EN
روابط سريعة
بدأت الإلكترونيات الحديثة حقًا عندما ابتكر هؤلاء الثلاثة في مختبرات بيل — ويليام شوكلي، وجون باردين، ووالتر براتين — الترانزستور ذو التلامس النقطي عام 1947. قبل ذلك، كان كل شيء يعتمد على أنابيب الفراغ الضخمة التي تستهلك كميات هائلة من الطاقة وكانت عرضة للتعطل. كانت الأجهزة شبه الموصلة الجديدة التي طوروها أصغر بكثير، وتستخدم طاقة كهربائية أقل بكثير، مما سمح بتقلص حجم الأجهزة بشكل كبير. وبعد بضع سنوات، في عام 1951، قدّم شوكلي نسخته التي أطلق عليها اسم الترانزستور الطرقي (junction transistor)، والتي تحسّن أداؤها مع الوقت، وجعلت تصنيع هذه المكونات عمليًا للاستخدام الواسع عبر الصناعات المختلفة. وهذا فعليًا فتح الباب أمام جميع أنواع الابتكارات الإلكترونية التي نعتبرها اليوم أمرًا مفروغًا منه.
الأولى ترانزستورات اعتمد على الجرمانيوم لأنه كان يعمل بشكل جيد نسبيًا كمادة شبه موصلة. لكن كانت هناك مشكلة عندما تجاوزت درجات الحرارة حوالي 75 درجة مئوية، مما جعلها غير موثوقة في معظم التطبيقات الصناعية. تغير الوضع تقريبًا في منتصف الستينيات عندما بدأت السيليكون في الاستحواذ على المكانة كمادة مفضلة. يمكن للسيليكون تحمل درجات حرارة أعلى بكثير، ويتسم بتسرب أقل للتيار، ويعمل بشكل أفضل مع عوازل الأكاسيد التي أصبحت قياسية في القطاع. ومع تحسن الأساليب الخاصة بنمو البلورات وإدخال الشوائب من خلال عمليات التغشية، بدأ المصنعون بإنتاج رقائق السيليكون بطريقة متسقة. وقد ثبت أن هذا التطور مهم جدًا لتصغير حجم أشباه الموصلات وزيادة قوتها تدريجيًا.
في عام 1958، قدّم جاك كيلبي من شركة Texas Instruments وروبرت نويس من شركة Fairchild Semiconductor اختراعًا مبتكرًا إلى حدٍ كبير: الدارة المتكاملة. هذا الإنجاز الصغير وضع جميع المكونات الإلكترونية المنفصلة على قطعة واحدة من السيليكون بدلًا من توزيعها على اللوحة. وبانتقالنا إلى منتصف السبعينيات، شهدنا انطلاق التكامل على نطاق واسع، حيث تم حشر عشرات الآلاف من الترانزستورات الصغيرة على كل رقاقة. وكان ذلك يتماشى تمامًا مع ما تنبأ به غوردون مور آنذاك حول كيف ستنمو قدرة الحواسيب لتتضاعف كل بضع سنوات. ومع مرور الوقت، عززت التحسينات في تقنيات مثل التصوير الضوئي (photolithography) والأساليب الأفضل لتصنيع الرقاقات المسطحة من دور السيليكون كملك للعالم الرقمي. وقد مكّنت هذه التطورات ليس فقط أجهزة الحواسيب اليومية، بل أيضًا أشياء مثل الهواتف الذكية، والخوادم التي تشغّل المواقع الإلكترونية، وحتى بعض مكونات مراكز البيانات الحديثة التي تحافظ على استمرارية عمل الإنترنت.
ينص قانون مور بشكل أساسي على أن عدد الترانزستورات في الشريحة يضاعف تقريبًا كل عامين، وقد كان هذا القانون يوجه تقدّم الحواسيب منذ أن قدّم غوردون مور تنبؤه الشهير في عام 1965. وبتحليل الأرقام، نلاحظ أن حجم الترانزستورات انخفض من حوالي 10 ميكرومترات في السبعينيات إلى أقل من 5 نانومترات حاليًا في عام 2023، مما عزّز فعليًا كلاً من السرعة والكفاءة في عمل هذه الشرائح. وكان هناك ما يُعرف بـ"تحجيم دينارد" الذي كان يحافظ على استقرار استهلاك الطاقة مع تصغير حجم الترانزستورات، لكن هذا بدأ في الانهيار حوالي عام 2004 بسبب مشكلات التسرب الكهربائي وصعوبات إدارة الحرارة. ووفقًا لتقرير حديث حول قابلية التصغير في صناعة أشباه الموصلات لعام 2024، فقد دفع كل هذا القطاع الصناعي إلى تغيير استراتيجيته نحو استخدام نوى متعددة بدلًا من الاعتماد فقط على تسريع النواة الواحدة، وبالتالي ركّز المصنعون أكثر على المعالجة المتوازية بدلًا من محاولة رفع ترددات الساعة.
عندما نصل إلى أبعاد دون 5 نانومتر، تصبح الأمور معقدة حقًا بسبب النفق الكمي والسعات التسريبية المزعجة. فبالفعل لم تعد الإلكترونات تتصرف كما هو متوقع، بل تميل إلى التسلل عبر حواجز البوابة من خلال تأثير النفق. وهذا يُنتج أنواعًا مختلفة من التيارات التسريبية التي يمكن أن تستهلك حوالي 30٪ من إجمالي الطاقة في الشريحة وفقًا لبحث بونيمون من العام الماضي. والأمر يزداد سوءًا عند النظر في تأثيرات القناة القصيرة التي تخل بالاستقرار الذي تحتفظ به جهد العتبة. حيث تزيد التباينات بنسبة حوالي 15٪ في هذه العقد الصغيرة جدًا كما أشارت دراسات IEEE في عام 2022. وتتراكم كل هذه المشكلات فوق بعضها البعض، ما يجعل إدارة كثافة الطاقة أمرًا بالغ الصعوبة. ونتيجة لذلك، اضطر المصنعون إلى الاستثمار بشكل كبير في أنظمة تبريد متطورة، وهي شيء يضيف عادةً ما بين 20٪ و40٪ من تكاليف التصنيع الإجمالية لهذه الشرائح المتطورة.
تستمر أعداد الترانزستورات في الزيادة، لكن الأساليب التقليدية للتصغير لم تعد تحظى بإعجاب كبير بين المطلعين. وفقًا لاستطلاع أجرته IEEE العام الماضي، يعتقد حوالي ثلثي مهندسي أشباه الموصلات أن قانون مور قد وصل إلى حائط سدٍّ بالفعل. ولا يتوقع سوى واحد من كل عشرة تقريبًا ظهور رقائق سيليكونية عملية بأبعاد أقل من 1 نانومتر في المستقبل القريب. وقد حولت معظم الشركات تركيزها نحو تكديس الرقائق ثلاثية الأبعاد ومزج مكونات مختلفة معًا بدلًا من محاولة تصغير كل شيء في قطعة واحدة. ومن خلال متابعة الاتجاهات الحديثة، يبدو أن العالم التكنولوجي أصبح أقل اهتمامًا بحجم الترانزستورات، وأكثر تركيزًا على مدى كفاءة عمل الأنظمة بأكملها معًا. ويمثل هذا تحولًا كبيرًا في طريقة التفكير حول ما يُعد تقدمًا حقيقيًا في تطوير أشباه الموصلات.
التحول من الترانزستورات المستوية المسطحة إلى هياكل FinFET ثلاثية الأبعاد كان بمثابة تغيير جذري في تحسين التحكم في الكهرباء. السر هنا يكمن في لفّ البوابة حول الزعنفة الصغيرة العمودية من السيليكون، مما يقلل من التسرب غير المرغوب فيه ويجعل من الممكن تصغير الأبعاد لما دون 22 نانومتر. ثم ظهرت ترانزستورات nanosheet التي طوّرت هذا المفهوم أكثر، حيث سمحت للمهندسين بتعديل عرض القنوات الموصلة حسب مستويات الجهد التي تحتاج إلى التعامل معها. ومن خلال ما توصلت إليه الصناعة، فإن هذه التصاميم ثلاثية الأبعاد تستمر في الأداء الجيد حتى عند الوصول إلى أبعاد أصغر من 3 نانومتر، وهو أمر لم يكن ممكناً باستخدام التصاميم المستوية القديمة عند الوصول إلى حوالي 28 نانومتر، حيث أصبحت مشكلات التسرب والاستهلاك الزائد للطاقة خارجة عن السيطرة تماماً.
يُعد تصميم الترانزستور من نوع جيت-أول-أراوند (GAA) تطوراً لتقنية FinFET، حيث يغلف القناة بالكامل بمواد البوابة من جميع الاتجاهات. ويتيح هذا التغطية الكاملة تحكماً أفضل بكثير في الخصائص الكهربائية ويقلل من التسريب غير المرغوب فيه بنسبة تقارب 40 بالمئة. علاوةً على ذلك، فإن هذه الأجهزة تنتقل بين الحالات بشكل أسرع وتعمل بكفاءة عند التصغير لما دون علامة 2 نانومتر. وفي الوقت نفسه، تأخذ هياكل الترانزستور ثنائي القطبية (CFET) الأمور خطوة أبعد من خلال ترتيب الترانزستورات من النوع n والنوع p فوق بعضها البعض بشكل رأسي. ويضاعف هذا الترتيب الذكي عدد مكونات المنطق التي يمكن تركيبها في نفس المساحة دون الحاجة إلى مزيد من المساحة على سطح الشريحة. وتُعالج كلا النهجين، GAA وCFET، بعض المشكلات الكبيرة التي تواجهها الشركات المصنعة عند محاولة إدارة التأثيرات الكهروستاتيكية وتحسين التخطيطات مع انخفاض أبعاد أشباه الموصلات إلى أبعاد ذرية.
تقترب شركات تصنيع أشباه الموصلات الرائدة من الانتقال إلى عمليات التصنيع دون 2 نانومتر، على الرغم من أننا قد نشهد دخول ترانزستورات تعمل بتقنية البوابة المحيطة (GAA) إلى الإنتاج الضخم في حوالي عام 2025 وفقًا للتقديرات الحالية. يركز معظم خارطات طريق القطاع الآن على تحسين الأداء مع استهلاك طاقة أقل بدلًا من مجرد ضغط عدد أكبر من الترانزستورات على الشرائح. وقد بدأت بعض المرافق التجريبية بتجريب تقنيات الربط الهجين لإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد وحيدة الكتلة المتطورة، مما يدل على أن الشركات تفكر بشكل أوسع في الطريقة التي تعمل بها الأنظمة بأكملها معًا. ويُبرز التوسع البطيء لهذه التقنيات السبب وراء استمرار تدفق كميات كبيرة من المال نحو معدات التصوير بالطباعة الحجرية المتطورة وأنظمة الترسيب المتقدمة. فبدون هذه الترقيات الباهظة، سيتوقف قطاع الصناعة بأكمله بسرعة كبيرة.
تتيح التكامل الثلاثي الأبعاد الأحادي للمصنّعين إنشاء عدة طبقات نشطة على ركيزة واحدة باستخدام تقنيات تصنيع تسلسلية. وعند دمجه مع تقنية CMOS المتراصة، يُمكّن هذا التكوين من دمج دوائر المنطق مباشرة بجانب مكونات الذاكرة. نحن نشهد الآن وضع ذاكرة SRAM مباشرة تحت النوى الحاسوبية. ومع ذلك، لا تزال المشكلات الحرارية بين الطبقات ونقل الإشارات من طبقة إلى أخرى تمثل تحديات. لكن التحسينات الحديثة في أساليب التصنيع ذات درجة الحرارة المنخفضة، إلى جانب تطور الفتحات العابرة للسيليكون (تلك الاتصالات الصغيرة التي تخترق رقائق السيليكون بشكل مباشر)، تشير إلى احتمال ظهور منتجات فعلية في السوق لأجهزة تسريع الذكاء الاصطناعي وأجهزة الحوسبة الطرفية حوالي عام 2026؟ يعتقد بعض الخبراء أن هذا النوع من التدرج المكاني قد يُبقي قانون مور حيًا لما يقارب عشر سنوات إضافية قبل أن نصل إلى حاجز آخر.
تشمل المواد التي تُعرف باسم ثنائي كبريتيدات المعادن الانتقالية، أو باختصار TMDs، مواد مثل ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) وسلينيد التングستن (WSe2). هذه المواد رقيقة جدًا على المستوى الذري وتسمح للإلكترونات بالتحرك من خلالها بسرعة كبيرة. وعند النظر إلى ميزات أشباه الموصلات الصغيرة جدًا، يمكن لتلك المواد تحقيق نسب تيار تشغيل/إيقاف تزيد عن 10 أس 8 عند العمل بجهد 0.7 فولت فقط. وهذا يمثل تحسنًا يبلغ حوالي 74 بالمئة مقارنة بما يمكن أن تحققه السليكون، وفقًا لبعض الأبحاث الحديثة الصادرة عن IMEC في عام 2023. إن طريقة تراص هذه المواد في طبقات تساعد على التحكم في ظواهر القناة القصيرة المزعجة حتى عندما تنخفض أبعاد الميزات إلى حوالي 5 نانومتر. وبسبب هذه الخاصية، يعتقد العديد من الباحثين أن ثنائي كبريتيدات المعادن الانتقالية قد تكون عناصر بناء مهمة للجيل القادم من الرقائق الحاسوبية والأجهزة المنطقية الأخرى في السنوات المقبلة.
على الرغم من إمكاناتها، فإن الاعتماد الواسع النطاق على أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد (TMDs) يواجهه صعوبات ناتجة عن كثافة العيوب أثناء الترسيب على نطاق الرقاقة. وقد نجحت النمذجة الانتقائية في تقليل حالات الفخاخ بنسبة 63٪، إلا أن الحد الأقصى للكثافة المسموح بها لا يزال أقل من 3٪ لتحقيق التصنيع بكميات كبيرة - وهي علامة لم تُحقق حتى الآن سوى في البيئات المعملية ( roadmap الخاص بالصناعات أشباه الموصلات 2024).
يمكن للترانزستورات المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية أن تُحرك الإلكترونات في خط مستقيم دون تشتت عندما تكون طولها حوالي 15 نانومترًا. وهذا يمنحها سرعات تبديل أسرع بنحو ثلاث مرات مقارنة بتقنية السيليكون التقليدية FinFET. ولكن هناك عقبة. لا يزال الباحثون يواجهون صعوبات في التحكم بالالتواء (الذي يحدد الخصائص الكهربائية) وفي تحقيق نتائج دoping متسقة، مما يجعل من الصعب إنتاج أجهزة موثوقة بشكل متكرر. يُعد الجرافين حالة أخرى مثيرة للاهتمام. فعلى الرغم من أنه يتمتع بموصلية رائعة، فإنه لا يمتلك فجوة نطاق طبيعية، ما يجعله غير مناسب للدوائر الرقمية القياسية. ومع ذلك، تجري بعض الأبحاث الواعدة باستخدام تركيبات من طبقات الجرافين والبورون النتريدي السداسي. قد تجد هذه الهياكل الهجينة استخدامات متخصصة في تطبيقات معينة يمكن الاستفادة فيها بفعالية من خصائصها الفريدة.
ركزت الجهود المبذولة لإدخال المواد ثنائية الأبعاد إلى التصنيع المنتظم حول أساليب الترسيب بطبقة ذرية التي تعمل بشكل جيد مع العوازل عالية النفاذية مثل HZO. تُظهر بيانات حديثة من مجموعة صناعية في عام 2024 أن معظم مرافق التصنيع تختبر بالفعل معدات خاصة بهذه المواد. حاليًا، نحو 8 من أصل 10 خطوط إنتاج لديها تركيبات أدوات معينة لمعالجة المواد ثنائية الأبعاد. لكن لا تزال هناك مشكلة في المرحلة النهائية من الإنتاج حيث يلزم إنشاء وصلات معدنية جديدة. تتمثل المشكلة في الحساسية للحرارة، إذ لا يمكن للكثير من العمليات تجاوز 400 درجة مئوية دون التسبب في تلف المكونات. ويفرض هذا القيد في درجة الحرارة على المهندسين إيجاد حلول إبداعية لتوصيل هذه المواد المتقدمة بشكل صحيح دون التأثير على الأداء.
من المتوقع أن يصل عدد أجهزة إنترنت الأشياء إلى حوالي 29 مليار جهاز بحلول عام 2030، مما يعني أن الترانزستورات تحتاج إلى استهلاك أقل من 1 ميكروأمبير في وضع الاستعداد للحفاظ على تشغيل الأجهزة بكفاءة. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن الدوائر الفوق عتبية (subthreshold circuits) مع ترانزستورات تأثير المجال النفقية (tunnel field effect transistors) التي سمعنا عنها مؤخرًا يمكنها تقليل تيارات التسرب بنسبة تقارب 60 بالمئة بالمقارنة مع تقنية MOSFET القياسية. ما المقصود بذلك في التطبيقات الواقعية؟ حسنًا، هذا يسمح لأنظمة المراقبة البيئية وبعض الأجهزة الطبية القابلة للزراعة بأن تعمل لسنوات بعد شحن واحد، مع الحفاظ على قدر كافٍ من القدرة الحاسوبية لأداء وظائفها بشكل صحيح. إن صناعة أشباه الموصلات تدفع قُدمًا بهذه الابتكارات لأنها تدرك مدى أهمية البطاريات طويلة الأمد في مجالات متعددة.
تُحقِّق أحدث ترانزستورات كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) كفاءة تبلغ حوالي 99.3٪ عند استخدامها في عواكس الطاقة الشمسية، مما يساعد على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 2.1 مليون طن سنويًا بشكل إجمالي. تشير الدراسات الحديثة الصادرة عن تقارير البنية التحتية للطاقة إلى أن هذه المكونات المتقدمة للتبديل قلّصت الفاقد الكهربائي بنسبة تقارب 40٪ في تطبيقات الشبكات الذكية مقارنةً بالأرقام المسجلة عام 2020. ويتجه المصنعون الآن أيضًا إلى تقنيات التغليف على مستوى الرقاقة. ولا يقلل هذا الأسلوب من الفاقد المقاوم المزعج فحسب، بل يعمل أيضًا بشكل جيد مع معدات التصنيع الحالية بحجم 300 مم دون الحاجة إلى إجراء تعديلات جذرية على مرافق الإنتاج.
تحقق الرقائق العصبية الشكلية التي تستخدم ترانزستورات تأثير المجال المغناطيسي (FeFETs) الكهربائية الحديدية (FeFETs) كفاءة طاقة أفضل بمقدار 1000 مرة لكل عملية تشابكية مقارنةً بوحدات معالجة الرسومات (GPUs)، مما يُمكّن من نشر الذكاء الاصطناعي بكفاءة على حافة الشبكة. تصل ترانزستورات الأغشية الرقيقة العضوية المرنة الآن إلى سرعات حركة تبلغ 20 سم²/فولت في الثانية، وتتحمل 500 دورة انحناء، مما يدعم أجهزة مراقبة صحية متينة وقابلة للغسل.
يوازن تصميم الترانزستور الحديث بين التيار في حالة التشغيل (ION) وسرعة التبديل والتكلفة والمتانة بناءً على احتياجات التطبيق. تعمل الترانزستورات المستخدمة في السيارات بشكل موثوق عند درجة حرارة 175°م، في حين تستوفي الأنواع المستخدمة في التطبيقات الطبية المتطلبات الصارمة المتعلقة بنسبة عطل لا تزيد عن 0.1% على مدى عمر افتراضي مدته 15 عامًا. ويضمن هذا النهج المخصص للتطبيق أن تتحول التطورات التكنولوجية إلى موثوقية وقيمة في العالم الواقعي.
ما هو الاختراق الكبير الذي حققه مختبرات بيل في عام 1947؟
في عام 1947، اخترع علماء مختبرات بيل الترانزستور ذو الاتصال النقطي. وقد سمح ذلك بتقلص حجم الأجهزة الإلكترونية بشكل كبير وزيادة كفاءتها بالمقارنة مع أنابيب الفراغ المستخدمة سابقًا.
لماذا أصبح السيليكون المادة المفضلة على الجرمانيوم في الترانزستورات؟
حلّ السيليكون محل الجرمانيوم كمادة شبه موصلة مفضلة في منتصف ستينيات القرن العشرين لأنه يستطيع تحمل درجات حرارة أعلى، ويتميز بتسرب أقل، ويعمل بشكل أفضل مع عوازل الأكسيد.
ما هو قانون مور وما أهميته؟
تنبأ قانون مور بأن عدد الترانزستورات على الشريحة سيتضاعف تقريبًا كل عامين، مما يدفع تقدم القوة الحاسوبية والكفاءة.
ما هي تقنيات FinFET وGAA؟
تُعد FinFET وGate-All-Around (GAA) معماريات ترانزستور متقدمة توفر تحكمًا كهربائيًا أفضل وتقلل من التسرب، ما يجعلها مناسبة للأحجام الأصغر للشرائح.
ما هي المواد ثنائية الأبعاد وما دورها في تكنولوجيا الترانزستور؟
تحتوي المواد ثنائية الأبعاد، مثل كبريتيدات الفلزات الانتقالية (TMDs)، على طبقات ذرية رقيقة تسمح بحركة أفضل للإلكترونات، مما يوفر مزايا محتملة من حيث الكفاءة مقارنة بالطبقات التقليدية من السيليكون في أشباه الموصلات المستقبلية.
كيف تسهم ابتكارات الترانزستور في الكفاءة الطاقوية؟
تساهم ابتكارات الترانزستور، بما في ذلك التصاميم منخفضة الطاقة للغاية والمواد الفعّالة من حيث استهلاك الطاقة، في الحد بشكل كبير من استهلاك الطاقة في أجهزة إنترنت الأشياء، والتكنولوجيا الشمسية، والشبكات الذكية.