير الحقل p-n-p بترانزستورات NMOS و PMOS على التوالي.

في عام 1926، سجّل يوليوس ليليانفلد (Julius Lilienfeld) براءة حول فكرة التحكم بالتيار المار عبر غشاء بتطبيق حقل كهربائي، لكنه لم ينجح قط في البرهنة على ترانزستور تأثير الحقل (Lilienfield 1926).

كما تعرقلت المحاولات المبكرة للحصول على هذا الترانزستور، خاصة من قبل شوكلي، وذلك لأن الإلكترونات الواردة إلى السطح تحت القطب كانت محتبسة على سطح السيليكون عند أنواع متعددة من العيوب.

ولقد قلّل تطوير طبقة التفخيخ من الأوكسيد (التي ستناقش فيما يلي) احتباس الالكترونات بالإضافة إلى القيام بدور طبقة عازلة يترسب فوقها قطب البوابة.

وكان أول ترانزستور تأثير حقل عملي قد طُور من قبل داون كانغ (Dawon Kahng) في مختبرات بل (Kahng 1960).

 

تُستعمل تركيبات من ترانزستورات NMOS و PMOS للحصول على دوائر منطقية تعتبر قلب وروح الحواسيب. وفي عام 1963، صمّم فرانك وينلاس (Frank Winlass) من فيرتشيلد دارة باستعمال زوج متكامل من ترانزستورات NMOS و PMOS التي تستعمل استطاعة معدومة تقريباً.

وتعتبر إمكانية تصنيع دائرة منخفضة استهلاك الطاقة أساسية في التطبيقات التجارية مثل الحواسيب المحمولة والهواتف الخليوية التي تعتمد على طاقة بطارية. تسمى الدائرة الناتجة نصف ناقل معدن أوكسيد مكمِّل أو CMOS وتهيمن على تكنولوجيا السيليكون.

يرجع أصل صناعة الترانزستورات الواسعة إلى اختراع التكنولوجيا السطحية من قبل ج.  ر. هيرني (J. R. Hoerni) في شركة فيرتشيلد لأنصاف النواقل (Hoerni 1959). وتُصنع كل الأجهزة في التكنولوجيا السطحية على (أو قرب) سطح البلورة الأحادية نصف الناقلة.

في ترانزستور الوصلة (الشكل 4.4)، تُشاب منطقة صغيرة مُشابة n في بلورة أحادية بنوع الإشابة p حيث تنتشر كمية كافية من عنصر الإشابة p في المادة المُشابة n من أجل تعديل أو إبطال مفعول الإشابة n ولجعل المنطقة من النوع p.

أخيراً، تُشاب منطقة صغيرة ضمن المساحة من النوع p من جديد بالنوع n. وبهذا، يكون هناك منطقة مشابة n ضمن منطقة مشابة p تكون بدورها ضمن منطقة حجمية مشابة n.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]