الجزء الأول: http://sc.egyres.com/vTgZO
الجزء الثاني: http://sc.egyres.com/AiLtW
الترانزستور
قبل توظيف أشباه الموصلات (أو أي مادة في حالة صلبة على حد سواء) في الدوائر الإلكترونية في مطلع القرن العشرين، شاع استخدام أنابيب مفرغة تسمى الصمامات الثلاثية في عمليات تكبير الصوت والإشارات وعمليات الإرسال والاستقبال اللاسلكي. وظهرت الحاجة إلى اختراع أفضل من تلك الأنابيب حين كانت الأخيرة تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، وتتعرض للتلف باستمرار، وبطيئة الاستجابة، وتهدر الكثير من الطاقة على صورة حرارة[1]. وكانت أول محاولة لاستبدال الأنابيب المفرغة بمادة صلبة في عام 1925 حين قام العالم الفيزيائي الألماني «ليلينفلد» بتقديم براءة اختراع لأول ترانزستور حقلي (Field-effect Transistor)، لكنه لم يقدم أي أبحاث إضافية عن اختراعه، ولم يقدم أي نموذج مبدئي ناجح. لذلك لم تهتم الصناعات كثيرًا بأعماله. وفي عام 1934 قام المهندس الألماني «أوسكار هايل» بتقديم براءة اختراع مشابهة. رغم أنه لا توجد أي أدلة أو أثار على وجود هذه النماذج الأولية، لكنها كانت بداية لا بأس بها لعلم الإلكترونيات الصلبة (solid-state electronics).
وفي عام 1948 تم اختراع أول ترانزستور ثنائي القطبية (Bipolar Junction Transistor) في مختبرات «بيل» الخاصة بـ«شوكلي»، وقام الأخير بتقديم براءة اختراع لهذا الجهاز.
منذ ذلك الحين تعددت الأساليب والتكنولوجيا المستخدمة في تصنيع كلا من هذين الترانزستورين، وتم ابتكار أنواع أخرى من الترانزستورات تختلف عن سابقيها في المبدئ العلمي وأسلوب التصنيع لكن وظائفهم مشابهة تمامًا لبعض. ولذلك سنكتفي بذكر أساس عمل أشهر نوعين من الترانزستورات في الوقت الراهن، وهما الترانزستور ثنائي القطبية (BJT)، والترانزستور الحقلي المصنوع من السيليكون وأكسيد الفلز أو «الموسفيت» (MOSFET).
تركيب الترانزستور ثنائي القطبية
ومن المنطقتين المحيطتين توجد منطقة ذات تركيز أعلى في الشوائب وبالتبعية تركيز أعلى في الشحنات الحرة، وتسمى تلك المنطقة بالباعث (emitter) لأنها تعمل كمصدر لنواقل الشحنات، وتسمى المنطقة الأخرى بالمجمع (collector) وهي أكبرهم حجمًا بغرض امتصاص أكبر قدر ممكن من نواقل الشحنات وتقليل تسرب الشحنات إلى فرع المنطقة الوسطى، وتعرف المنطقة الوسطى بالقاعدة (base) وهي أصغرهم حجمًا.[5]
أساس عمل الترانزستور ثنائي القطبية
يمكن اعتبار هذا الترانزستور على انه دايودان متصلان بظهرهما إلى بعض. الدايود الأول هو منطقة التماس بين القاعدة والباعث، والثاني هو منطقة التماس بين القاعدة والمجمع.
توجد ثلاث أوضاع يعمل بها الترانزستور على حسب طريقة توصيله بجهود كهربية خارجية. تلك الأوضاع هي: الوضع الفعال (active mode)، وضع التشبع (saturation mode)، وضع الانقطاع (cutoff mode). وسوف نهتم هنا بالوضع الفعال ووضع الانقطاع فقط.
الوضع الفعال
حتى يكون الترانزستور في الوضع الفعال، يجب أن يكون دايود الباعث والقاعدة متصل بتوصيل أمامي (forward bias)، ودايود القاعدة والمجمع بتوصيل عكسي(reverse bias).
ولنأخذ الترانزستور من النوع npn كمثال. حتى يمر أي تيار ملحوظ في فرع المجمع، يجب أن تكون أغلبية نواقل الشحنات من الإلكترونات. ولذلك يجب أن تكون منطقة الباعث مطعمة بتركيز عالي جدًا من الشوائب بالمقارنة بمنطقة القاعدة. وحيث أن دايود الباعث والقاعدة متصل بانحياز أمامي فإنه يسمح بمرور التيار. بينما دايود القاعدة والمجمع متصل بانحياز عكسي وبالتالي فإن منطقة التفريغ الخاصة به كبيرة في المساحة، مما يعني أنه لا يسمح بمرور أي شحنات، أليس كذلك؟
في الحقيقة، كلا. نظرًا لأن عرض منطقة القاعدة صغير جدًا، فمن المحتمل جدًا أن تمر الشحنات القادمة من الباعث بمنطقة التفريغ الخاصة بنقطة تلامس المجمع والقاعدة. ولأن معظم هذه الشحنات عبارة عن الإلكترونات، فإن المجال الكهربي المتولد نتيجة منطقة التفريغ يقوم بسحب معظم تلك الإلكترونات إلى منطقة المجمع ويسربها إلى الفرع المتصل بالمجمع، وتيار الفجوات والإلكترونات القليلة المتبقية يتسرب إلى فرع منطقة القاعدة. وبالتالي نستنتج أن التيار المار في فرع المجمع يعتمد اعتمادًا كليًا على التيار المار في منطقة الباعث ولا يعتمد على جهد المجمع. وذلك يعني أنه يمكن التحكم في تيار المجمع بشكل غير مباشر عن طريق التحكم في فرق الجهد بين القاعدة والباعث. هذا السلوك يشبه تمامًا سلوك مصدر تيار محكوم بواسطة فرق جهد (VCCS). وهذه الخاصية مفيدة في عملية تكبير الإشارات كما سنرى لاحقًا.
Ic ≈ Is* exp(Vbe/Vt)
حيث Ic هو تيار المجمع، Vbe فرق الجهد بين القاعدة والباعث.
وحيث:
Is = (Ae*q*Dn*ni^2)/(Nb*Wb)*(exp(Vbe/Vt)-1)
Ae مساحة منطقة الباعث، Nb تركيز الشوائب في منطقة القاعدة، Wb عرض القاعدة.
Is هو تيار التشبع العكسي، وهو يساوي قيمة التيار المار في حالة التوصيل العكسي، وقيمته ضئيلة جدًا كما كانت في الدايود.
وقد ثبت معمليًا الآتي:
Ib = (1/β)*Ic
حيث Ib هو تيار القاعدة، β ثابت يعرف بمعامل تكبير التيار، وتتراوح قيمته في العادة بين 50-200 وهي تعتمد على عوامل عديدة مثل درجة الحرارة وخواص الترانزستور وفرق الجهد المطبق. وتلك المعادلة تعني أن تيار القاعدة يشكل جزءًا ضئيلًا من التيار الذي يصل إلى المجمع. وباستخدام قانون كيرشوف للتيار الكهربي نجد أن التيار الخارج من الباعث يعطى بالعلاقة:
Ie = Ib + Ic = ((1/β)+1)*Ic = α*Ic
حيث أن قيمة α في العادة تقترب من الواحد الصحيح.
وفي حالة ملاحظة نقصان مفاجئ في قيمة β أو α فذلك بسبب انتقال الترانزستور من الوضع الفعال إلى وضع التشبع، وحتى تمنع حدوث ذلك تأكد أن دايود القاعدة-المجمع متصل توصيلًا عكسيًا.
مما سبق يتضح لنا أن العلاقة بين تيار القاعدة وجهد القاعدة-الباعث تشبه تمامًا العلاقة بين جهد الدايود وتياره. الفرق بينهما أن الترانزستور ينقل تأثير التغير في فرق الجهد من مكان إلى مكان آخر، والذي يخلق بدوره تأثير «المقاومة المنقولة» أو «التوصيلية الكهربية المنقولة»، بينما تأثير التغير في جهد الدايود يظهر في نفس المكان تحديدًا. وعليه يمكن تطبيق النماذج السابق ذكرها في فصل الدايود وهما نموذج الإشارات الكبيرة ونموذج الإشارات الصغيرة.[5]
وضع الانقطاع
وفي هذا الوضع يكون كلًا من منطقتي التلامس متصلتان بانحياز عكسي. وهذا الوضع لا يسمح بمرور أي تيار في أي فرع. ليس من الضروري من القارئ أن يعرف المزيد عن هذا الوضع، ولكن أهميته تبدو واضحة جدًا؛ الآن بإمكاننا استخدام الترانزستور على أنه مفتاح كهربي يمكن غلقه وفتحه بصورة يعتمد عليها. كل ما علينا فعله لعكس وضعيته هو عكس اتجاه الجهد الكهربي على طرفي القاعدة والباعث. يمكن للترانزستورات الحديثة أن تغير أوضاعها بين الوضع الفعال ووضع الانقطاع بمعدل ملايين المرات في الثانية. ومن هذا المنطلق قام علماء الحوسبة باستخدام هذا المفهوم كطريقة سهلة لتسجيل قيم 1 وصفر، مما فتح الأبواب على مصرعيها أمام الدوائر الرقمية وأحدث ذلك ثورة في علم معالجة البيانات وتخزينها، وقادتنا تلك التكنولوجيا إلى تصغير حجوم الترانزستورات إلى أرقام في غاية الضئالة بشكل لا يعقل. وعلى سبيل التأمل، فإن عرض القاعدة في الترانزستورات المتواجدة في الرقاقات الحديثة المتوافرة تجاريًا قد وصل إلى 10 نانومتر حتى وقت كتابة المقال. بالمقارنة فإن قطر ذرة السيليكون 0.2 نانومتر، مما يعني أن عرض منطقة القاعدة عبارة عن 50 ذرة فقط!
ولكن تعاني ترانزستورات الـ(BJT) والموسفيت من مشلكة استهلاك كمية كبيرة من الطاقة في وضع الخمول، أي أنها تستهلك طاقة حتى وإن كانت الأجهزة الرقمية لا تقوم بأي عمليات حسابية أو عمليات قراءة وتخزين ومن المستحيل عمليًا أن نستعمل أيًا منهما (بدون إجراء تعديلات إضافية) في عملية تخزين ومعالجة البيانات نظرًا لكمية الطاقة المهدرة المطلوبة لذلك. ولذلك طور المهندسون تقنية جديدة تدعى شبه موصل أكسيد الفلز المكمل أو «السموس» (CMOS)، والتي تتلافى عيوب الموسفيت، وتقلل من استهلاك الطاقة في وضع الخمول إلى نسبة شبه معدومة أو مهملة.[5] [7]
الموسفيت (MOSFET)
قبل أن نتعرف على تركيب الموسفيت مباشرة، لربما من الأفضل أن نجرب ونتأمل بعض الأشكال البسيطة التي قد تقودنا إلى تصميم الموسفيت النهائي. ولنبدأ بمثال بسيط: سنقوم بتوصيل لوحة معدنية (موصلة) صغيرة مع لوحة عازلة متصلة بلوحة من السيليكون المطعم من النوع P أو أي مادة شبه موصلة مطعمة. والآن ماذا سيحدث برأيك إذا قمنا بتوصيل هذا الجهاز بمصدر فرق جهد كهربي؟
هذا الشكل يشبه إلى حد كبير المكثف التقليدي، حيث أن لوحة السيليكون من النوع P هي مادة موصلة بعض الشئ، ولذلك أي تغيير في محصلة الشحنة الكهربية على اللوحة المعدنية سيقابله تغيير في محصلة شحنة لوحة السيليكون بنفس المقدار.
ومن منطلق استنتاجاتنا عن تلك التجارب النظرية توصل الباحثون إلى تصميم الموسفيت الحالي الموضح بالشكل التالي:
يتشابه الموسفيت مع سابقه في أن له ثلاثة أطراف، وكل منهما يؤدي وظيفة مشابهة لنظيره في الترانزستور الآخر. ففي الموسفيت، الطرف الذي يسمى المنبع (source) له نفس وظيفة الباعث في الـ(BJT). والطرف الذي يسمى المصب (drain) يؤدي غرض المجمع، والبوابة (gate) مثل القاعدة. البوابة هي الطرف المتصل باللوحة الموصلة، والمنبع والمصب هما عبارة عن منطقتين مطعمتين بشوائب مختلفة عن شائبة قطعة السيليكون الأساسية. قد يكون الموسفيت من نوع N مثل الذي في الشكل السابق ذكره، وذلك لأنه يعتمد على الإلكترونات كناقل شحنات ويسمى (NMOS)، أو قد يكون من النوع P والذي يعتمد على الفجوات كناقل شحنات ويسمى (PMOS). وحاليًا تصنع البوابة من مادة البولي سيليكون المطعمة بنسبة عالية من الشوائب، وتتكون الطبقة العازلة من أوكسيد السيليكون، وذلك عن طريق أكسدة الطبقة العليا من قطعة السيليكون الأساسية. ويلاحظ أن كلا من المنبع والمصب (من نوع N+ ذات تركيز أعلى في الشوائب المانحة) يكونا دايود منفرد مع طبقة السيليكون في المنتصف (من النوع P).
أساس عمل الموسفيت
أول فرق نلاحظه بين الموسفيت والـ(BJT) أن طرف البوابة المكافئ للقاعدة لا يسمح بمرور أي تيار (على الأقل بالنسبة التيار المستمر والتيار المتردد ذو ترددات منخفضة)، وذلك سوف ييسر علينا تحليل الموسفيت في الدوائر الكهربية بعض الشئ. والآن دعنا نجرب ونشاهد ماذا سيحدث إذا قمنا بتعريض طرفي البوابة والمصدر لفرق جهد صغير جدًا (Vgs)، حيث البوابة متصلة بالقطب الموجب وكلًا من المصدر والمنبع متصلان بالأرضي (القطب السالب في هذه الحالة). هل سينتج أي تيار في هذا الوضع؟ بالطبع لا، فإن نقطة الاتصال بين البوابة والموسفيت عبارة عن مكثف، والمكثف لا يسمح بمرور تيار مستمر. وفي هذه الحالة يكون الموسفيت في وضع الغلق (OFF).
ولكن تذكر أن الوصلة بين المنبع والطبقة المتوسطة هي عبارة عن دايود، وحتى نمنع مرور التيار تمامًا لا بد من توصيل الطبقة الوسطى بالأرضي أيضًا حتى يظل الدايود متصلًا في وضع عكسي، وفي أي دائرة عمومًا يجب أن تتصل قطعة السيليكون بأقل جهد ممكن (وقد يكون ذلك غير ضروريًا في بعض الأحيان). نلاحظ أنه عند زيادة Vgs فإن طرف البوابة يجذب المزيد من الإلكترونات إلى السيليكون مما يزيد من مساحة منطقة التفريغ. ولكن إذا كانت قيمة Vgs كبيرة بما فيه الكفاية فإنه يخلق قناة أو قنطرة من الإلكترونات والتي تشكل مسارًا حرًا لإكترونات المصدر والمنبع، والأخيرتين يحتويان على كمية كافية من الإلكترونات الحرة. تظهر هذه «القناة» عند قيمة معينة لفرق الجهد (تسمى «الجهد الحرج- Threshold voltage» أو Vth) في حدود 300 mV إلى 1V. ويمكن اعتبار الموسفيت في هذه الحالة مقاومة متغيرة (إذا تم توصيله من طرفي المنبع والمصدر). وتلك المقاومة تتغير بتغير الجهد المفروض علي البوابة والمنبع، حيث أن الزيادة في Vgs تؤدي إلى زيادة في كثافة الشحنات. وذلك يعرف باسم بمقاومة معتمدة على الجهد (voltage-controlled resistor).
والآن ماذا سيحدث إذا قمنا بتوصيل المصب بطرف موجب لبطارية أخرى، والمنبع بالطرف الآخر؟ إذا كان Vgs<Vth لا تتكون القناة الموصلة والتيار يساوي صفر (Id = 0). أما إذا كان Vgs>Vth تتكون تلك القناة وتكون قيمة التيار أعلى من الصفر. ولأن هذا التيار يعتمد على المجال الكهربي، نستنتج أنه تيار إزاحة فقط. والشكل بالأعلى يوضح سلوك الموسفيت بتغير البارامترات الخارجية، ولكن ماذا عن البارامترات الخاصة بالموسفيت نفسه؟ لا شك أن بعض المتغيرات مثل ثابت العازل وطول الطبقة الوسطى تؤثر على توصيلية الموسفيت. وكذلك كيف نجعل الموسفيت يتصرف كمصدر تيار عوضًا عن أن يكون مجرد مقاومة؟
حسن، رغم أننا توصلنا إلى نتائج جيدة بواسطة التحليل الكيفي السابق، لكننا لم نأخذ في الاعتبار تأثير فرق الجهد بين المصب والمنبع على القناة الموصلة، ولم نتوصل لأي معادلات تصف علاقة التيار بالجهد. إذا كانت قيمة جهد المنبع كبيرة فإنها سوف تؤثر سلبًا على قناة التوصيل، حيث أن فرق الجهد بين البوابة والسيليكون سيقل تدريجيًا على طول القناة حتى يصل إلى أقل قيمة له عند المصب. وبالتالي فإن الجهد الحقيقي الذي يؤثر على الوصلة بين البوابة والسيليكون هو متوسط الجهد على طول القناة، والذي يمكن إيجاده بكل سهولة:
V = 0.5*((Vgs-Vth)+(Vgs-Vth)-Vds) = (Vgs-Vth) – (1/2) Vds
ونلاحظ أن الجهد المؤثر على تشكل القناة هو الفرق بين جهد البوابة والجهد الحرج (Vgs-Vth) وهو يسمى بالجهد الزائد (overdrive voltage) أو Vov.
ومن ذلك نستنتج أنه عند زيادة جهد المصب يقل عرض القناة حتى تختفي تمامًا عند المصب عندما تصل قيمة الجهد إلى قيمة الجهد الزائد. وفي هذه الحالة يصل الموسفيت إلى وضع التشبع الاختناقي (pinch-off saturation). والمجال الكهربي بين المصب والمنبع يسمح للإلكترونات بتجاوز منطقة التفريغ الثانية حتى عند إختفاء القناة، ولكن تيار الإلكترونات يصل إلى حالة التشبع، أي أن الزيادة في جهد المصب لن تؤدي إلى أي زيادة في التيار (في الواقع سوف يزداد التيار ولكن بنسبة ضئيلة جدًا)، وبالتالي يتكون لدينا مصدر تيار معتمد على فرق الجهد بين البوابة والمنبع كما كنا ننشد.[7]
والآن حان وقت اشتقاق قانون يعطي قيمة التيار قبل الوصول لمرحلة الاختناق (ويسمى ذلك الوضع بـ«منطقة الصمام الثلاثي-triode region»)، وبعد الوصول إلى ذلك الوضع.
إذا كانت Cox هي سعة المكثف بالنسبة لمساحته (وتقاس بوحدة F/m^2)،و W عرض المنطقة الوسطى، L طولها، μn قابلية حركة الإلكترونات في شبه الموصل، Q كمية الشحنة في المنطقة الوسطى، v سرعة الشحنات في شبه الموصل:
Q = Cox * W * L * (Vov-0.5*Vds)
I = Q/t = Cox*W*(Vov-0.5*Vds)*(L/t) = Cox*W*v*(Vov-0.5*Vds)
|v| = μn*|E| = μn*(Vds/L) , since |V| = |∇.E| or |V| = |dE/dx|
Id = μn*Cox*(W/L)*(Vov-0.5*Vds)*Vds
مما يعني أن العلاقة بين التيار والجهد Vds علاقة تربيعية، وذلك يختلف عن العلاقة الأسية التي اعتدنا رؤيتها في الدايود والـ(BJT). والعلاقة الأسية هي ما تجعل أداء الـ(BJT) كمكبر إشارات أفضل بكثير من الموسفيت، لكن تكلفة التصنيع الموسفيت المنخفضة، وقابلية إدماج الموسفيت في الرقاقات بكل سهولة وزيادة عددها إلى المليارات بالإضافة إلى حاجة إدماج الدوائر التناظرية والرقمية على رقاقة واحدة أو في لوحة واحدة كلها كانت عوامل دفعت السوق إلى الاتجاه بشراسة نحو الموسفيت وتجاهل الـ(BJT) في جميع التطبيقات والدوائر تقريبًا. بالإضافة إلى أن تقنية السموس تعتمد على الموسفيت وهي ماجعلته يحتل مكانته في عالم الذواكر الرقمية والمعالجات.[7]
وإذا كانت قيمة Vds منخفضة بالمقارنة بـVgs، فيمكن تقريب العلاقة السابقة كالآتي:
Id ≈ μn*Cox*(W/L)*Vov*Vds
وتلك العلاقة تصف سلوك الموسفيت كمقاومة متغيرة بتغير الجهد Vgs كما ناقشنا مسبقًا، ويسمى هذا الوضع أحيانًا بالمنطقة الخطية (Linear region).
عندما يصل الموسفيت إلى وضع التشبع (Vov=Vds)، تثبت قيمة التيار ولا تتغير تغيرًا ملحوظًا بزيادة جهد المصب. ويعطى التيار في تلك الحالة بالعلاقة الآتية:
Id = (1/2)*μn*Cox*(W/L)*Vov^2
ومن هنا نحصل على التأثير المنشود الذي يشبه ما شهدناه في الـ(BJT): التيار المار بين المنبع والمصب لا يتأثر بفرق الجهد بينهما، بل يتأثر بفرق جهد آخر. وعليه فإن حصل أي تغيير بسيط في جهد البوابة لاحظنا هذا التغيير على تيار الترانزستور بصورة مكبرة. وبالطبع فإن هذا التكبير يأتي على حساب الطاقة المستهلكة من مصدر الطاقة، بالإضافة إلى أن عملية التضخيم تؤدي إلى بعض التشويش نتيجة ظواهر فيزيائية سنناقشها فيما بعد.[7]
الـ(PMOS)
ذكرنا نوعان من ترانزستورات الـ(BJT): النوع npn الذي يعتمد على انتقال الشحنات السالبة، والنوع pnp الذي يعتمد على انتقال الشحنات الموجبة. وكذلك في الموسفيت يوجد نظير للنوع NMOS يعتمد على انتقال الفجوات داخل السيليكون، وهو الـ(PMOS). عمله مشابه إلى حد كبير للـ(NMOS) مع وجود بعض الاختلافات البسيطة:[7]
- من المنطقي أن نتوقع أن تيار الـ(PMOS) أقل مع ثبوت الجهد نظرًا لأن قابلية حركة الفجوات (μp) أقل من قابلية حركة الإلكترونات (μn). وذلك كما سنرى لاحقًا يؤدي إلى انخفاض معامل تكبير الإشارة.
- يجب أن تحتوى القناة الموصلة على وفرة من الفجوات، وبالتالي يجب أن يتصل فرع البوابة بطرف البطارية السالب (أو الأرضي) بينما يتصل فرع المنبع بالطرف الموجب.
- حتى نمنع حدوث انحياز أمامي لدايود المنبع-البوابة، يجب أن تتصل قطعة السيليكون الأساسية بأعلى جهد كهربي ممكن (أي مع طرف البطارية الموجب) وليس الأرضي.
- التيار الكهربي يسري من المنبع إلى المصب على عكس الـ(NMOS).
تقنية السموس (CMOS)
والآن هل بإمكاننا إدماج ترانزستور NMOS و PMOS معًا على نفس الرقاقة؟ من حسن الحظ نعم. فقد وُجِد أنه يمكن تخليق طبقة سفلية موضعية من النوع N على رقاقة من النوع P، والتي تسمح بإدماج ترانزستور من النوع PMOS.
من الشكل السابق، لاحظ أن الـ(PMOS) تحيط به طبقة سفلية من النوع N، والتي بدورها محاطة بطبقة سفلية من النوع P، وتلك الأخيرة تحيط بترانزستور من النوع NMOS.
وعملية تصنيع السموس أكثر تعقيدًا من NMOS، حتى أن الأجيال الأولى من ترانزستور شبه الموصل أكسيد الفلز (MOS) كانت تقتصر حصرًا على الـ(NMOS)، حيث أنه تكلفة تصنيع الـ(MOS) المكمل كانت باهظة. ورغم ذلك فإن المميزات الخاصة بالسموس جعلته التقنية السائدة حاليًا، ودفعت بالـ(NMOS) إلى غياهب النسيان.[7]
مقدمة عن تصميم البوابات المنطقية (logic gates design)
البوابات المنطقية هي الدوائر التي تتعامل مع الإشارات الرقمية، وهي تتعامل تحديدًا بالجبر الثنائي (Boolean algebra) والمنطق الثنائي، وفيه نتعامل مع رقمين فقط وهما الصفر والواحد. تستخدم هذه الدوائر في إجراء عمليات حسابية ومنطقية على الأرقام التي نعبر عنها بنظام العد الثنائي. وفي خلال العقود الخمس الماضية، تطور تصميم هذه الدوائر بمعدل سريع جدًا. ففي أجيال الدوائر المنطقية البدائية، استخدم ما يسمى بـ«منطق الدايود-مقاومة» (RDL)، وهي عبارة عن دائرة تحتوي على دايود ومقاومة فقط. ومن ثم تبعتها تقنيات تسخدم الترانزستور ثنائي القطبية مثل: «منطق الترانزستور-ترانزستور» (TTL)، و«منطق الباعث المقرن» (ECL). لكن قدوم السموس (CMOS) وخصائصه الفريدة أدت إلى نمو الأجهزة الرقمية بمعدل أسي.[8]
وفي الدائرة الإلكترونية التي تؤدي غرض تلك البوابات، نعبر عن الواحد بفرق جهد موجب (5V في العادة)، ونعبر عن الصفر بفرق جهد منعدم.[8]
بوابة العاكس (NOT Gate)
وتلك البوابة تقوم بعملية بسيطة جدًا، وهي عكس الإشارة الداخلة وإخراج الإشارة المعكوسة إلى طرف المخرج. يمكن تحقيق ذلك عن طريق جهاز (CMOS) كما هو موضح بالشكل التالي:
تذكر أنه في حالة الترانزستور الـ(PMOS) يتصل المنبع بالطرف الموجب للبطارية، وحتى يكون في الوضع ON (أو وضع التشبع) يجب أن يكون جهد المنبع أعلى من جهد البوابة. مما يعني أنه في الشكل السابق وفي الصورة الثانية تحديدًا نجد أن الـ(PMOS) يظل في الوضع ON دون إدخال أي فرق جهد خارجي على البوابة، وفي حالة توصيل البوابة بجهد خارجي فسوف ينتقل الترانزستور إلى الوضع OFF. أما الـ(NMOS) فهو في حاجة إلى جهد كهربي خارجي على طرفي البوابة والمنبع حتى يكون في الوضع ON.
نستنتج من ذلك كله أنه في الدائرة الموضحة بالشكل، يمكن لأحد الترانزستورين فقط أن يكون في الوضع ON بينما الآخر في الوضع OFF، لكن لا يمكن لكليهما أن يكونا في نفس الوضع.
وعند إدخال جهد كهربي على تلك الدائرة من جهة المدخل (أي 1 في لغة البوابات المنطقية) يكون الـ(PMOS) بالأعلى مطفئًا، والآخر مفتوحًا، وبذلك يكون المخرج متصلًا بالأرضي، أي أنه يقرأ إشارة منعدمة (0). وعند توصيل المدخل بالأرضي (أي 0 في لغة البوابات المنطقية)، يكون الـ(PMOS) في وضع ON والآخر في وضع OFF، وبذلك تكون جهة المخرج متصلة بالبطارية مباشرة وتقرأ قيمة الواحد في لغة المنطق الثنائي. وفي كلتا الحالتين لا يمر أي تيار كهربي على الإطلاق في حالة الخمول أو حالة الثبوت (steady state) لأن الدائرة الكهربية مفتوحة في كلتا الحالتين، لكن الدائرة تستهلك جزئًا بسيطًا من الطاقة أثناء وقت التنقل بين الأوضاع (transient state). وبتطبيق هذا المبدأ يمكن الوصول إلى تصميم بعض البوابات المنطقية الأخرى.[8]
بوابة NOR و NAND
والآن ننتقل للبوابات المنطقية التي تقبل أكثر من مدخل واحد وتخرج نتيجة واحدة إما 0 أو 1. يمكن من خلال المبدأ السابق باستخدام تقنية السموس بناء بوابتين: NOR و NAND أو أي تركيبة منهما.
NOR هي معكوس البوابة OR، الأخيرة تعطي نتيجة 1 إذا كان أحد المدخلات يساوي 1 على الأقل، وتعطي صفرًا إذا كانت قيم جميع المدخلات صفرًا. إذًا فنتيجة البوابة NOR تكون 1 إذا كانت قيم جميع المدخلات 0، و0 إذا كانت قيمة أحد المدخلات على الأقل 1. ويمكن تحويل البوابة NOR إلى OR عن طريق أخذ الناتج وإدخاله مجددًا في بوابة NOT.
وبالتبعية فإن NAND هي معكوس AND، والأخيرة تعطي قيمة الواحد إذا كانت جميع قيم المدخلات واحد، وصفرًا في غير ذلك.
من خلال تلك المعلومات يمكن بناء كلًا من NOR و NAND باستخدام السموس كما هو موضح بالشكل الآتي:
ويترك للقارئ أن يستنتج تصرف الدائرة بالأعلى بتجربة مجموعة من التوافيق بين قيم المدخلات الثلاثة، وفي كل مرة سيجد القارئ أن الدائرة ستظل مفتوحة في وضع الثبوت، مما يؤدي إلى مرور تيار ضئيل جدًا يمكن إهماله في أبسط الأحوال.[8]
وعمليات الجمع والطرح والضرب هي عبارة عن سلسلة أو تركيبة من هذه العمليات المنطقية البسيطة. قد تكون هذه التركيبة عبارة عن دائرة توافقية (combinational circuit) (وهي تقوم بعملية حسابية تعتمد على المدخلات الحالية فقط وليس على النواتج أو المدخلات السابقة، ولا تعتمد على الوقت، مثل عملية الجمع)، أو دائرة تسلسلية (sequential circuit) (وفيها ترتبط نتيجة العملية الحسابية بالنتيجة السابقة ووقت إدخالها، وهي تحتوي على ذاكرة خاصة بها، مثل القلاب (flip-flop) والعداد (counter)).
وفي الحلقة المقبلة سوف نشرح مبادئ تحليل الدوائر الكهربية، ومن ثم سننتقل إلى تحليل دائرة مكبر الإشارات (amplifier) بكافة أشكالها. قد يستلزم ذلك أكثر من حلقة أو اثنتين، وما سوف يلي يعتبر جزءًا متخصصًا يحتاج من القارئ معرفة مسبقة بالرياضيات المتقدمة وبعض أساسيات الفيزياء الكهربية. وبالمناسبة فإن هذه السلسلة مستندة على كتاب «Fundamentals of Microelectronics» من تأليف «بهزاد رضوي». فإن كنت تعشق التلاعب بالمكونات الكهربية، وتعشق الرياضيات والفيزياء فمطالعة هذا الكتاب منصوح بها بشدة.
إعداد: Hazem Mousa
مراجعة: Ahmed M.Saeed
المراجع:
[1] Tomer, Robert B. (1960), Getting the most out of vacuum tubes, Indianapolis, IN, USA: Howard W. Sams, Chapter 2.
[2] “November 17 – December 23, 1947: Invention of the First Transistor”. American Physical Society.
[3] “transistor”. American Heritage Dictionary (3rd ed.). Boston: Houghton Mifflin. 1992.
[4] “The Nobel Prize in Physics 1956”. nobelprize.org.
[5] Fundamentals of Microelectronics, 2006, Ch. 4.
[6] Bipolar Junction Transistor Construction, Engineering Tutorials.
[7] Fundamentals of Microelectronics, 2006, Ch. 6.
[8] Fundamentals of Microelectronics, 2006, Ch. 16.
[9] Transistor history, Wikipedia.
