جهاز أشباه الموصلات

الدايود شبه الموصل هو جهاز يتكون عادةً من وصلة p-n واحدة . عند وصلة شبه موصل من النوع p وشبه موصل من النوع n ، تتشكل منطقة استنزاف حيث يُعيق نقص حاملات الشحنة المتحركة توصيل التيار. عند انحياز الجهاز انحيازًا أماميًا (أي توصيله بالجانب p، الذي يتميز بجهد كهربائي أعلى من الجانب n)، تتقلص منطقة الاستنزاف هذه، مما يسمح بتوصيل كبير. في المقابل، لا يمكن الحصول إلا على تيار ضئيل جدًا عند انحياز الدايود انحيازًا عكسيًا (أي توصيله بالجانب n، الذي يتميز بجهد كهربائي أعلى من الجانب p، وبالتالي تتسع منطقة الاستنزاف).

يؤدي تعريض أشباه الموصلات للضوء إلى توليد أزواج إلكترون-فجوة ، مما يزيد من عدد حاملات الشحنة الحرة وبالتالي الموصلية. تُعرف الثنائيات المُحسَّنة للاستفادة من هذه الظاهرة باسم الثنائيات الضوئية . كما يمكن لثنائيات أشباه الموصلات المركبة إنتاج الضوء، كما هو الحال في الثنائيات الباعثة للضوء وثنائيات الليزر .

الأجهزة ذات الطرفين:

• DIAC
• الصمام الثنائي (صمام ثنائي مقوم)
• ثنائي غان
• ثنائي إمبات
• ثنائي ليزري
• الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
• الخلية الضوئية
• ترانزستور ضوئي
• ثنائي PIN
• ثنائي شوتكي
• الخلية الشمسية
• ثنائي كبح الجهد العابر
• ثنائي النفق
• VCSEL
• ثنائي زينر
• ثنائي زين

الأجهزة ثلاثية الأطراف:

• ترانزستور ثنائي القطب
• ترانزستور دارلينجتون
• ترانزستور تأثير المجال
• ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة (IGBT)
• مقوم سيليكوني متحكم به
• الثايرستور
• الترياك
• ترانزستور أحادي الوصلة

الأجهزة ذات الأربعة أطراف:

• مستشعر تأثير هول (مستشعر المجال المغناطيسي)
• مُقترن ضوئي (مُقترن ضوئي)

تختلف أرقام أجزاء أشباه الموصلات عادةً باختلاف الشركات المصنعة. ومع ذلك، فقد بُذلت محاولات لوضع معايير لرموز الأنواع، وتتبع مجموعة فرعية من الأجهزة هذه المعايير. فعلى سبيل المثال، بالنسبة للأجهزة المنفصلة ، ​​توجد ثلاثة معايير: JEDEC JESD370B في الولايات المتحدة، و Pro Electron في أوروبا، والمعايير الصناعية اليابانية (JIS).

استُخدمت أشباه الموصلات في مجال الإلكترونيات لبعض الوقت قبل اختراع الترانزستور. ومع مطلع القرن العشرين، شاع استخدامها ككواشف في أجهزة الراديو ، وتحديدًا في جهاز يُعرف باسم "شعيرة القط" طوّره جاغاديش تشاندرا بوس وآخرون. إلا أن هذه الكواشف كانت مُرهِقة نوعًا ما، إذ كانت تتطلب من المُشغّل تحريك خيط صغير من التنجستن (الشعيرة) على سطح بلورة من الجالينا ( كبريتيد الرصاص) أو الكاربورندوم (كربيد السيليكون) حتى يبدأ بالعمل فجأة. ^{[ 19 ]} ثم، على مدى بضع ساعات أو أيام، تتوقف "شعيرة القط" عن العمل تدريجيًا، ويتعين تكرار العملية. في ذلك الوقت، كان تشغيلها غامضًا تمامًا. بعد ظهور أجهزة الراديو الأكثر موثوقية وتضخيمًا التي تعمل بالصمامات المفرغة ، اختفت أنظمة "شعيرة القط" سريعًا. يُعد "شارب القطة" مثالاً بدائياً لنوع خاص من الصمام الثنائي لا يزال شائعاً حتى اليوم، ويسمى صمام شوتكي الثنائي .

من الأنواع المبكرة الأخرى لأجهزة أشباه الموصلات مقوم المعدن، الذي يكون فيه شبه الموصل أكسيد النحاس أو السيلينيوم . وكانت شركة وستنجهاوس إلكتريك (1886) من كبرى الشركات المصنعة لهذه المقومات.

خلال الحرب العالمية الثانية، دفعت أبحاث الرادار بسرعة أجهزة استقبال الرادار للعمل بترددات أعلى بكثير، تصل إلى حوالي 4000  ميجاهرتز، ولم تعد أجهزة استقبال الراديو التقليدية التي تعمل بالصمامات الإلكترونية فعالة. وقد أدى إدخال المغنطرون التجويفي من بريطانيا إلى الولايات المتحدة عام 1940 خلال مهمة تيزارد إلى حاجة ملحة لمضخم عملي عالي التردد.

قرر راسل أوهل من مختبرات بيل ، بدافعٍ من نزوةٍ عابرة، تجربة جهاز " شعيرة القط" . في ذلك الوقت، لم يكن هذا الجهاز مستخدمًا لسنواتٍ عديدة، ولم يكن لدى أيٍّ من العاملين في المختبرات واحدٌ منه. بعد البحث عنه في متجرٍ لبيع أجهزة الراديو المستعملة في مانهاتن ، وجد أنه يعمل بكفاءةٍ أفضل بكثير من الأنظمة التي تعتمد على الصمامات الإلكترونية.

بحث أوهل في سبب كفاءة بلورة شعيرات القط. أمضى معظم عام ١٩٣٩ محاولًا إنماء نسخ أنقى منها. سرعان ما اكتشف أنه مع البلورات عالية الجودة، يختفي سلوكها المتقلب، لكن قدرتها على العمل ككاشف لاسلكي تتلاشى أيضًا. في أحد الأيام، وجد أن إحدى أنقى بلوراته لا تزال تعمل بكفاءة، مع وجود شق واضح قرب منتصفها. ومع ذلك، أثناء تنقله في الغرفة لاختبارها، كان الكاشف يعمل بشكل غامض، ثم يتوقف مجددًا. بعد دراسة متأنية، وجد أن هذا السلوك يتحكم فيه ضوء الغرفة - فكلما زاد الضوء، زادت الموصلية في البلورة. دعا أوهل عدة أشخاص آخرين لرؤية هذه البلورة، فأدرك والتر براتين على الفور وجود نوع من الوصلة عند الشق.

كشفت المزيد من الأبحاث عن اللغز المتبقي. فقد انكسرت البلورة لأن كل جانب منها احتوى على كميات متفاوتة قليلاً من الشوائب التي لم يتمكن أوهل من إزالتها - حوالي 0.2%. احتوى أحد جانبي البلورة على شوائب أضافت إلكترونات إضافية (حاملات التيار الكهربائي) وجعلتها "موصلة". أما الجانب الآخر، فاحتوى على شوائب أرادت الارتباط بهذه الإلكترونات، مما جعلها (كما سماها) "عازلة". ولأن جزئي البلورة كانا متلامسين، فقد كان من الممكن دفع الإلكترونات خارج الجانب الموصل الذي يحتوي على إلكترونات إضافية (والذي سيُعرف لاحقًا باسم الباعث )، واستبدالها بإلكترونات جديدة يتم توفيرها (من بطارية، على سبيل المثال) حيث تتدفق إلى الجزء العازل ويتم تجميعها بواسطة الشعيرة (المسماة المجمع ) . ومع ذلك، عند عكس الجهد، فإن الإلكترونات التي يتم دفعها إلى المجمع ستملأ بسرعة "الفجوات" (الشوائب التي تحتاج إلى الإلكترونات)، وسيتوقف التوصيل على الفور تقريبًا. أدى هذا التقاء البلورتين (أو أجزاء من بلورة واحدة) إلى تكوين ثنائي صلب، وسرعان ما عُرف هذا المفهوم باسم أشباه الموصلات. وتتعلق آلية عمل الثنائي عند إيقاف تشغيله بانفصال حاملات الشحنة حول نقطة الالتقاء، وتُسمى هذه المنطقة " منطقة الاستنزاف ".

بعد اكتساب المعرفة بكيفية عمل هذه الثنائيات الجديدة، بُذلت جهود حثيثة لتعلم كيفية تصنيعها حسب الطلب. تعاونت فرق من جامعة بيردو ، ومختبرات بيل ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وجامعة شيكاغو لتطوير بلورات أفضل. وفي غضون عام، تم إتقان إنتاج الجرمانيوم إلى درجة استخدام ثنائيات عسكرية في معظم أجهزة الرادار.

بعد الحرب، قرر ويليام شوكلي محاولة بناء جهاز أشباه موصلات يشبه الصمام الثلاثي . وقد حصل على التمويل ومساحة المختبر، وبدأ العمل على المشكلة مع براتين وجون باردين .

كان مفتاح تطوير الترانزستور هو فهم أعمق لعملية حركة الإلكترونات في أشباه الموصلات. فقد أُدرك أنه إذا وُجدت طريقة للتحكم في تدفق الإلكترونات من الباعث إلى المجمع في هذا الثنائي المكتشف حديثًا، فسيُمكن بناء مُضخِّم. على سبيل المثال، إذا وُضعت نقاط تلامس على جانبي نوع واحد من البلورات، فلن يمر التيار بينهما عبر البلورة. ولكن، إذا أمكن لنقطة تلامس ثالثة "حقن" الإلكترونات أو الفجوات في المادة، فسيمر التيار.

بدا تنفيذ ذلك في الواقع بالغ الصعوبة. فلو كان حجم البلورة معقولاً، لكان عدد الإلكترونات (أو الفجوات) المطلوب حقنها كبيراً جداً، مما يقلل من جدواها كمضخم لأنها تتطلب تيار حقن عالياً في البداية. مع ذلك، تكمن فكرة ثنائي البلورة في قدرة البلورة نفسها على توفير الإلكترونات عبر مسافة قصيرة جداً، وهي منطقة الاستنزاف. ويبدو أن الحل الأمثل يكمن في وضع نقاط التلامس للإدخال والإخراج متقاربة جداً على سطح البلورة على جانبي هذه المنطقة.

بدأ براتين العمل على بناء جهاز كهذا، واستمرت بوادر التضخيم بالظهور أثناء عمل الفريق على حل المشكلة. في بعض الأحيان، كان النظام يعمل ثم يتوقف فجأة. وفي إحدى الحالات، بدأ نظام معطل بالعمل عند وضعه في الماء. طور أوهل وبراتين لاحقًا فرعًا جديدًا من ميكانيكا الكم ، عُرف باسم فيزياء الأسطح ، لتفسير هذا السلوك. تنتقل الإلكترونات في أي جزء من البلورة بفعل الشحنات المجاورة. تتجمع الإلكترونات في الباعثات، أو "الفجوات" في المجمعات، على سطح البلورة حيث تجد شحنتها المعاكسة "تطفو" في الهواء (أو الماء). ومع ذلك، يمكن دفعها بعيدًا عن السطح بتطبيق كمية صغيرة من الشحنة من أي مكان آخر على البلورة. فبدلًا من الحاجة إلى كمية كبيرة من الإلكترونات المحقونة، يكفي عدد قليل جدًا منها في المكان المناسب على البلورة لتحقيق النتيجة نفسها.

ساهم فهمهم في حل مشكلة الحاجة إلى مساحة تحكم صغيرة جدًا إلى حد ما. فبدلًا من الحاجة إلى شبه موصلين منفصلين متصلين بمنطقة مشتركة صغيرة، يمكن استخدام سطح واحد أكبر. توضع أطراف انبعاث وتجميع الإلكترونات متقاربة جدًا في الأعلى، بينما يوضع طرف التحكم في قاعدة البلورة. عند مرور التيار عبر طرف القاعدة هذا، تُدفع الإلكترونات أو الفجوات إلى الخارج عبر كتلة شبه الموصل، وتتجمع على السطح البعيد. طالما كان الباعث والمجمع متقاربين جدًا، فإن هذا يسمح بوجود عدد كافٍ من الإلكترونات أو الفجوات بينهما لبدء التوصيل.

بذل فريق بيل محاولات عديدة لبناء نظام كهذا باستخدام أدوات متنوعة، لكنهم فشلوا في الغالب. كانت التركيبات، حيث كانت نقاط التلامس متقاربة بما يكفي، هشةً كحال كاشفات شعيرات القطط الأصلية، ولم تكن تعمل إلا لفترة وجيزة، إن عملت أصلاً. في النهاية، حققوا اختراقًا عمليًا. تم لصق قطعة من رقائق الذهب على حافة إسفين بلاستيكي، ثم قُطعت الرقائق بشفرة حلاقة عند رأس المثلث. نتج عن ذلك نقطتا تلامس ذهبيتان متقاربتان جدًا. عندما ضُغط الإسفين على سطح بلورة وطُبّق جهد كهربائي على الجانب الآخر (قاعدة البلورة)، بدأ التيار بالتدفق من نقطة تلامس إلى أخرى، حيث دفع جهد القاعدة الإلكترونات بعيدًا عن القاعدة نحو الجانب الآخر بالقرب من نقاط التلامس. وهكذا تم اختراع ترانزستور نقطة التلامس.

رغم أن الجهاز صُنع قبل أسبوع، إلا أن ملاحظات براتين تصف أول عرض توضيحي له أمام كبار المسؤولين في مختبرات بيل بعد ظهر يوم 23 ديسمبر 1947، وهو التاريخ الذي يُعتبر غالبًا تاريخ ميلاد الترانزستور. ما يُعرف الآن باسم " ترانزستور الجرمانيوم ذو نقطة التلامس p-n-p " عمل كمضخم صوت بقدرة تكبير 18 في تلك التجربة. وقد مُنح جون باردين ، ووالتر هاوزر براتين ، وويليام برادفورد شوكلي جائزة نوبل في الفيزياء عام 1956 تقديرًا لإسهاماتهم.

احتاجت مختبرات بيل للهواتف إلى اسم عام لاختراعها الجديد: "أشباه الموصلات ثلاثية الأقطاب"، و"الأقطاب الصلبة ثلاثية الأقطاب"، و"أقطاب الحالات السطحية ثلاثية الأقطاب " ، و"الأقطاب البلورية ثلاثية الأقطاب"، و"إيوتاترون"، ولكن اسم "الترانزستور"، الذي صاغه جون ر. بيرس ، فاز في تصويت داخلي. ويرد شرح الأساس المنطقي لهذا الاسم في المقتطف التالي من المذكرات الفنية للشركة (28 مايو 1948) [26] التي تدعو إلى التصويت:

الترانزستور. هذا اختصار لكلمتي "الناقلية" أو "النقل"، و"المقاومة المتغيرة". ينتمي هذا الجهاز منطقيًا إلى عائلة المقاومات المتغيرة، وله ناقلية أو مقاومة نقل مماثلة لجهاز ذي كسب، لذا فإن هذا الاختصار وصفي.

انزعج شوكلي من نسبة اختراع الجهاز إلى براتين وباردين، اللذين شعر أنهما بنياه "من وراء ظهره" ليُنسب إليهما الفضل. وتفاقم الوضع عندما اكتشف محامو مختبرات بيل أن بعض كتابات شوكلي حول الترانزستور كانت قريبة جدًا من تلك الواردة في براءة اختراع سابقة تعود لعام 1925 لجوليوس إدغار ليليينفيلد، ما دفعهم إلى استبعاد اسمه من طلب براءة الاختراع.

استشاط شوكلي غضباً، وقرر أن يثبت من هو العقل المدبر الحقيقي للعملية. وبعد بضعة أشهر، اخترع نوعاً جديداً تماماً من الترانزستورات ثنائية القطب ، أكثر متانة بكثير، ذات بنية طبقية أو "ساندويتشية"، والتي استُخدمت في الغالبية العظمى من الترانزستورات حتى ستينيات القرن العشرين.

بعد حل مشكلة الهشاشة، بقيت مشكلة النقاء. فقد أثبت إنتاج الجرمانيوم بالنقاء المطلوب صعوبة بالغة، مما حدّ من إنتاج الترانزستورات العاملة من دفعة معينة من المادة. كما حدّت حساسية الجرمانيوم لدرجة الحرارة من فائدته. افترض العلماء أن السيليكون أسهل في التصنيع، لكن قلة منهم بحثت في هذا الاحتمال. وكان العالم السابق في مختبرات بيل، جوردون ك. تيل، أول من طوّر ترانزستور سيليكون عامل في شركة تكساس إنسترومنتس الناشئة ، مما منحها تفوقًا تقنيًا. منذ أواخر الخمسينيات، كانت معظم الترانزستورات مصنوعة من السيليكون. وفي غضون سنوات قليلة، بدأت المنتجات التي تعتمد على الترانزستور، وأبرزها أجهزة الراديو المحمولة، بالظهور في السوق. وقد ساهمت تقنية " صهر المنطقة "، التي تستخدم شريطًا من المادة المنصهرة يتحرك عبر البلورة، في زيادة نقاء البلورة.

في عام 1955، قام كارل فروتش ولينكولن ديريك، عن طريق الصدفة، بتنمية طبقة من ثاني أكسيد السيليكون فوق رقاقة السيليكون، ولاحظا تأثيرات التخميل السطحي. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وبحلول عام 1957، تمكن فروتش وديريك، باستخدام تقنيات التغطية والترسيب المسبق، من تصنيع ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون؛ وهي أول ترانزستورات مستوية، حيث كان المصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. ^{[ 22 ]} وقد أظهرا أن ثاني أكسيد السيليكون يعزل رقائق السيليكون ويحميها ويمنع الشوائب من الانتشار داخل الرقاقة. ^{[ 20 ] [ 22 ]} وفي مختبرات بيل، تم إدراك أهمية تقنية فروتش وديريك والترانزستورات على الفور. انتشرت نتائج عملهم في مختبرات بيل على شكل مذكرات داخلية قبل نشرها عام 1957. وفي شركة شوكلي لأشباه الموصلات ، عمّم شوكلي النسخة الأولية من مقالهم في ديسمبر 1956 على جميع كبار موظفيه، بمن فيهم جان هورني ، ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} الذي سيخترع لاحقًا عملية الطباعة المستوية عام 1959 أثناء عمله في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

بعد ذلك، درس كلٌ من جيه آر ليجينزا و دبليو جي سبيتزر آلية نمو الأكاسيد حراريًا، وقاما بتصنيع طبقة Si/ SiO₂ عالية الجودة _، ونشرا نتائجهما في عام 1960. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} وفي أعقاب هذا البحث، اقترح محمد عطا الله وداوون كانغ ترانزستور MOS سيليكوني في عام 1959 ^{[ 32 ]} ، ونجحا في عرض جهاز MOS عامل مع فريق مختبرات بيل في عام 1960. ^{[ 33 ] [ 34 ]} وضم فريقهم إي إي لابيت وإي آي بوفيلونيس اللذين قاما بتصنيع الجهاز؛ وإم أو ثورستون، وإل إيه داسارو، وجيه آر ليجينزا الذين طوروا عمليات الانتشار؛ وإتش كيه جوميل وآر ليندنر اللذين قاما بتوصيف الجهاز. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

بفضل قابليته للتوسع ، ^{[ 37 ]} واستهلاكه المنخفض للطاقة وكثافته العالية مقارنةً بترانزستورات الوصلة ثنائية القطب ، ^{[ 38 ]} أصبح ترانزستور MOSFET النوع الأكثر شيوعًا في أجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات، ^{[ 39 ]} وتقنيات الاتصالات مثل الهواتف الذكية . ^{[ 40 ]} ويصف مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي ترانزستور MOSFET بأنه "اختراع رائد غيّر الحياة والثقافة في جميع أنحاء العالم". ^{[ 40 ]}

يشكّل مفهوم طبقة الانعكاس الذي وضعه باردين عام 1948 أساس تقنية CMOS الحالية. ^{[ 41 ]} اخترع تشيه-تانغ ساه وفرانك وانلاس تقنية CMOS (ترانزستور MOSFET التكميلي) في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات عام 1963. ^{[ 42 ]} وقدّم داوون كانغ وسيمون سزي أول تقرير عن ترانزستور MOSFET ذي البوابة العائمة عام 1967. ^{[ 43 ]} واقترح إتش آر فرح ( شركة بنديكس ) وآر إف شتاينبرغ ترانزستور FinFET (ترانزستور تأثير المجال ذو الزعانف)، وهو نوع من ترانزستورات MOSFET ثلاثية الأبعاد متعددة البوابات، عام 1967 ^{[ 44 ]} ، وقام ديغ هيساموتو وفريقه من الباحثين في مختبر هيتاشي المركزي للأبحاث ببنائه لأول مرة عام 1989. ^{[ 45 ] [ 46 ]}