كيف تصنع الدوائر المتكاملة؟
منذ أيام الصمامات الإلكترونية و الجهود متواصلة للتصغير وتقليل الحجم والوزن و محاولة استخدام جهد تشغيل أقل مما أدى لإنتاج صمامات فى قطر القلم الرصاص و لكن كان على وشك الولادة طفل صغير يعمل بنظرية تحويل المقاومة أى Transfer Resistor و اختصر اسمه إلى الترانزيستور – كان أصغر جدا ويعمل على جهود أقل
كان الهدف طبعا العمل على ترددات أعلى و التسليح و توجيه الصواريخ و استخدام الأجهزة المحمولة على الطائرات وفى الصواريخ
و كان من ضمن هذه الجهود ما كان يسمى الدوائر المتكاملة وهى تجميع المقاومات والمكثفات اللازمة للتشغيل فى عبوة صغيرة مغمورة بالإبوكسى (مادة غير قابلة للفك أو الصهر أو الإذابة و مقاومة للحرارة أكثر من الدوائر التى بداخلها) لتحسين الأداء و عدم توضيح أسرار الدوائر الخ وكانت فعالة
كانت تشمل المقاومات و الملفات و المكثفات الصغيرة لأن الكبيرة قليلا ما تضاف حتى لا يكون الحجم ضخما.
مع دخول الترانزيستور وكانت من الجيرمانيوم دخلت الثنائيات أيضا و أمكن تصغير حجم المكثفات لانخفاض الجهود المستخدمة و تحسن التكنولوجيا باكتشاف البلاستيك و الراتنجات كمواد عازلة.
بالطبع عند استخدام السيليكون والذى تخلص من عيوب الجيرمانيوم الأساسية فى حساسيته المفرطة لتغير الحرارة و قله اعتماديته Reliability أصبح من الممكن شموله فى الدوائر المتكاملة و هنا نرى التسمية من كون الدائرة الناتجة متكاملة جاهزة للأداء.
بعد ذلك أدت الأبحاث لإنتاج الترانزيستور السيليكون بصورة أقل كلفة للتغيير الكلى فى شكل إنتاجه - فبعد أن كان بلورة رأسية من ثلاث طبقات تحول لبلورة أفقية من ثلاث طبقات كثلاث علب داخل بعضها
أدى هذا الأسلوب لطفرة كبيرة فى صناعة الترانزيستور فأمكن لأول مرة عمل قرص من السيليكون النقى الرقيق و استخدام أسلوب التصوير الضوئى – كما فى صناعة البوردات - لتخليق مئات ثم آلاف من الوحدات على نفس الشريحة بعملية صناعية واحدة تستخدم الغازات الساخنة "لتشريب" السيليكون بالشوائب السالبة ثم الموجبة ثم السالبة أو العكس ثم تقطيع الترانزستورات و تعبئة كل واحد سليم فى صورته النهائية أما ما به عيب فى الصناعة يترك - كما أمكن اختباره قبل القص والتقطيع
ثم نشأت الفكرة لماذا نقطع الترانزستورات – بل نتركها و نجمع عليها باقى الدوائر – حسنا لا بأس ولكن هذا الحل مكلف
إذن لماذا لا نستخدم خامة السيليكون ذاتها لتكوين المقاومات المطلوبة – حل لا بأس به ولكن السيليكون النقى المستخدم أغلى بكثير من الكربون الذى تصنع منه المقاومات و الأهم من ذلك أن السيليكون لا تستطيع أن تنتج منه مقاومات ذات قيم دقيقة مما يجعل الدوائر قليلة الإعتماديه Reliability
الحل ؟
ما هى المشكلة لنقترح الحل!
المشكلة أن تحديد نسبة الشوائب التى تغير السيليكون من خام إلى "س أو م P Type or N Type" ما كانت يوما ما دقيقة و قيمة التوصيل (تحوله إلى مادة اكثر توصيلا) لا يمكن التوقع بنتائجها بدقة فالترانزيستور يعتمد على الخلاف بين الشوائب و النسب بينها أكثر بكثير من القيمة المطلقة لأى منها على عكس قيمة المقاومة الأومية تعتمد أساسا على القيمة المطلقة لهذه الشوائب! فضلا عن أن التكرارية لن تحقق القيم ذاتها – هناك دوما تفاوت!! والأسوأ ، تغير درجة الحرارة له علاقة كبيرة مع قيمة المقاومة!!!
حسنا – الأمور ليست بهذا السوء
لو أعدنا النظر لدوائر الترانزيستور سنجد شيئا هاما جدا – لا يهم قيمة المقاومات التى تحدد جهد القاعدة مثلا، طالما الجهد عليها ثابتا فلو استخدمنا مجزئ جهد 10ك إلى 100ك لن يؤثر على الأداء كونه 12ك إلى 120ك أو 14ك إلى 140ك المهم أن تظل النسبة واحد إلى عشرة و أيضا لا تتغير إلى النصف أو الضعف
كما أن الكسب نسبة بين مقاومة المجمع إلى مقاومة الباعث
وهذا هو الحل - فقيمة المقاومة المصنعة من نفس خامة قرص السيليكون تعتمد على شكلها لأن العمق ثابت ورقيق جدا ، أى لو ثبتنا العرض يكون الطول دالة فى القيمة – كلما زاد الطول زادت المقاومة بنفس النسبة و على أى الأحوال القيمة تحولت إلى مساحة وهى يمكن تصنيعها بدقة عالية – وبذلك أصبح من الممكن أن نصنع مقاومتان نسبتهما إلى بعضهما دقيقة إلى 1% لكن قيمة كل منها قد تتغير 20% أو أكثر قليلا
أول مشكله قد حلت والآن ماذا عن التكلفة؟
حقا إنها عائق لا بأس به فالمقاومة التى تصل 100ك يمكن عمل بذات السيليكون المستخدم فيها الكثير من الترانزستورات – ما الحل؟
الحلقة قبل الماضية تحدثنا عن الترانزيستور كمصدر تيار ثابت و كيف باستخدام مقاومة أصغر مع ثنائى يمكننا الحصول على مقاومة كبيرة و فعلا تكلفة هذه الدائرة أقل بكثير من إهدار كمية السيليكون للحصول على المقاومة المكافئة – وجب هنا أن نغير نمط النظر للكلفة، فكلفة عمل ترانزيستور واحد هى كلفة عمل عشرة آلاف هى كلفة تصنيع هذا القرص الواحد من السيليكون بكاملة حيث يخضع كله لذات العمليات مرة واحدة.
فإن استفدنا من السيليكون كمساحة لتصنيع دوائر أكثر أصبح العائد أكبر فالثمن هنا للسيليكون وليس ما تشكل عليه و لو استطعت أن تكسر دائرة متكاملة لفحص ما بداخلها مثل 741 ستجد مساحة السيليكون بالكاد ملليمتر مربع واحد و للقطعة 747 المحتوية أربع دوائر تجدها أكبر قليلا وثمنها مقارب للأولى والسبب أن استهلاك السيليكون لتخليق أطراف توصيل يكاد يكون أكبر من المكبر ذاته فى القطع الصغيرة مثل المكبرات.
المكثفات ؟ هى حقا مشكله سنتحدث عنها المرة القادمة إن شاء الله أما الملفات فمما سبق نرى أنها مشكلة لا حل لها و علينا أن ندور حولها ونتجنبها.
وإلى اللقاء إن شاء الله
كيف تصنع الدوائر المتكاملة؟
مشكوووووووووووووووووووووووووووووووووور
