نموذج الترانزستور

الموسوعة الحرة

الترانزستورات أجهزة بسيطة ذات سلوك معقد . ولضمان التشغيل الموثوق للدوائر التي تستخدم الترانزستورات، من الضروري نمذجة الظواهر الفيزيائية الملاحظة أثناء عملها علميًا باستخدام نماذج الترانزستور . توجد نماذج متنوعة تختلف في تعقيدها وأهدافها. وتنقسم نماذج الترانزستور إلى مجموعتين رئيسيتين: نماذج لتصميم الأجهزة ونماذج لتصميم الدوائر.

نماذج لتصميم الأجهزة

يتميز الترانزستور الحديث ببنية داخلية تستغل آليات فيزيائية معقدة. ويتطلب تصميم الجهاز فهمًا دقيقًا لكيفية تأثير عمليات تصنيعه، مثل زرع الأيونات ، وانتشار الشوائب ، ونمو الأكسيد ، والتلدين، والحفر، على سلوكه. تحاكي نماذج العمليات خطوات التصنيع، وتوفر وصفًا مجهريًا لـ"هندسة" الجهاز لمحاكي الجهاز . ولا تقتصر "الهندسة" على السمات الهندسية الواضحة، مثل بنية البوابة المستوية أو الملتفة، أو الأشكال المرتفعة أو الغائرة للمصدر والمصب (انظر الشكل 1 لجهاز ذاكرة يواجه بعض تحديات النمذجة غير المعتادة المتعلقة بشحن البوابة العائمة بعملية الانهيار الجليدي). بل تشمل أيضًا التفاصيل الداخلية للبنية، مثل توزيعات التطعيم بعد اكتمال معالجة الجهاز.

الشكل 1: جهاز ذاكرة حقن الانهيار الجليدي ذو البوابة العائمة FAMOS

باستخدام هذه المعلومات حول شكل الجهاز، يُحاكي برنامج محاكاة الجهاز العمليات الفيزيائية التي تحدث داخله لتحديد سلوكه الكهربائي في ظروف متنوعة: سلوك التيار-الجهد المستمر، والسلوك العابر (سواءً للإشارات الكبيرة أو الصغيرة)، والاعتماد على تصميم الجهاز (طويل وضيّق مقابل قصير وعريض، أو متداخل مقابل مستطيل، أو معزول مقابل قريب من أجهزة أخرى). تُبيّن هذه المحاكاة لمصمم الجهاز ما إذا كانت عملية تصنيع الجهاز ستُنتج أجهزةً بالسلوك الكهربائي المطلوب، وتُستخدم لإرشاده بشأن أي تحسينات ضرورية في العملية. عند اقتراب العملية من مرحلة التصنيع، تُقارن خصائص الجهاز المتوقعة بالقياسات على أجهزة اختبار للتأكد من كفاءة نماذج العملية والجهاز.

على الرغم من أن سلوك الأجهزة الذي تم نمذجته بهذه الطريقة كان بسيطًا للغاية في الماضي - يقتصر أساسًا على الانجراف والانتشار في أشكال هندسية بسيطة - إلا أنه اليوم يتطلب نمذجة العديد من العمليات على المستوى المجهري؛ على سبيل المثال، تيارات التسرب [ 1 ] في الوصلات والأكاسيد، والنقل المعقد للناقلات بما في ذلك تشبع السرعة والنقل الباليستي، والتأثيرات الكمومية، واستخدام مواد متعددة (مثل أجهزة السيليكون-سيليكون-جرمانيوم ، ومجموعات من مواد عازلة مختلفة )، وحتى التأثيرات الإحصائية الناتجة عن الطبيعة الاحتمالية لوضع الأيونات ونقل الناقلات داخل الجهاز. تتغير التكنولوجيا عدة مرات في السنة، مما يستدعي إعادة إجراء عمليات المحاكاة. وقد تتطلب النماذج تعديلات لتعكس التأثيرات الفيزيائية الجديدة، أو لتوفير دقة أكبر. وتُعد صيانة هذه النماذج وتحسينها نشاطًا تجاريًا قائمًا بذاته.  

تتطلب هذه النماذج موارد حاسوبية هائلة، إذ تشمل حلولًا مكانية وزمنية مفصلة لمعادلات تفاضلية جزئية مترابطة على شبكات ثلاثية الأبعاد داخل الجهاز. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] وتتميز هذه النماذج ببطء تشغيلها، كما أنها لا توفر تفاصيل ضرورية لتصميم الدوائر. لذا، تُستخدم نماذج ترانزستور أسرع، موجهة نحو معلمات الدوائر، في تصميم الدوائر.

نماذج لتصميم الدوائر

تُستخدم نماذج الترانزستور في جميع أعمال التصميم الإلكتروني الحديثة تقريبًا. وتستخدم برامج محاكاة الدوائر التناظرية ، مثل SPICE، هذه النماذج للتنبؤ بسلوك التصميم. ويرتبط معظم العمل التصميمي بتصميمات الدوائر المتكاملة ، التي تتطلب تكلفة تصنيع عالية جدًا، لا سيما تكلفة الأقنعة الضوئية المستخدمة في تصنيع الأجهزة، وهناك حافز اقتصادي كبير لجعل التصميم يعمل دون أي تعديلات. وتتيح النماذج الكاملة والدقيقة لنسبة كبيرة من التصاميم العمل بنجاح من المحاولة الأولى.

تتميز الدوائر الحديثة عادةً بتعقيدها الشديد. ويصعب التنبؤ بأداء هذه الدوائر دون نماذج حاسوبية دقيقة، تشمل على سبيل المثال لا الحصر نماذج الأجهزة المستخدمة. تتضمن نماذج الأجهزة تأثيرات تصميم الترانزستور: العرض، والطول، والتداخل، والقرب من الأجهزة الأخرى؛ وخصائص التيار-الجهد العابرة والمستمرة ؛ وسعة الجهاز الطفيلية، ومقاومته، وحثه؛ والتأخيرات الزمنية؛ وتأثيرات درجة الحرارة؛ على سبيل المثال لا الحصر. [ 7 ]

النماذج غير الخطية للإشارات الكبيرة

تنقسم نماذج الترانزستور غير الخطية أو ذات الإشارة الكبيرة إلى ثلاثة أنواع رئيسية: [ 8 ] [ 9 ]

النماذج المادية

هذه نماذج مبنية على فيزياء الأجهزة ، وتعتمد على نمذجة تقريبية للظواهر الفيزيائية داخل الترانزستور. [ 1 ] [ 10 ] وتستند المعلمات [ 11 ] [ 12 ] في هذه النماذج إلى خصائص فيزيائية مثل سماكة طبقة الأكسيد، وتركيزات تطعيم الركيزة، وحركية حاملات الشحنة، وما إلى ذلك. [ 13 ] في الماضي، استُخدمت هذه النماذج على نطاق واسع، ولكن تعقيد الأجهزة الحديثة يجعلها غير كافية للتصميم الكمي. ومع ذلك، فإنها تجد لها مكانًا في التحليل اليدوي (أي في المرحلة المفاهيمية لتصميم الدوائر)، على سبيل المثال، لتقديرات مبسطة لقيود نطاق الإشارة.

النماذج التجريبية

يعتمد هذا النوع من النماذج كليًا على مطابقة المنحنيات ، باستخدام الدوال وقيم المعاملات التي تُناسب البيانات المقاسة على النحو الأمثل لتمكين محاكاة عمل الترانزستور. على عكس النموذج الفيزيائي، لا تحتاج المعاملات في النموذج التجريبي إلى أساس جوهري، بل تعتمد على إجراء المطابقة المُستخدم لإيجادها. يُعدّ إجراء المطابقة أساسيًا لنجاح هذه النماذج إذا ما أُريد استخدامها للاستقراء إلى تصاميم تقع خارج نطاق البيانات التي صُممت النماذج لها في الأصل. يُعدّ هذا الاستقراء أحد أهداف هذه النماذج، ولكنه لم يتحقق بالكامل حتى الآن.

النماذج الخطية للإشارات الصغيرة

تُستخدم نماذج الإشارات الصغيرة أو النماذج الخطية لتقييم الاستقرار ، والكسب ، والضوضاء ، وعرض النطاق الترددي ، سواء في المراحل المفاهيمية لتصميم الدوائر (للاختيار بين أفكار التصميم البديلة قبل اللجوء إلى المحاكاة الحاسوبية) أو عند استخدام الحواسيب. يُنشأ نموذج الإشارة الصغيرة بأخذ مشتقات منحنيات التيار-الجهد حول نقطة انحياز أو نقطة تشغيل . طالما أن الإشارة صغيرة نسبيًا مقارنةً بعدم خطية الجهاز، فإن المشتقات لا تتغير بشكل ملحوظ، ويمكن التعامل معها كعناصر دوائر خطية قياسية. من مزايا نماذج الإشارات الصغيرة إمكانية حلها مباشرةً، بينما تُحل نماذج الإشارات الكبيرة غير الخطية عادةً بشكل تكراري، مع احتمالية وجود مشاكل في التقارب أو الاستقرار . بتبسيط النموذج إلى نموذج خطي، يصبح كل ما يلزم لحل المعادلات الخطية متاحًا، مثل المعادلات الآنية ، والمحددات ، ونظرية المصفوفات (التي تُدرس غالبًا كجزء من الجبر الخطي )، وخاصةً قاعدة كرامر . ميزة أخرى هي سهولة فهم النموذج الخطي، مما يُساعد على تنظيم الأفكار.

معلمات الإشارة الصغيرة

تمثل معلمات الترانزستور خصائصه الكهربائية. يستخدم المهندسون معلمات الترانزستور في اختبارات خطوط الإنتاج وفي تصميم الدوائر. وتُعدّ مجموعة من معلمات الترانزستور، الكافية للتنبؤ بكسب الدائرة ، ومقاومة الدخل ، ومقاومة الخرج ، مكونات في نموذج الإشارة الصغيرة الخاص به .

يمكن استخدام عدد من مجموعات معلمات الشبكة ثنائية المنافذ المختلفة لنمذجة الترانزستور. وتشمل هذه:

يمكن قياس معاملات التشتت، أو معاملات S، للترانزستور عند نقطة انحياز معينة باستخدام محلل الشبكة الاتجاهية . ويمكن تحويل معاملات S إلى مجموعة معاملات أخرى باستخدام عمليات جبر المصفوفات القياسية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 WO2000077533A3 ، لوي، باسل، "طريقة محاكاة جهاز أشباه الموصلات وجهاز المحاكاة"، صدر بتاريخ 26-04-2001 
  2. ^ كارلو جاكوبوني. باولو لوجلي (1989). طريقة مونت كارلو لمحاكاة أجهزة أشباه الموصلات . فيينا: سبرينغر-فيرلاغ. رقم ISBN 3-211-82110-4.
  3. ^ سيغفريد سيلبيرهير (1984). تحليل ومحاكاة أجهزة أشباه الموصلات . فيينا: سبرينغر-فيرلاغ. رقم ISBN 3-211-81800-6.
  4. ↑ تيبور غراسر، محرر (2003). نمذجة ومحاكاة الأجهزة المتقدمة (المجلة الدولية للإلكترونيات والأنظمة عالية السرعة) . وورلد ساينتيفيك. ISBN 981-238-607-6.
  5. ↑ كريمر، كيفن م. وهيتشون، و. نيكولاس ج. (1997). أجهزة أشباه الموصلات: منهج المحاكاة . أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول بي تي آر. رقم ISBN 0-13-614330-X.
  6. ↑ دراجيكا فاسيلسكا ؛ ستيفن جودنيك (2006). الإلكترونيات الحاسوبية . مورغان وكلايبول. ص 83. ISBN  1-59829-056-8.
  7. ↑ كارلوس غالوب-مونتورو؛ مارسيو سي شنايدر (2007). نمذجة MOSFET لتحليل وتصميم الدوائر . وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-256-810-6.
  8. ↑ نارين أرورا (2007). نمذجة MOSFET لمحاكاة VLSI: النظرية والتطبيق . وورلد ساينتيفيك. الفصل 1. ISBN 978-981-256-862-5.
  9. ↑ يانيس تسيفيديس (1999). النمذجة التشغيلية لترانزستور MOS ( الطبعة الثانية). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN  0-07-065523-5.
  10. ↑ لوي، باسل؛ ميغليوراتو، ب (1997-04-01). "نموذج جديد لإعادة التركيب من الجيل إلى الجيل لمحاكاة الأجهزة، يشمل تأثير بول-فرانكل والنفق بمساعدة الفونون" . إلكترونيات الحالة الصلبة . 41 (4): 575-583 . Bibcode : 1997SSEle..41..575L . doi : 10.1016/S0038-1101(96)00148-7 . ISSN 0038-1101 . 
  11. ↑ لوي، باسل؛ تام، إس دبليو بي؛ ميغليوراتو، ب. (1998). "مستخرج معلمات الترانزستورات الرقيقة متعددة البلورات من السيليكون" . مكتبة وقائع مؤتمرات جمعية أبحاث المواد على الإنترنت . 507 : 365. doi : 10.1557/PROC-507-365 . ISSN 0272-9172 . 
  12. ↑ كيمورا، موتسومي؛ نوزاوا، ريويتشي؛ إينوي، ساتوشي؛ شيمودا، تاتسويا؛ لوي، باسيل؛ تام، سيمون وينغ-بون؛ ميغليوراتو، بييرو (2001-09-01). "استخلاص حالات الفخ عند واجهة أكسيد السيليكون وحدود الحبيبات لترانزستورات الأغشية الرقيقة من السيليكون متعدد البلورات" . المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية . 40 (9R): 5227. Bibcode : 2001JaJAP..40.5227K . doi : 10.1143/JJAP.40.5227 . ISSN 1347-4065 . S2CID 250837849 .  
  13. ↑ لوي، باسل؛ تام، إس دبليو-بي؛ ميغليوراتو، ب؛ شيمودا، ت. (2001-06-01). "طريقة لتحديد كثافة الحالات في الترانزستورات الرقيقة، سواءً في المادة نفسها أو على السطح البيني" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 89 (11): 6453-6458 . Bibcode : 2001JAP....89.6453L . doi : 10.1063/1.1361244 . ISSN 0021-8979 .