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

دوپینگ سیلیکون با فسفر (نوع n)

فسفر با پنج الکترون در لایه بیرونی، پس از قرارگیری در شبکه کریستالی سیلیکون، یک الکترون آزاد ایجاد می‌کند که به هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کند. سیلیکون دوپ شده با فسفر، نیمه‌رسانای نوع n نامیده می‌شود.

دوپینگ سیلیکون با بور (نوع p)

بور با سه الکترون در لایه بیرونی، پس از قرارگیری در شبکه کریستالی سیلیکون، یک حفره (جای خالی الکترون) ایجاد می‌کند که به هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کند. سیلیکون دوپ شده با بور، نیمه‌رسانای نوع p نامیده می‌شود.

ترانزیستورها؛ واحدهای کنترل جریان

ترانزیستورها بی‌شک یکی از شگفت‌انگیزترین اختراعات دنیای الکترونیک هستند. این قطعات الکترونیکی، بر پایه لایه‌های رسانای p و n ساخته می‌شوند و وظیفه کنترل جریان و ولتاژ الکتریکی را بر عهده دارند. در ادامه، ساختار ترانزیستورها و مراحل ساخت تراشه را بررسی خواهیم کرد.

برای درک عملکرد ترانزیستور، ابتدا به سراغ قطعه‌‌ی ساده‌تری می‌رویم که حکم پله‌ی اول را برای آن دارد: دیود. دیودها، این اجزای به ظاهر ساده، نقش کلیدی در یکسوسازی جریان، حفاظت از مدار و بسیاری کاربردهای دیگر ایفا می‌کنند. اما راز عملکرد آن‌ها در چیست؟

تولد یک دیود؛ پیوند P و N

تصور کنید تکه‌ای سیلیکون را برداریم و بخش‌هایی از آن را با مواد خاصی به نام ناخالصی آغشته کنیم. اگر قسمتی از سیلیکون را با عنصر بور دوپ کنیم، ناحیه‌ای به نام نوع P یا مثبت ایجاد می‌شود که در آن حفره‌ها، جاهای خالی الکترون، حامل‌های بار اصلی هستند. در مقابل، اگر بخش دیگری را با فسفر دوپ کنیم، ناحیه‌ی نوع N یا منفی شکل می‌گیرد که در آن الکترون‌ها حامل‌های بار اصلی به شمار می‌روند.

حال، اگر این دو ناحیه‌ی P و N را به هم متصل کنیم، درست در محل اتصال، پدیده‌ای جالب رخ می‌دهد: تشکیل ناحیه‌ی تخلیه (Depletion layer).

در ناحیه‌ی N، الکترون‌ها تمایل دارند به سمت ناحیه‌ی P که مملو از حفره است، حرکت کنند. این مهاجرت باعث می‌شود ناحیه‌ی P کمی منفی و ناحیه‌ی N کمی مثبت شود. این جابجایی بار، یک میدان الکتریکی در ناحیه‌ی تخلیه ایجاد می‌کند که درست مانند یک سد عمل کرده و از حرکت بیشتر الکترون‌ها از N به P جلوگیری می‌کند. به این سد، سد پتانسیل دیود نیز گفته می‌شود.

حالا دیود خود را به یک منبع تغذیه، مثلاً یک باتری، متصل می‌کنیم. قطب مثبت باتری را به ناحیه‌ی N و قطب منفی را به ناحیه‌ی P دیود وصل می‌کنیم، حالتی که به آن بایاس معکوس گفته می‌شود. در این حالت، باتری الکترون‌ها و حفره‌ها را به سمت خود جذب می‌کند و ناحیه‌ی تخلیه بزرگتر می‌شود. در نتیجه، سد پتانسیل قوی‌تر شده و عملاً هیچ جریانی از دیود عبور نمی‌کند.

اما اگر جای قطب‌های باتری را عوض کنیم، یعنی قطب منفی را به ناحیه‌ی N و قطب مثبت را به ناحیه‌ی P متصل کنیم، شرایط کاملاً تغییر می‌کند. این حالت، بایاس مستقیم نام دارد.

در بایاس مستقیم، قطب منفی باتری، الکترون‌ها را از ناحیه‌ی N دفع کرده و به سمت ناحیه‌ی تخلیه می‌راند. اگر ولتاژ باتری به اندازه‌ی کافی زیاد باشد که بتواند بر سد پتانسیل غلبه کند، الکترون‌ها با انرژی کافی از این سد عبور می‌کنند. به محض عبور از سد، انرژی الکترون‌ها تخلیه شده و به راحتی وارد حفره‌های ناحیه‌ی P می‌شوند.

اما داستان به اینجا ختم نمی‌شود. قطب مثبت باتری، الکترون‌ها را از ناحیه‌ی P جذب می‌کند. این کشش باعث می‌شود الکترون‌ها از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر در ناحیه‌ی P جهش کرده و در نهایت به قطب مثبت باتری برسند. این حرکت پیوسته‌ی الکترون‌ها، جریان الکتریکی را در مدار خارجی برقرار می‌کند.

نکته‌ی مهم در دیودها این است که لایه‌ی P معمولاً بسیار نازک بوده و مقدار ماده‌ی خارجی دوپ شده در آن بسیار کم است. این ویژگی به عملکرد خاص دیود کمک می‌کند.

حالا به سراغ سوال اصلی برمی‌گردیم: ترانزیستور چه ارتباطی با دیود دارد؟ در نگاه ساده، می‌توان گفت ترانزیستور چیزی نیست جز دو دیود که پشت به پشت به هم متصل شده‌اند. به همین دلیل، هر طور که منبع تغذیه را به یک ترانزیستور ساده وصل کنید، همیشه یکی از این دیودها در حالت بایاس معکوس قرار می‌گیرد. بایاس معکوس، همانطور که دیدیم، مسیر جریان الکتریکی را مسدود می‌کند.

پیش‌تر گفتیم که ترانزیستور را می‌توان به صورت دو دیود پشت به پشت در نظر گرفت. همچنین گفتیم که با یک منبع تغذیه، همواره یکی از این دیودها در بایاس معکوس قرار می‌گیرد و جریان را مسدود می‌کند. اما چه می‌شود اگر یک منبع تغذیه‌ی دوم به مدار اضافه کنیم؟

تصور کنید منبع تغذیه‌ی دوم را به گونه‌ای به ترانزیستور وصل کرده‌ایم که ولتاژ کافی برای غلبه بر سد پتانسیل یکی از دیودها را داشته باشد. در این حالت، عملاً با یک دیود در حالت بایاس مستقیم روبرو هستیم.

وقتی منبع تغذیه‌ی دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می‌شود، اتفاق جالبی رخ می‌دهد. تعداد زیادی الکترون در ناحیه‌ی N آزاد می‌شوند. همانند دیود، بخشی از این الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه‌ی P ترکیب می‌شوند و از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر می‌پرند تا به پایه (Base) برسند. این حرکت، یک جریان کوچک در پایه‌ی ترانزیستور ایجاد می‌کند.

وقتی منبع تغذیه‌ی دوم با ولتاژ کافی به مدار اضافه می‌شود، اتفاق جالبی رخ می‌دهد. تعداد زیادی الکترون در ناحیه‌ی N (که در اینجا به آن امیتر یا E می‌گوییم) آزاد می‌شوند. همانند دیود، بخشی از این الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه‌ی P (که به آن پایه یا بیس – B می‌گوییم) ترکیب می‌شوند و از حفره‌ای به حفره‌ی دیگر می‌پرند تا به پایه برسند. این حرکت، یک جریان کوچک در پایه‌ی ترانزیستور ایجاد می‌کند.

اما همه‌ی الکترون‌های آزادشده وارد پایه نمی‌شوند. به دلیل نازک بودن ناحیه‌ی P (پایه)، اکثر الکترون‌ها از آن عبور می‌کنند و به ناحیه‌ی N دیگر (که به آن کلکتور – C می‌گوییم) می‌رسند. اگر به نام‌گذاری پایه‌های ترانزیستور دقت کنید، متوجه می‌شوید که این نام‌ها دقیقاً با جریان الکترون‌ها همخوانی دارند:

ازآنجاکه ناحیه‌ی p بسیار باریک است، تقریباً هیچ الکترونی به سمت قطب مثبت منبع تغذیه‌ی دوم نمی‌رود. بنابراین، جریان کوچک در پایه (Base) تقویت و به جریان بزرگ در کلکتور (Collector) تبدیل می‌شود. اگر به نام‌گذاری پایه‌های ترانزیستور دقت کنید، متوجه می‌شوید که این نام‌ها دقیقاً با جریان الکترون‌ها همخوانی دارند:

• بیس (پایه – B): جریان کمی دریافت می‌کند (جریان ورودی کنترلی).
• امیتر (E): به زمین متصل است (منبع الکترون‌ها).
• کلکتور (C): جریان بزرگ را جمع‌آوری می‌کند و به بار (مثلاً یک لامپ، یک مدار دیگر و غیره) منتقل می‌کند.

تا اینجا فهمیدیم که چرا برای ساخت ترانزیستور از لایه‌های رسانای P و N استفاده می‌کنیم. اما ساختار ترانزیستور از این هم پیچیده‌تر است. علاوه‌بر این دو لایه، یک لایه‌ی اضافی از سیلیکون اکسید به عنوان عایق نیز در ساختار ترانزیستورها وجود دارد. روی این لایه‌ی عایق، یک لایه‌ی نازک از پلی‌سیلیکون رسانا قرار می‌گیرد که جریان الکتریکی را هدایت می‌کند و نقش مهمی در عملکرد دقیق‌تر ترانزیستور ایفا می‌کند.

شاید بپرسید این لایه‌های پیچیده و ظریف که اساس کار تراشه‌ها هستند، چگونه روی ویفرهای سیلیکونی ایجاد می‌شوند؟ برای پاسخ به این سوال، باید قدم به دنیای شگفت‌انگیز و پیچیده فرایند طراحی تراشه بگذاریم. سفری که با طراحی دقیق مدارها آغاز می‌شود و در نهایت به تولید تراشه‌هایی ختم می‌گردد که زندگی روزمره ما را متحول کرده‌اند.

نقشه‌کشی برای دنیای الکترونیک؛ آغاز طراحی مدارها

تصور کنید می‌خواهید یک شهر بزرگ بسازید. قبل از هر چیز، به یک نقشه‌ی دقیق نیاز دارید تا خیابان‌ها، ساختمان‌ها، لوله‌کشی‌ها و سایر زیرساخت‌ها را به درستی جانمایی کنید. در دنیای تراشه‌ها نیز، اولین قدم، طراحی و چیدمان مدارها است. مهندسان در این مرحله، دقیقاً مانند شهرسازان، نقشه‌ی مدارهای الکترونیکی را با جزئیات کامل روی تراشه ترسیم می‌کنند.

نکته‌ی حیرت‌انگیز در مورد تراشه‌ها، تراکم بی‌نظیر قطعات در آن‌هاست. تصور کنید میلیاردها ترانزیستور و اجزای الکترونیکی پیچیده، روی سطحی به اندازه‌ی تنها چند میلی‌متر مربع جای گرفته‌اند! این حجم باورنکردنی از قطعات، نیازمند طراحی بسیار دقیق و مهندسی‌شده‌ای است تا تمام اجزا به درستی با یکدیگر کار کنند و تراشه عملکرد مورد انتظار را ارائه می‌دهد.

در نخستین گام، مهندسان، عملکرد تراشه را مشخص می‌کنند: آیا این تراشه برای پردازش داده در یک گوشی هوشمند طراحی شده یا وظیفه‌ی آن ذخیره‌سازی اطلاعات در یک حافظه‌ی SSD است؟ هر تراشه کاربرد خاصی دارد و این مرحله، پایه‌ی اصلی طراحی آن محسوب می‌شود.

درادامه، با شبیه‌سازی‌های پیشرفته، ویژگی‌های فنی و فیزیکی تراشه مورد بررسی قرار می‌گیرد. مهندسان با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی، اتصالات میلیاردها ترانزیستور را مشخص و عملکرد نهایی تراشه را آزمایش می‌کنند. برای این کار، از ابزارهای طراحی ویژه برای ترسیم نقشه‌ی دقیق مدارات مجتمع (ICs) استفاده می‌شود.

معماری سه‌بعدی، یکی از جالب‌ترین بخش‌های طراحی تراشه است. برخلاف تصور رایج، تراشه‌ها فقط یک لایه‌ی نازک از مدارها نیستند؛ بلکه از چندین لایه‌ی روی هم قرار گرفته، ساخته شده‌اند. در این معماری، هر لایه نقش خاصی دارد؛ برخی از آن‌ها مسیرهای جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند، برخی دیگر عایق الکتریکی هستند و برخی هم به‌عنوان محل ذخیره و پردازش داده‌ها عمل می‌کنند.

یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی تراشه، بهینه‌سازی مصرف انرژی است. طراحی تراشه باید به‌گونه‌ای باشد که با کمترین مصرف انرژی، بیشترین عملکرد را ارائه دهد. این موضوع در گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا هرچه تراشه کم‌مصرف‌تر باشد، باتری دستگاه، مدت بیشتری دوام می‌آورد.

فوتوماسک؛ شابلون‌های نوری برای ساخت تراشه‌ها

پس از طراحی مدارها، نقشه‌ی رسم شده به فوتوماسک‌ها (Photomasks) منتقل می‌شود. فوتوماسک، صفحه‌‌ای مربعی از جنس سیلیس ذوب‌شده (کوارتز خالص) با اندازه‌ا‌ی در حدود ۱۵۲ میلی‌متر است. این صفحه، الگوهایی دارد که یا کدر هستند و نور را مسدود می‌کنند، یا شفاف هستند و نور را عبور می‌دهند و یا تغییر‌دهنده‌ی فاز نور هستند و سبب تغییر مسیر یا ویژگی‌های نور می‌شوند. در فرآیند لیتوگرافی، این الگو روی ویفر سیلیکونی تابیده می‌شود تا شکل دقیق مدارهای الکترونیکی را ایجاد کند.