نمذجة تأثيرات الإجهاد الكهربي الزائد في نبائط السليكون – فوق- العازل

تتكبد صناعة الالكترونيات الدقيقة ملايين الدولارات سنويا نتيجة انهيار بعض المكونات الالكترونية بسبب تعرضها للاجهاد الكهربي الزائد. هذا الانهيار يؤدي الى تلف الكروت الالكترونية العصب الاساسي في تشغيل جميع الاجهزة الالكترونية وبالتالي يؤدي الى ضياع او تدمير معلومات غاية في الخطورة و الاهمية. يشكل الاجهاد الكهربي الزائد نسبة كبيرة (حوالي  40 %) من اسباب انهيار الالكترونيات الدقيقة. هذا الاجهاد يشتمل على عدة فروع- منها على سبيل المثال: البرق , الموجات الكهرومغناطيسية , الحالة الوسيطة العابرة بين الفتح والغلق, و التفريغ الالكتروستاتيكي. الاهتمام الاكبر بالنسبة للالكترونيات فائقة الدقة ينصب على الفرع الاخير- التفريغ الالكتروستاتيكي.

التفريغ الالكتروستاتيكي يعرف بأنه انتقال للشحنات الكهربية الساكنة من جسم مشحون الى جسم آخر غير مشحون. هذا الانتقال ينتج عنه تيار (يصل الى عدة امبيرات) او جهد (يقدر بعدة الاف من الفولتيات). وبالطبع تؤدى هذه الكميات الى تدمير فوري للالكترونيات الدقيقة اذا كانت طرفا من اطراف عملية التفريغ الالكتروستاتيكي.

مما سبق يتضح اننا في حاجة شديدة لانظمة حماية ضد التفريغ الالكتروستاتيكي و ذلك يكون في اتجاهين متوازيين. الاتجاه الاول يتمثل في التحكم في بيئة العمل التى تتعامل مع الالكترونيات الدقيقة, سواء في المصانع أو المكاتب أو الورش. أما الاتجاه الآخر فيتمثل في اضافة دوائر حماية ضد التفريغ الالكتروستاتيكي في داخل المكونات الالكترونية المعقدة مثل الدوائر المتكاملة. وهذا الاتجاه الأخير هو محور اهتمامنا في هذه الرسالة.

تهدف هذه الرسالة الى دراسة ظاهرة التفريغ الالكتروستاتيكي ونمذجة تأثيراتها المختلفة في المكونات الالكترونية الدقيقة خاصة نبائط سيليكون_فوق_أكسيد والتي اشتهر عنها عدم قدرتها على تحمل هذا الاجهاد.

تشتمل الرسالة على مقدمة و ثلاثة فصول وخاتمة كما يلي:-

الفصل الأول:  تناولنا ظاهرة التفريغ الإلكتروستاتيكي بالشرح والتحليل من كافة جوانبها – تعريفاتها المختلفة، نماذجها، أنواع التدمير الذي تؤدي إليه و كذلك تحليل الانهيار.  ثم امتدت الدراسة للمشاكل المتعلقة بحماية نبائط السليكون فوق العازل.

الفصل الثاني: تمت في هذا الفصل دراسة عناصر دوائر الحماية ضد أخطار التفريغ الإلكتروستاتيكي. درسنا الظاهرة وما تسببه من انهيار حراري للروابط الداخلية في الدوائر المتكاملة. ثم عملنا استعراض لأهم مكونات دوائر الحماية و استعرضنا النماذج السابقة المستخدمة في دراسة انهيار هذه المكونات وكيفية العمل على جعلها أكثر احتمالا لهذا الاجهاد.

الفصل الثالث:  تم في هذا الفصل عمل نموذج جديد لانهيار الروابط المعدنية الداخلية للدوائر المتكاملة مما يساعد في تصميمها بحيث يمكننا  الحصول على حماية أفضل ضد التفريغ الإلكتروستاتيكي. ثم عملنا دراسة مستفيضة لعنصرين من عناصر الحماية ضد التفريغ الإلكتروستاتيكي: العنصر الأول هو المقاومة المصنوع من أشباه الموصلات- حيث تم استحداث نموذج جديد لعملها عند مستويات التيار المختلفة . العنصر الثاني هو الوصلة الثنائية ذات البوابة والتي تحتوي على طبقة داخلية من شبه الموصل النقي-حيث تم عمل اضافة جديدة لتركيبها مما يؤدى الى كفاءة أكثر في استخدامها.

في خاتمة البحث تم تلخيص ما تم الحصول عليه من نتائج ثم سرد التوصيات التي يقترحها الباحث للعمل المستقبلي."