مكونات إلكترونية جديدة ومبتكرة لرقائق IC للدوائر المتكاملة TPA3116D2DADR

في الأيام الأولى لشريحة أشباه الموصلات، لم يكن السيليكون هو الشخصية الرئيسية، بل كان الجرمانيوم.كان الترانزستور الأول عبارة عن ترانزستور يعتمد على الجرمانيوم وكانت أول شريحة دائرة متكاملة عبارة عن شريحة الجرمانيوم.
تم اختراع أول ترانزستور على يد باردين وبراتون، اللذين اخترعا الترانزستور ثنائي القطب (BJT).تم اختراع أول صمام ثنائي للوصلة P/N بواسطة Shockley، وعلى الفور، أصبح نوع الوصلة هذا الذي صممه Shockley هو الهيكل القياسي لـ BJT وهو في الخدمة اليوم.كما حصل الثلاثة منهم على جائزة نوبل في الفيزياء في ذلك العام عام 1956.
يمكن ببساطة فهم الترانزستور على أنه مفتاح مصغر.اعتمادًا على خصائص شبه الموصل، يمكن تشكيل شبه موصل من النوع N عن طريق تطعيم شبه الموصل بالفوسفور وشبه الموصل من النوع P بالبورون.يشكل الجمع بين أشباه الموصلات من النوع N والنوع P تقاطع PN، وهو هيكل مهم في الرقائق الإلكترونية؛وهذا يسمح بإجراء عمليات منطقية محددة (مثل البوابات، أو البوابات، وغير البوابات، وما إلى ذلك)
ومع ذلك، يواجه الجرمانيوم بعض المشكلات الصعبة للغاية، مثل العيوب العديدة في الواجهة في أشباه الموصلات، وضعف الاستقرار الحراري، ونقص الأكاسيد الكثيفة.علاوة على ذلك، يعد الجرمانيوم عنصرًا نادرًا، حيث يوجد 7 أجزاء فقط في المليون في القشرة الأرضية، كما أن خامات الجرمانيوم متناثرة جدًا.نظرًا لأن الجرمانيوم نادر جدًا وغير مركّز، فإن تكلفة المواد الخام للجرمانيوم تظل مرتفعة؛الأشياء نادرة، وارتفاع تكلفة المواد الخام يجعل ترانزستورات الجرمانيوم ليست أرخص، لذلك من الصعب إنتاج ترانزستورات الجرمانيوم على نطاق واسع.

ولذلك، قفز الباحثون إلى مستوى أعلى ونظروا إلى عنصر السيليكون.يمكنك القول أن جميع أوجه القصور المتأصلة في الجرمانيوم هي مزايا متأصلة في السيليكون.

يعد السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة بعد الأكسجين، لكن لا يمكنك العثور على مونومرات السيليكون في الطبيعة؛مركباته الأكثر شيوعا هي السيليكا والسيليكات.ومن بين هذه العناصر، يعد السيليكا بدوره أحد المكونات الرئيسية للرمل.بالإضافة إلى ذلك، تعتمد المركبات مثل الفلسبار والجرانيت والكوارتز على مركبات السيليكا والأكسجين.

السيليكون مستقر حرارياً، ويحتوي على أكسيد ثابت كثيف وعازل للكهرباء، ويمكن تحضيره بسهولة باستخدام واجهة أكسيد السيليكون مع عدد قليل جدًا من العيوب البينية.

أكسيد السيليكون غير قابل للذوبان في الماء (أكسيد الجرمانيوم قابل للذوبان في الماء) وغير قابل للذوبان في معظم الأحماض، وهو ببساطة تطابق مثالي لتقنية الطباعة بالتآكل المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة.نتاج هذا المزيج هو العملية المسطحة للدوائر المتكاملة التي تستمر حتى يومنا هذا.
أعمدة كريستال السيليكون

رحلة السيليكون إلى القمة
مشروع فاشل: يقال أن شوكلي رأى فرصة كبيرة في السوق في وقت لم ينجح فيه أحد بعد في صنع ترانزستور السيليكون؛ولهذا السبب ترك شركة Bell Labs في عام 1956 ليبدأ شركته الخاصة في كاليفورنيا.لسوء الحظ، لم يكن شوكلي رجل أعمال جيدًا وكانت إدارة أعماله بمثابة مهمة حمقاء مقارنة بمهاراته الأكاديمية.لذلك لم يحقق شوكلي نفسه طموح استبدال الجرمانيوم بالسيليكون، وكانت المنصة لبقية حياته هي منصة التتويج في جامعة ستانفورد.بعد مرور عام على تأسيسها، انشق عنه الشباب الموهوبون الثمانية الذين جندهم بشكل جماعي، وكان "الخونة الثمانية" هم من أكملوا طموح استبدال الجرمانيوم بالسيليكون.

صعود الترانزستور السيليكون

قبل أن يؤسس المتمردون الثمانية شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات، كانت ترانزستورات الجرمانيوم هي السوق المهيمنة للترانزستورات، حيث تم تصنيع ما يقرب من 30 مليون ترانزستور في الولايات المتحدة في عام 1957، ومليون ترانزستور سيليكون فقط وما يقرب من 29 مليون ترانزستور جرمانيوم.مع حصة سوقية تبلغ 20%، أصبحت شركة Texas Instruments عملاقة في سوق الترانزستورات.
ثمانية المتمردون وفيرتشايلد لأشباه الموصلات

يريد أكبر عملاء السوق، حكومة الولايات المتحدة وجيشها، استخدام الرقائق بأعداد كبيرة في الصواريخ والقذائف، مما يزيد من حمولة الإطلاق القيمة ويحسن موثوقية محطات التحكم.لكن الترانزستورات ستواجه أيضًا ظروف تشغيل قاسية ناجمة عن درجات الحرارة المرتفعة والاهتزازات العنيفة.

الجرمانيوم هو أول من يخسر عندما يتعلق الأمر بدرجة الحرارة: ترانزستورات الجرمانيوم يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية فقط، في حين أن المتطلبات العسكرية هي التشغيل المستقر حتى عند 200 درجة مئوية.فقط ترانزستورات السيليكون يمكنها تحمل درجة الحرارة هذه.
ترانزستور السيليكون التقليدي

اخترع فيرتشايلد عملية صنع ترانزستورات السيليكون، مما جعلها بسيطة وفعالة مثل الكتب المطبوعة وأرخص بكثير من ترانزستورات الجرمانيوم من حيث السعر.عملية فيرتشايلد لصنع ترانزستورات السيليكون هي عملية صعبة على النحو التالي.

أولاً، يتم رسم التخطيط يدويًا، وأحيانًا يكون كبيرًا جدًا لدرجة أنه يحتل جدارًا، ثم يتم تصوير الرسم وتحويله إلى ورقة شفافة صغيرة، غالبًا مع مسارين من ثلاث أوراق، يمثل كل منها طبقة من الدوائر.

ثانيًا، يتم تطبيق طبقة من المواد الحساسة للضوء على رقاقة السيليكون الناعمة المقطعة والمصقولة، ويتم استخدام الأشعة فوق البنفسجية/الليزر لحماية نمط الدائرة من ورقة نقل الإضاءة على رقاقة السيليكون.

ثالثًا، تترك المناطق والخطوط الموجودة في الجزء المظلم من ورقة النقل المضيء أنماطًا غير مكشوفة على رقاقة السيليكون؛يتم تنظيف هذه الأنماط غير المكشوفة بمحلول حمضي، وتضاف إما شوائب أشباه الموصلات (تقنية الانتشار) أو يتم طلاء الموصلات المعدنية.

رابعا، بتكرار الخطوات الثلاث أعلاه لكل رقاقة شفافة، يمكن الحصول على أعداد كبيرة من الترانزستورات على رقائق السيليكون، التي تقطعها العاملات تحت المجهر ثم يتم توصيلها بالأسلاك، ثم تعبئتها واختبارها وبيعها.

ومع توافر ترانزستورات السيليكون بكميات كبيرة، كان المؤسسون الثمانية المنشقون لشركة فيرتشايلد من بين الشركات التي يمكنها الوقوف إلى جانب عمالقة مثل شركة تكساس إنسترومنتس.

دفعة هامة - إنتل
لقد كان الاختراع اللاحق للدائرة المتكاملة هو الذي لخص هيمنة الجرمانيوم.في ذلك الوقت، كان هناك خطان للتكنولوجيا، أحدهما للدوائر المتكاملة على رقائق الجرمانيوم من شركة Texas Instruments والآخر للدوائر المتكاملة على رقائق السيليكون من شركة Fairchild.في البداية، كان هناك نزاع حاد بين الشركتين حول ملكية براءات الاختراع على الدوائر المتكاملة، ولكن في وقت لاحق اعترف مكتب براءات الاختراع بملكية براءات الاختراع على الدوائر المتكاملة من قبل الشركتين.
ومع ذلك، نظرًا لأن عملية فيرتشايلد كانت أكثر تقدمًا، فقد أصبحت المعيار القياسي للدوائر المتكاملة ولا يزال يتم استخدامها حتى اليوم.لاحقًا، ترك نويس، مخترع الدائرة المتكاملة، ومور، مخترع قانون مور، شركة Centron Semiconductor، وكلاهما، بالمناسبة، كانا عضوين في "الخونة الثمانية".وقاموا بالتعاون مع جروف بإنشاء ما يُعرف الآن بأكبر شركة لرقائق أشباه الموصلات في العالم، Intel.
مؤسسو شركة إنتل الثلاثة، من اليسار: جروف، ونويس، ومور

وفي التطورات اللاحقة، دفعت إنتل رقائق السيليكون.لقد تغلبت على عمالقة مثل تكساس إنسترومنتس، وموتورولا، وآي بي إم لتصبح ملكة قطاع تخزين أشباه الموصلات ووحدة المعالجة المركزية.

عندما أصبحت إنتل اللاعب المهيمن في الصناعة، انتهى السيليكون أيضًا من الجرمانيوم، وأُعيد تسمية ما كان وادي سانتا كلارا سابقًا إلى "وادي السيليكون".ومنذ ذلك الحين، أصبحت رقائق السيليكون معادلة لرقائق أشباه الموصلات في الإدراك العام.

ومع ذلك، يواجه الجرمانيوم بعض المشكلات الصعبة جدًا التي يصعب حلها، مثل العيوب العديدة في واجهة أشباه الموصلات، وضعف الاستقرار الحراري، ونقص الأكاسيد الكثيفة.علاوة على ذلك، يعد الجرمانيوم عنصرًا نادرًا، حيث يوجد 7 أجزاء فقط في المليون في القشرة الأرضية، كما أن خامات الجرمانيوم متناثرة جدًا.نظرًا لأن الجرمانيوم نادر جدًا وغير مركّز، فإن تكلفة المواد الخام للجرمانيوم تظل مرتفعة؛الأشياء نادرة، وارتفاع تكلفة المواد الخام يجعل ترانزستورات الجرمانيوم ليست أرخص، لذلك من الصعب إنتاج ترانزستورات الجرمانيوم على نطاق واسع.

ولذلك، قفز الباحثون إلى مستوى أعلى ونظروا إلى عنصر السيليكون.يمكنك القول أن كل نقاط الضعف المتأصلة في الجرمانيوم هي نقاط القوة المتأصلة في السيليكون.

يعد السيليكون ثاني أكثر العناصر وفرة بعد الأكسجين، لكن لا يمكنك العثور على مونومرات السيليكون في الطبيعة؛مركباته الأكثر شيوعا هي السيليكا والسيليكات.ومن بين هذه العناصر، يعد السيليكا بدوره أحد المكونات الرئيسية للرمل.بالإضافة إلى ذلك، تعتمد المركبات مثل الفلسبار والجرانيت والكوارتز على مركبات السيليكا والأكسجين.

السيليكون مستقر حرارياً، ويحتوي على أكسيد ثابت كثيف وعازل للكهرباء، ويمكن تحضيره بسهولة باستخدام واجهة أكسيد السيليكون مع عدد قليل جدًا من العيوب البينية.

أكسيد السيليكون غير قابل للذوبان في الماء (أكسيد الجرمانيوم قابل للذوبان في الماء) وغير قابل للذوبان في معظم الأحماض، وهو ببساطة تطابق مثالي لتقنية الطباعة بالتآكل المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة.منتج هذا المزيج هو عملية مستوية الدائرة المتكاملة التي تستمر حتى يومنا هذا.