سرشت علم(۲۵): نیمه رسانا‌ها و فنون میکروالکترونیک مدرن

چهارشنبه, ۹ام آبان, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی بیست و پنجم:

هر مَدارِ الکتریکی‌ نیاز به موادی رسانا برایِ جَریانِ کارآی برق[۱] و به مَوادی نارسانا برای جلوگیری از جریانِ الکترون‌ ها دارد.[۲] اما اگر مواد به همین‌ ها محدود بودند دُنیای الکترونیکی ما بسیار مَحدود می ‌ماند[۳]. شگفتی‌ های عصرِ ابزار‌های الکترونیکی مانندِ کامپیوتر، موبایل و بسیاری دیگر بدون موادِ نیمه ­رسانا عملی‌ نبودند[۴].

نیمه ­رسانا­ها موادِ بسیار ظریف و پیچیده­ ای برای رسانش یا هدایتِ جریان برق هستند اما نه آنچنان خوب و کارآ[۵].

  • بیشتر نیمه ­رسانا‌هایِ مدرن با کریستالِ عنصرِ سیلیکن  شروع می‌‌ شوند[۶]. هر اتم (از نظرِ الکتریکی‌) خنثیِ سیلیکن در مدارِ بیرونی خود ۱۴ الکترون دارد که آن را نیمه­ پر می‌‌ کند. در کریستالِ سیلیکن هر اتمی‌ ۴ الکترون را با اتمِ مجاورِ خود شریک می‌‌ شود تا به عدد جادویی ۱۸ برای کامل­ کردنِ مدارِ بیرونی خود برسد. سیلیکن ماده­ ی رسانای خوبی‌ نیست زیرا که الکترون‌ ها در چنین چیدمانی به ثبات رسیده­ اند.
  • اگر چند اتمِ فسفر (عنصرِ شماره­ی ۱۵) جایگزینِ اتم‌ های سیلیکن شوند خواص  سیلیکن تغییر می‌‌ کند. هر اتمِ خنثیِ فسفر ۵ الکترون در مدارِ بیرونی خود دارد و نتیجتاً پس از شریک­ شدنِ ۴ الکترون با اتم‌ های سیلیکن مجاورِ خود یک الکترون اضافه دارد. آن الکترونِ اضافه مانندِ الکترون ‌های درونِ فلزات غیرِمحلی[۷] می ­شود. با افزودنِ تقریبا یک اتمِ فسفر به یک میلیون اتمِ سیلیکن تعدادِ کنترل ­شده ­ای از الکترون‌ های با بارِ منفی‌ در دسترس هستند و اساس ساختِ نیمه ­رسانا‌هایِ نوعِ منفی[۸]  ‌ همین اصل است.

همین اصل با جایگزینی تعدادی اتم‌ های آلومینیوم (عنصر شماره­ی ۱۳) با اتم‌ هایِ سیلیکن موردِ استفاده قرار می‌‌ گیرد.

  • آلومینیوم در مدار بیرونی خود ۳ الکترون برای شریک ­شدن با اتم‌ های مجاورِ سیلیکن دارد که برای ایجادِ ثبات کافی‌ نیستند. با افزودن تعدادِ کنترل­ شده ­ای از اتم‌ هایِ آلومینیوم به کریستال‌های سیلیکن نیمه ­رسانا‌های نوعِ مثبت[۹] ساخته می‌‌ شوند.

نیمه­ رسانا‌های نوعِ مثبت و نیمه­ رسانا‌های  نوعِ منفی از منظرِ موادِ دیگر بسیار شگفت ­انگیز هستند[۱۰].

بر خلافِ بیشتر فلزات و نارساناها، نیمه­ رسانا‌های نوعِ مثبت و نیمه ­رسانا‌های  نوعِ منفی اتم به اتم طراحی و مهندسی‌ می­ شوند[۱۱].

با استفاده از ابزار‌هایی‌ فرا یا ماورایِ پاکیزه در خلأ محفظه­ ی ماشینی بسیار دقیق[۱۲]، اتم‌ ها به شکل غباری بر صفحه­ ای مسطح رسوب ­داده و جاسازی می ­شوند[۱۳].

یک نیمه ­رسانای نوعِ مثبت یا نوعِ منفی‌ بخودی خود چندان اهمیتی ندارد . وقتی‌ که دو نوع یا بیشتر نیمه­ رسانا‌ها را با هم طراحی می‌‌ کنند، دیود‌ها[۱۴]( یا برق- دوراهه­ ها) ساخته می ­شوند که صنعتِ الکترونیک بدون آنها به چنین مقامی هرگز نمی ‌‌رسید.

  • دیود ابزاری است که یک نیمه ­رسانایِ مثبت را به یک نیمه ­رسانایِ منفی‌ وصل کرده است و در دو سر آن دو سیمِ برق قرار دارد.
  • هنگامیکه برق از طرفِ منفی‌ وارد می ­شود به طرف مثبت دیود بحرکت می‌‌ افتد اما اگر از طرفِ مثبت وارد شود به طرف منفی‌ دیود وارد نمی‌ شود. نتیجتاً دیود ابزارِ یکطرفه­ ی جریان برق است.
  • در هر وسیله ­ی الکترونیکی نخستین چیزی که برق با آن برخورد می‌کند، دیود است.
  • در هر وسیله ­ی الکترونیکی دومین چیزی که برق با آن برخورد می‌کند، خازِن است که برقِ متناوب را به جریانِ برق مستقیم تبدیل می ‌‌کند و خود چون باطریِ ذخیره عمل می‌‌ کند.

نیمه ­رسانا­ها اما به این دو نوع محدود نمی ­شوند.[۱۵]

  • ترانزیستورها[۱۶]  ابزار‌هایِ سه ­لایه­ ای هستند که مواد نیمه ­رسانا را به شکل مثبت – منفی‌ – مثبت و یا منفی‌ – مثبت – منفی‌ در خود دارند[۱۷] . ترانزیستور‌ها به عنوان مدار‌هایِ برنامه­ پذیرِ سویه ­دهنده[۱۸]  در ابزار‌هایِ الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌‌ گیرند.
  • اختراعِ ترانزیستور‌ها شروعِ انقلابِ الکترونیکی در صنایع بود.
  • در قلبِ صنایعِ مدرن میکروچیپ­ ها یا مدار‌های درهم ­شده­ ی الکتریکی‌ هستند[۱۹] . میکروچیپ‌ ها ابزار‌هایِ نیمه ­رسانا­یی هستند که می ‌‌توانند هزاران ترانزیستور را در خود جای دهند[۲۰].

برای نمونه کامپیوتر ماشینی است که تواناییِ‌ سازمان ­دهی‌ به اطلاعات را دارد. هیچ کامپیوتری بدون آن مدار‌های درهم ­شده عملی‌ نبود.

  • در هر کامپیوتر اطلاعات به اعداد دوگان[۲۱]  (عدد ۱ و صفر) تبدیل می­ شود. این اعداد دو حالت بیشتر ندارند، یا روشن اند (on) (۱) و یا خاموش (off) (۰).
  • همه­ ی حروفِ الفبا و نقطه­ گذاری و ادات دیگر در ردیف‌ های پنج­ تایی‌ اعدادِ دوگان تفسیر شده­ اند و بوسیله­ ی کد‌های دوگان[۲۲]  درونِ کامپیوتر ضبط و پروسه می ‌‌شوند.
  • حتی تصاویر هم می ­توانند دیجیتیزه  (دوگان) شوند و بصورتِ ردیفی‌ از کد‌ها  به شکل عناصرِ تصویری  نشان داده شوند[۲۳].
  • کامپیوتر‌ها برای نگهداری و محاسبه ( یا پروسه) کردن اطلاعاتِ عددی طراحی شده­ اند. هر کامپیوتری بیشترِ حافظه­ ی خود را بر ابزار‌هایِ انباشتیِ مغناطیسی [۲۴]‌ ذخیره می‌ کند. این وسایل اغلب سویه­ ی قطبِ شمالی ‌ دارند و یا در مسیر شمال – پایین و یا در شمال – بالا  اطلاعات را  ذخیره می­ کنند[۲۵].
  • در قلبِ هر کامپیوتری واحدِ مرکزی پروسه ­ای[۲۶]  قرار دارد که مجموعه ­ای پیچیده از مدار‌های درهم­ شده  است که همگی‌ نیمه ­رسانا‌هایِ سیلیکن ­پایه[۲۷]  هستند.

گذار به مدرنیته بدون انقلابی الکترونیکی که متکی‌ بر عملکردِ نیمه­ رسانا‌ها در میکروچیپ‌ ها در همه­ ی ابزار‌هایِ نوین است میسّر نمی­ بود.

_________

[۱]

Rizk, Farouk, A. M. and Trinh, Giao, N. High Voltage Engineering. CRC Press, 2017.

[۲]

Amdahl, K. There Are No Electrons. Arvada, CO: Clearwater, 1991.

[۳]

Shea, C. O. Conductors and Insulators. Gareth Stevens Publishing Learning Library, 2013.

[۴]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۵]

Fuller, Thomas, F. and Harb, John, N. Electrochemical Engineering. Wiley, 2018.

[۶]

Schroder, Dieter, K. Semiconductor Material and Device Characterization. Wiley, IEEE Press, 2015.

[۷]

delocalized

[۸]

n-type semiconductors

[۹]

p-type semiconductors

[۱۰]

Grundmann, Marius. The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Nanophysics and Applications. Springer, 2016.

[۱۱]

Fulay, Pradeep, and Lee, Jung-Kun. Electronic, Magnetic, and Optical Materials. CRC Press, 2016.

[۱۲]

Ultra clean instruments in vacuum chambers

[۱۳]

vaporized and deposited

[۱۴]

diodes

[۱۵]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 10. New York: Wiley, 1997.

[۱۶]

Transistors having n-p-n or p-n-p semi-conductors

[۱۷]

Lidow, Alex, and Strydom, Johan, and De Rooij, Michael, and Reusch, David. GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Wiley, 2014.

[۱۸]

programmable logic controllers – PLC

[۱۹]

Microchips as integrated circuits

[۲۰]

Brotherton, S. D. Introduction to Thin Film Transistors: Physics and Technology of TFTs. Springer, 2013.

[۲۱]

binary numbers

[۲۲]

binary codes

[۲۳]

Digitized as a sequence of binary codes in the shape of PIXELS or picture elements

[۲۴]

magnetic storage devices

[۲۵]

north pole directions, storing information either north down or north up

[۲۶]

central processing unit – CPU

[۲۷]

silicon-based semiconductors

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

بخش ۱۵ این نوشته

بخش ۱۶ این نوشته

بخش ۱۷ این نوشته

بخش ۱۸ این نوشته

بخش ۱۹ این نوشته 

بخش ۲۰ این نوشته 

بخش ۲۱ این نوشته 

بخش ۲۲ این نوشته

بخش ۲۳ این نوشته

بخش ۲۴ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.