الترانزستور و تقنيات التصنيع

**CR@N$H** · 28-10-2010, 02:05

في البداية أحب ان اعلق على أمر بسيط
سأعتمد يوم الجمعة ليصبح اليوم الذي سأطرح فيه المواضيع إعتبارا من الموضوع القادم "كيف يعمل المعالج 103"

في هذا الموضوع سنتكلم عن الترانزستور من حيث البنية و الاستخدام وكيف يمكن الحصول على البوابات المنطقية الاساسية منه و بعض المعلومات الاساسية عن تقنيات التصنيع الخاصة بالمعالجات

أنواع المواد من ناحية الناقلية الكهربائية:
المواد الموصلة :
وھي المواد التي يمكن لإلكترونات المدار الخارجي فيھا أن تتحرر من ذرّاتھا وتتحرك حركة عشوائية بين الذرات،وإذا تعرضت لفرق جھد (أي الالكترونات) يتشكل تيار كھربائي.
من أمثلة المواد الموصلة كھربائياً : الفضة ، النحاس ، الألمنيوم وعموم المعادن .

المواد العازلة :
وھي المواد التي تشتد فيھا قوة جذب النواة لإلكترونات المدار الخارجي فلا تستطيع الخروج من الذرة .ومن أمثلة المواد العازلة للكھرباء : الورق ،الزجاج ،الميكا ، البلاستيك ، المطاط وغيرھا .

المواد شبه الموصلة :
من المعروف أن الذرة ھي أصغر جزء في العنصر، وطبقاً لنظرية (بور) التقليدية فان الذرة تحتوى على نواة مركزية محاطة بسحابة من الالكترونات سالبة الشحنة تدور في مدارات بيضاوية حول النواة.

تكوين الذرة:

تحتوي النواة على نوعين من الأجسام، أحدھا موجب الشحنة ويطلق عليھا (بروتونات)، والثاني متعادل الشحنة يطلق عليھا (نيوترونات) ويدور حول النواة (إلكترونات) سالبة الشحنة في مدارات ثابتة.
تنتمي مادتي السليكون والجرمانيوم إلى عائلة أشباه الموصلات، تحتوي كل من ذرتي السليكون والجرمانيوم على أربعة الكترونات تكافؤ،(الكترونات التكافؤ ھي الكترونات المدار الخارجي للذرة وتساھم في التفاعلات الكيميائية) والاختلاف بينھما ھو أن ذرة السليكون تحتوي على 14 بروتون في النواة بينما ذرة الجرمانيوم تحتوي على 32 بروتون، ويوضح الشكل التركيب الذري لمادة السليكون و التركيب الذري لمادة الجرمانيوم .

الرابطة التساھمية في أشباه الموصلات :

تحتوي ذرة الجرمانيوم على أربعة الكترونات في المدار الخارجي ، وحتى يكتمل نطاق التكافؤ للجرمانيوم فإنه لابد من وجود ثمانية الكترونات في المدار الخارجي وعلى ذلك فان كل ذرة تشارك الذرات الأربع التي حولھا بالصورة الموضحة في الشكل والتي يطلق عليھا (الرابطة التساھمية)، وفي ھذه الرابطة تبدو الذرة وكأنھا محاطة بثمانية الكترونات (الأربع ذرات الأصلية وأربع ذرات أخرى بواسطة الرابطة التساھمية)، وبالتأكيد فان الذرة في ھذه الحالة لا تكون قابلة للتوصيل حيث أنه لا يوجد الكترونات حرة لنقل الطاقة، ويطلق على ھذا البناء (البناء البلوري ).
إن السليكون والجرمانيوم في صورتيھما النقية أقرب إلى المواد العازلة ، ولكن بعد أن تضاف إليھما بعض الشوائب يصبحان من أشباه الموصلات .

بلورات أنصاف النواقل المشوبة:
البلورة السالبة N :
لكي تتحول البلورة النقية إلى مادة قابلة للتوصيل فانه يتم تطعيمھا بأحد المواد التي يطلق عليھا (مواد شائبة)، ومن أمثلة المواد الشائبة المستخدمة في تكوين والانتيمون والزنك البلورة السالبة، مادة الفسفور وتشترك ھذه المواد في خاصية احتوائھا على خمسة الكترونات خارجية .
حيث (N) ويظھر الشكل أسلوب تكوين البلورة السالبة نجد أن كل أربعة الكترونات تكافؤ من الكترونات المادة الشائبة (الزنك) ترتبط في روابط تساھمية مع ذرة جرمانيوم ليكتمل المدار الخارجي لذرة الجرمانيوم، ويتبقى إلكترون زائد من الزنك يصبح حر الحركة خلال البلورة، بھذا الأسلوب يزداد عدد الإلكترونات (السالبة) الحرة، وتتحول المادة إلى بلورة سالبة ويرمز لھا بالرمز N.

البلورة الموجبةP :
بنفس الأسلوب يتم إضافة مادة شائبة إلى الجرمانيوم أو السليكون، ولكن في ھذه الحالة يستخدم مادة شائبة ثلاثية التكافؤ مثل الأنديوم أو الغاليوم أو البورون
إن إلكترونات التكافؤ الثلاثة للأنديوم كما في الشكل ترتبط مع ذرات الجرمانيوم برابطة تساھمية وھنا نجد أن ذرة الجرمانيوم ينقصھا إلكترون واحد حتى يكتمل البناء الترابطي التساھمي وھذا يعني وجود فجوة والتي تمثل شحنة موجبة لھا قدرة قوية على جذب الإلكترون. بھذه الصورة يزداد عدد الفجوات، أي عدد الشحنات الموجبة وتزداد معھا ايجابية المادة وتصبح ھذه الفجوات الموجبة مسئولة عن توصيل التيار في المادة ولھذا يطلق على المادة (بلورة موجبة) ويرمز لھا بالرمز P

الان ما حدث بعد الوصول إلى N و P هو محاولة دمجهم معا بتركيب معين للحصول على عناصر جديدة (لأخذ العلم أن كل بلورة لوحدها تعامل كمقاومة)

الثنائي المساري Diode:

و هو بعارة عن إلتحام بلورتين إحداهما N و الأخرى P

مهمة هذا العنصر هي شارع باتجاه واحد أي أنه يسمح للإلكترونات (تحرك الإلكترونات هي التعريف الفيزيائي للتيار الكهربائي) بالتحرك باتجاه واحد و يمنع تحركها في الإتجاه الأخر فهو يسمح بمرور التيار من المصعد إلى المهبط
وهذا العنصر يستخدم بشكل كبير في دارات التغذية التي تحول التيار المتناوب إلى مستمر

ما حدث لاحقا أنه تم إضافة طبقة جديدة من البلورات

الترانزستور Transistors:
للترانزستور أنواع عديدة ولكني هنا سأتحدث عن نوعين فقط الأول هو الBJT و الثاني هو الMosFET
الترانزستور (BJT (Bipolar Junction transistor:

يتكون الBJT من ثلاث طبقات من البلورات و يحدد نوعه حسب ترتيب هذه البطاقات لذلك يوجد لدينا PNP BJT و NPN BJT وغالبا ما يذكر نوعه فقط بغص النظر عن العائلة فيقال PNP فقط و يتكون من ثلاثة اطراف هم المجمع C و المشع E و القاعدة B وهذه الأطراف متصلة مع البلورات الثلاث و من الصورة نلاحظ إختلاف مقاسات البلورات وهذا الإخلاف يعطي للترانزستور خصائصه

هذا النوع من الترانستورات له استخدامين اساسيين هما:
1- التضخيم Amplifier : و المقصود به التحكم بالتيار على خرجه حسب التيار المار بدخله و طبعا هناك فرق في قيمة هذا التيار
و يكون الخرج "غالبا" بين طرفي E و C أما الدخل فيكون عن طريق B

2-مفتاح Switch : وهنا يعمل على وضعيتين فقط on و off أي إما يسمح بمرور التيار أم لا

و تسمى الشرائح الإلكترونية التي تصمم على اساس هذه الترانزستورات بعوائل الTTL

الأن نأتي إلى النوع الأهم و هو الMosFET وهذه الترانزستورات تتبع لعائلة أكبر منها تسمى ال (FET(Filed Effect Transistor أي ترانزستور التأثير الحقلي و تتميز هذه العائلة بإعتمادها على الجهد عوضا عن التيار في التحكم بالخرج

ترانزستور ال (MosFET (Metal Oxide Semiconductor FET :
يتكون هذا الترانزستور من طبقة اساس P أو N تحوي على حفرتين من نوعين مختلفين عن الاساس (N أو P) يوجد فوق هذه الطبقة و في منتصفها طبقة بسيطة من اكسيد المعادن و هذه الطبقة عازلة و فوق طبقة اكسيد المعدن تتوضع طبقة من المعدن التي تتصل مع سلك لتعطي نهاية تسمى البوابة Gate أما الحفرتين فتتصل كل واحدة منهما مع سلك فتسمى إحداهما المنبع Source و الثانية المصب Drain (إن كان لدى أحد ترجمة أفضل أرجوكم) كما توضح الصورة ويسمى الترانزستور بN-MOS أو P-MOS حسب نوع البلورة المشكلة للحفرة

تستخدم ترانزستورات الFET بشكل عام كمفتاح Switch و نادرا ما تستخدم في التضخيم
عند تشغيل عمل الترانزستور ينشأ ما يسمى القناة .
القناة:
هي عبارة عن جسر من حوامل الشحنة (الإلكترونات و الثقوب) تصل بين الحفرتين حيث يمر تيار الخرج فيها بعد تطبيق جهد مناسب على البوابة و هذا الجهد موجب في الN-MOS و سالب في الP-MOS
طول القناة هو المسافة التي تفصل بين الحفرتين و ترمز بL
أما عرض القناة فهي البعد الأفقي لها و ترمز ب w و تساوي عرض كل من الطبقة الاساسية و الحفر ولا يهمنا كثيرا مدى تخلل القناة للطبقة الاساسية

سأضيف المشاركات الجديدة في الموضوع على شكل راوبط هنا
البداية مع CMOS

**starahmad2005** · 28-10-2010, 02:07

موضوع رائع

**EN.AhMeD** · 28-10-2010, 02:07

رائع جدا اخي خير ..

بارك الله فيك ..

الى المزيد من التقدم

محمد أبوحجلة · 28-10-2010, 04:26

السلام عليكم

مجهود كبير....
لي عودة بعد القراءة الدقيقة.

**dungel** · 28-10-2010, 06:03

بارك الله فيك
وبانتظار الباقي
ومبرووووك علي الاشراف

**Brigadier** · 28-10-2010, 18:22

حقيقةً موضوعك هذا اخي خير الدين لامس جزء من دراستي بمجال الالكترونيات و للتو قرأت موضوعك الشيق و تذكرت ما درسته منذ ما يقارب الاربع سنوات

كنت اتمنى لو اتيحت لي الفرصه مستقبلاً ان نضع مواضيع مشتركه نظراً لتشابه دراستنا بالاساس "الكهرباء".

سأكون سعيداً باضافتك المزيد من المواضيع التخصصيه .

بارك الله فيك.

**CR@N$H** · 28-10-2010, 18:47

أخوتي starahmad2005 , EN.AhMeD, dungel
مشكور مروكم
أخ محمد انا في انتظارك
اخي نادر ردك هذا يسعدني جدا

كنت اتمنى لو اتيحت لي الفرصه مستقبلاً ان نضع مواضيع مشتركه نظراً لتشابه دراستنا بالاساس "الكهرباء".

المستقبل ما زال موجود و لي الشرف بالعمل معك

سأكون سعيداً باضافتك المزيد من المواضيع التخصصيه .

إن شاء الله
حقيقة كنت متردد جدا بخصوص هذا الموضوع فهو مختص بالإلكترونيات اكثر منه بالمعالجات ولكن في النهاية قلت لم لا فالمعالجات نفسها تخضع لقوانين الإلكترونيات

**شلاع العتر** · 28-10-2010, 21:37

راااائع ..

أخي خير هل وقفتَ على هذا الخبر المثير للغاية والذي يبدو انه سيصرف عليه الالاف الملايين

increase the energy efficiency of these devices, when active, by 10 times and virtually eliminate power consumption when they are in passive or standby mode

.

للمزيد: هنا

**Maged-Z** · 28-10-2010, 22:05

مجهود ضخم ..وموضوع رائع قمت بعرضه بأسلوبك المتميز..أسأل الله أن يزيدك من علمه ...وأن ينفع بعلمك الناس .
بارك الله فيك يا أخى الحبيب خير الدين.

**S@M** · 28-10-2010, 22:12

روعة يا عزيزى خير الدين ...

الله يزيدك علم كمان وكمان ...

الموضوع رائع ...قرأتة بالكامل ..ولكنى اشعر اننى محتاج لآقرأة مرة اخرى على رواقة غدا

الف شكر يا عزيزى على الافادة العلمية الممتازة ...

**ibrahimfr** · 28-10-2010, 23:13

جزاك الله خيراً أخي خير الدين مقال ولا أروع ,, لدي سؤال , ولكن أظن إجابته في المقال القادم لذلك سأنتظر .

بإعتمادها على الجهد عوضا عن التيار في التحكم بالخرج

:confused::confused::confused: ماذا لو أردنا شيء يتحكم بالخرج والتيار معاً ! <<< أنا غير مسؤول عن هذا السؤال , لأني ربما فهمت الجملة خطأ :D

**CR@N$H** · 29-10-2010, 02:43

المتحكم (الفاعل) هو التيار أو الجهد اما الخرج هو تيار "لأن تشغيل الضوء مثلا أو إطفاءه يمثل مرور التيار فيه أم لا"
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
نعم أخي جهاد قراته و لكن اظن انه سيحتاج لفترة و من الممكن أن نشاهد بعد فترة هذه الجملة 300pm TFET SOI