از دانه‌های شن تا مغز کامپیوتر؛ تراشه‌ها چگونه ساخته می‌شوند؟

دوپینگ سیلیکون با فسفر (N -TOP)

فسفر با پنج الکترون در لایه بیرونی ، پس از قرار گرفتن در شبکه کریستال ، یک الکترون رایگان ایجاد می کند که به هدایت جریان الکتریکی کمک می کند. سیلیکون ، فسفر -آلیاژ به عنوان نیمه هادی نوع N نامیده می شود.

دوپینگ سیلیکون با بور (نوع P)

یک بور با سه الکترون در لایه بیرونی ، پس از قرار دادن در شبکه کریستال سیلیکون ، یک حفره (جای خالی الکترونیکی) ایجاد می کند که به هدایت برق کمک می کند. سیلیکون بلوک -uta به عنوان یک نوع نیمه مقاوم در برابر P. نامیده می شود.

ترانزیستورها ؛ واحدهای کنترل جریان

ترانزیستورها بدون شک یکی از شگفت انگیزترین اختراعات در دنیای الکترونیک هستند. این اجزای الکترونیکی بر اساس لایه های P و N هادی ساخته شده و وظیفه کنترل ولتاژ جریان و الکتریکی را بر عهده دارند. علاوه بر این ، ما به ساختار ترانزیستورها و روند ساخت تراشه خواهیم پرداخت.

برای درک کارآیی ترانزیستور ، ابتدا به قطعه ساده تر می رویم ، که اولین قدم را دارد: دیود. دیودها ، این مؤلفه های به ظاهر ساده ، نقش مهمی در ایجاد جریان ، محافظت از زنجیره ای و بسیاری از برنامه های دیگر دارند. اما راز ارائه آنها چیست؟

تولد دیود ؛ باند P و N

تصور کنید که یک قطعه سیلیکون و قسمتهای آغشته به آن را با مواد خاصی به نام ناخالصی ها برداشته اید. اگر بخشی از سیلیکون را با عنصر بلوند انجام دهیم ، منطقه ای به نام p مثبت ایجاد می شود که در آن سوراخ ها ، جای خالی ، حامل اصلی حامل ها هستند. در مقابل ، اگر قسمت دیگر را با فسفر دو برابر کنیم ، منطقه N -Tying یا منفی شکل می گیرد که در آن الکترون ها حامل اصلی هستند.

حال اگر دو قسمت P و N را به هم وصل کنیم ، فقط یک پدیده جالب در تقاطع است: تشکیل لایه لایه.

در منطقه N ، الکترونها تمایل دارند به منطقه P پر از حفره حرکت کنند. این مهاجرت باعث می شود منطقه P کمی منفی و N کمی مثبت باشد. این جابجایی حمل و نقل یک میدان الکتریکی را در ناحیه تخلیه ایجاد می کند ، که دقیقاً به عنوان سد عمل می کند و از این سد جلوگیری می کند.

اکنون دیود برق خود را به عنوان باتری وصل می کنیم. قطب مثبت باتری را به N و قطب منفی به قطب دیود وصل کنید ، شرایطی به نام انحراف معکوس. در این حالت ، باتری الکترون ها و سوراخ ها را جذب می کند و بیشتر می شود. در نتیجه ، سد بالقوه قوی تر است و تقریباً هیچ جریان از طریق دیود وجود ندارد.

اما اگر ستون های باتری را جایگزین کنیم ، یعنی برای اتصال قطب منفی به N و قطب مثبت به منطقه P ، شرایط کاملاً تغییر می کند. به این تعصب مستقیم گفته می شود.

در صورت انحراف مستقیم ، قطب منفی باتری الکترون ها را از ناحیه N خارج می کند و آن را به ناحیه تخلیه می کشاند. اگر ولتاژ باتری به اندازه کافی بالا باشد تا بر سد احتمالی غلبه کند ، الکترون ها با انرژی کافی از سد عبور می کنند. به محض عبور از سد ، انرژی الکترون ها تخلیه می شوند و به راحتی وارد حفره های منطقه P می شوند.

اما داستان به اینجا پایان نمی یابد. قطب مثبت باتری الکترون ها را از P. جذب می کند. این بخش باعث می شود الکترون ها از حفره موجود در حفره در منطقه P پرش کنند و در نهایت به قطب مثبت باتری برسند. این حرکت مداوم الکترون ها جریان الکتریکی را در مدار خارجی ایجاد می کند.

نکته مهم در مورد دیودها این است که لایه P معمولاً بسیار نازک است و مقدار ماده بیرونی بسیار کم است. این عملکرد به عملکرد خاص دیود کمک می کند.

حال بیایید به سؤال اصلی برگردیم: ترانزیستور دیود چه ارتباطی دارد؟ به معنای ساده ، می توان گفت که ترانزیستور چیزی نیست جز دو دیود که در پشت یکدیگر وصل شده اند. به همین دلیل ، وقتی قدرت را به یک ترانزیستور ساده وصل می کنید ، یکی از این دیودها همیشه در تعصبات مخالف قرار دارد. انحراف معکوس ، همانطور که دیدیم ، مسیر جریان الکتریکی را مسدود می کند.

قبلاً گفتیم که ترانزیستور می تواند دو دیود در پشت در نظر گرفته شود. ما همچنین گفتیم که با منبع تغذیه ، یکی از این دیودها همیشه در تعصب مخالف قرار دارد و جریان را مسدود می کند. اما اگر منبع تغذیه دوم را به زنجیره اضافه کنیم ، چه می شود؟

تصور کنید که منبع تغذیه دوم ترانزیستور را به گونه ای وصل کنید تا ولتاژ کافی برای غلبه بر پتانسیل یکی از دیودها وجود داشته باشد. در این حالت ، ما عملاً مستقیماً معتاد هستیم.

هنگامی که منبع تغذیه دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می شود ، اتفاق جالبی رخ می دهد. بسیاری از الکترون ها در منطقه N آزاد می شوند. مانند دیود ، برخی از این الکترون ها با سوراخ هایی در منطقه P ترکیب شده و از یک حفره به حفره دیگر می پرند تا به پایه برسند. این حرکت جریان کمی را در پایه ترانزیستور ایجاد می کند.

هنگامی که منبع تغذیه دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می شود ، اتفاق جالبی رخ می دهد. بسیاری از الکترون ها به N (که ما آن را رادیاتور یا E می نامیم) آزاد می شوند. مانند دیود ، برخی از این الکترون ها با سوراخ های منطقه p (که ما آن را پایه یا پایه می نامیم) ترکیب می شوند و از یک حفره به حفره دیگر می پرند تا به پایه برسند. این حرکت جریان کمی را در پایه ترانزیستور ایجاد می کند.

اما همه الکترون های آزاد شده وارد پایه نمی شوند. با توجه به ناحیه نازک ناحیه p (پایه) ، بیشتر الکترون ها از آن عبور می کنند و به N دیگر می رسند (به نام جمع کننده – C). اگر به نام پایه های ترانزیستور نگاه کنید ، خواهید فهمید که این نام ها مطابق با جریان الکترون درست هستند:

از آنجا که منطقه P بسیار باریک است ، تقریباً هیچ الکترون به قطب مثبت منبع تغذیه دوم نمی رود. بنابراین ، جریان کوچک در پایه تقویت شده و به یک جریان بزرگ در جمع کننده تبدیل می شود. اگر به نام پایه های ترانزیستور نگاه کنید ، خواهید فهمید که این نام ها مطابق با جریان الکترون درست هستند:

• بنیاد (پایه – ب): یک جریان کوچک (جریان کنترل) دریافت می کند.
• امیر (ه): مرتبط با زمین (منبع الکترون).
• جمع کننده (ج): این جریان بزرگ را جمع می کند و به بار منتقل می شود (به عنوان مثال یک لامپ ، زنجیره دیگر و غیره).

تاکنون آموخته ایم که چرا از سیم های P و N برای ساخت ترانزیستور استفاده می کنیم. اما ساختار ترانزیستور پیچیده تر است. علاوه بر این دو لایه ، یک لایه اضافی از اکسید سیلیکون به عنوان عایق در ساختار ترانزیستورها وجود دارد. یک لایه نازک از پلی سیکون رسانا روی این لایه عایق قرار می گیرد ، که جریان الکتریکی را هدایت می کند و نقش مهمی در عملکرد دقیق تر ترانزیستور ایفا می کند.

می توانید بپرسید که چگونه این لایه های پیچیده که زیربنای کار تراشه ها بر روی وافل های سیلیکون ایجاد می شود؟ برای پاسخ به این سؤال ، ما باید وارد دنیای باورنکردنی و پیچیده روند طراحی تراشه ها شویم. سفری که با طرح های دقیق شروع می شود و در نهایت منجر به تراشه هایی می شود که زندگی روزمره ما را تغییر داده است.

نقشه برداری برای دنیای الکترونیکی ؛ طراحی شروع -UP

تصور کنید که می خواهید یک شهر بزرگ بسازید. اول از همه ، برای یافتن خیابان ها ، ساختمانها ، تأمین آب و سایر زیرساخت ها به یک نقشه دقیق نیاز دارید. در دنیای تراشه ها ، اولین قدم طراحی و چیدمان زنجیرها است. در این مرحله ، مهندسان ، مانند برنامه ریزی شهری ، مدارهای الکترونیکی را با جزئیات کامل تراشه ترسیم می کنند.

نکته شگفت انگیز در مورد تراشه ها چگالی منحصر به فرد قطعات است. تصور کنید که میلیاردها ترانزیستور پیشرفته و اجزای الکترونیکی فقط در چند میلی متر روی سطح قرار دارند! این حجم باورنکردنی از مؤلفه ها به یک طراحی بسیار دقیق و طراحی شده نیاز دارد تا به درستی کار کند و تراشه عملکرد مورد انتظار را ارائه دهد.

در مرحله اول ، مهندسان عملکرد تراشه را تعیین می کنند: این تراشه برای پردازش داده ها در یک تلفن هوشمند در نظر گرفته شده است یا وظیفه آن برای ذخیره اطلاعات در حافظه SSD است؟ هر تراشه از کاربرد ویژه ای برخوردار است و این اساس طراحی آن است.

شبیه سازی های پیشرفته خصوصیات فنی و فیزیکی تراشه را بررسی می کنند. مهندسان از نرم افزار تخصصی برای شناسایی میلیاردها ترانزیستور و آزمایش اثربخشی نهایی تراشه استفاده می کنند. از ابزارهای ویژه طراحی برای این منظور برای ترسیم نقشه دقیق ICS استفاده می شود.

معماری سه بعدی یکی از جالب ترین قسمت های طراحی تراشه است. برخلاف عقل سلیم ، تراشه ها فقط یک لایه نازک از زنجیرها نیستند. بیشتر از چندین لایه ساخته شده است. در این معماری ، هر لایه نقش خاصی ایفا می کند. برخی از آنها مسیرهایی را برای جریان الکتریکی تشکیل می دهند ، برخی دیگر عایق الکتریکی هستند و برخی به عنوان ذخیره و پردازش داده ها عمل می کنند.

یکی از مهمترین چالش های طراحی تراشه ، بهینه سازی انرژی است. طراحی تراشه باید به گونه ای باشد که کمترین عملکرد را با مصرف انرژی کمتری فراهم کند. این امر به ویژه در تلفن های هوشمند و لپ تاپ ها بسیار مهم است ، زیرا از تراشه کندتر استفاده می شود ، باتری دستگاه طولانی تر است.

عکس ها الگوهای تراشه سبک وزن

پس از توسعه زنجیره ، کارت بارگیری می شود چربی عکس منتقل می شود. عکس ها ، یک صفحه مربع با سیلیس ذوب شده (کوارتز خالص) حدود 2 میلی متر است. این صفحه دارای مدلهایی است که یا مات و بلوک نور یا شفاف هستند ، نور را عبور داده یا فاز نور را تغییر می دهند و باعث تغییر مسیر یا ویژگی های نور می شوند. در فرآیند لیتوگرافی ، این مدل بر روی وافل سیلیکون می درخشد تا شکل دقیق مدارهای الکترونیکی ایجاد شود.