برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۹/۰۱ تا ۱۳۹۹/۰۹/۰۷

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۹,۶۶۱
  • بازدید این ماه ۱۸
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۱۰
  • قبول شدگان ۲۱۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۵۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۵
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

ترانزیستورهای حالت جامد اثر کوانتومی

در این مقاله به بررسی ترانزیستورهای در مقیاس نانو برای استفاده در کامپیوترهای با مدار مجتمع الکترونیکی بسیار فشرده می‌پردازیم. به منظور کوچک سازی بیشتر اجزای مدار به مقیاس نانو، شاید حتی مقیاس مولکولی، محققان چندین جایگزین برای ترانزیستور در مدار فوق فشرده، پیشنهاد داده‌اند. این وسایل الکترونیک نانومقیاس شبیه ترانزیستورهای حال حاضر، هم به عنوان سوئیچ و هم به عنوان تقویت کننده عمل می‌کنند. اما، بر خلاف ترانزیستورهای اثر میدانی امروزی، که بر اساس حرکت توده الکترون در ماده حجیم عمل می‌کند، وسیله جدید، از پدیده‌های مکانیک کوانتومی سود می‌برد که در مقیاس نانو اتفاق می‌افتد. در این مقاله ابتدا ترانزیستورهای معمول مورد بررسی قرار می‌گیرد و محدودیت‌های آن و مشکلات کوچکترسازی آنها مطرح می‌شود و برای حل این مشکل ترانزیستورهای حالت جامد که از اثرات کوانتومی در مقیاس نانو بهره می‌گیرند، پیشنهاد می‌شود و از این میان، نمونه ترانزیستور تونل زنی رزونانسی بحث خواهد شد.

1- مقدمه
در 50 سال اخیر، کامپیوترهای الکترونیکی، خیلی قدرتمندتر از گذشته شده و ترانزیستورها به تدریج کوچکتر گردیده‌اند. به هر حال، کاهش در اندازه ترانزیستورهای اثر میدانی حال حاضر، در زمانی نه چندان دور به علت اثرات مکانیک کوانتومی و محدودیت تکنیک‌های ساخت، غیر ممکن خواهد بود. بسیاری از محققان که در زمینه پروژه‌های الکترونیک نسل بعدی کار می‌کنند، تاکید دارند که در سال‌های آینده همین که تولید انبوه ترانزیستور از اندازه فعلی شان تا زیر 100 نانومتر کاهش می‌یابد، ساخت وسیله مشکل و گران می شود. به علاوه، دیگر نمی توانند به صورت مدار مجتمع فوق فشرده، به خوبی عمل کنند. برای غلبه بر این مشکل، اساسا دو کلاس اصلی از سوییچ های نانوالکترونیک مطرح هستند که به عنوان تقویت کننده نیز به کار می روند.
• وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
• وسایل الکترونیک مولکولی
وسایل در هر دو کلاس از اثرات کوانتومی متفاوت در مقیاس نانو بهره می‌برند.
ساخت وسیله نانوالکترونیک اثر کوانتومی در حالت جامد، رهیافتی است که توسط بیشتر گروه های تحقیقاتی، در پیش گرفته شده است. این روش، وسیله جدید را بر اساس مواد نیمه رسانایی که سابقا استفاده می‌شده است را با ساختار جدید، پیشنهاد می‌کند. الکترونیک مولکولی رهیافت نوینی دیگری است که هم اساس کار و هم مواد مورد استفاده را تغییر می‌دهد. محرک چنین رویکردی این است که ساختار مولکول خود در مقیاس نانومتر است. در اینجا ابتدا ساختار ترانزیستور امروزی را تشریح و محدودیت‌های کوچک سازی بیشتر آن را بررسی می کنیم و سپس از رویکرد وسایل اثر کوانتومی حالت جامد، به نوع تونل زنی رزونانسی آن، می‌پردازیم.

2-ساختار و عملکرد MOSFET
از زمانی که شاتکی در سال 1954، ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز((Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect transistor (MOSFET) را ارائه داد، متدوال‌ترین ترانزیستورهای مدارهای دیجیتال میکروالکترونیک بوده اند. مدار طراحی شده MOSFET توان اندکی را مصرف می‌کند و ساخت آن از نظر اقتصادی با صرفه است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ترانزیستور اثر میدانی، 3 خروجی دارد که چشمه، درین(Drain)، و گیت(Gate) نامیده می‌شوند.

عنوان : طراحی و ساخت ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله های کربنی(CNT-FET)

توضیحات : ساخت ترانزیستورها در نیمه قرن بیستم، تحول شگرفی را در صنایع الکترونیک و مدارهای مجتمع و غیرمجتمع و پردازنده های کامپیوتری ایجاد نموده است. یکی از انواع ترانزیستورهای اثر میدانی،ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله های کربنی(CNT-FET) است که شامل یک نانولوله کربنی تک جداره، روی فیلم اکسیدی(گیت) با ضخامت چندده نانومتر، در بالای قرص نیمه هادی قرار گرفته است. با اعمال ولتاژ به گیت، نانولوله می تواند از حالت رسانایی به حالت عایق سوئیچ کرده و بعنوان صفحات خازن عمل کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1 :طراحی و ساخت ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله های کربنی

اگر چه طراحی جدیدی (وسیله تونل زنی رزونانسی) که در اینجا برای وسیله سوئیچ کننده الکترونیکی نانومقیاس بحث می‌شود اصول عملکردی متفاوتی نسبت به MOSFET دارد، دارای مشترکات ضروری چشمه، درین، و معمولا گیت با نقش مفهومی مشابه MOSFET می‌باشند. کانالی که در آن جریان از چشمه به درین انتقال پیدا می‌کند به طور چشمگیری تغییر می‌کند تا گذار به سمت نانو الکترونیک ممکن شود.

عنوان : عملکرد ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله های کربنی(CNT-FET)

توضیحات : در ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله های کربنی(CNT-FET)، در اثر خمیدگی نوارهای نانولوله کربنی نیمه هادی در تماس با منبع و درین(Drain)، اختلاف در انرژی خروجی حاصل می شود(مشابه نیمه هادی های متداول-فلز). چنانچه ولتاژ گیت مثبت باشد، با تخلیه حامل ها هدایت الکتریکی کاهش می یابد و اگر ولتاژ منفی باشد، هدایت الکتریکی در اثر انباشتگی حفرات افزایش می یابد و به این ترتیب، نانولوله میتواند از حالت رسانایی به عایق سوئیچ کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2 : عملکرد ترانزیستور اثرمیدانی نانولوله‌های کربنی(CNT-FET)

 بنابراین، برای معرفی اجزای وسیله و مقایسه با تکنولوژی نانو مقیاس، به صورت خلاصه عملکرد MOSFET را توضیح می‌دهیم.
نام ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز از مواد تشکیل دهنده آن نشئت می‌گیرد. MOSFETها بر اساس زیر لایه های کریستالی از نیمه رسانای سیلیکونی آلاییده شده به مواد دیگر، ساخته می‌شوند. از آنجاییکه سیلیکون خالص، نیمه رسانای بسیار ضعیفی است، بنابراین ناخالصی‌هایی مانند برون و آرسنیک، به سیلیکون اضافه می‌شود که بارهای مثبت و منفی آزاد بیشتر ایجاد می‌کند. سیلیکون آلاییده شده به صورت منفی (آلاییده نوع N)، شامل الکترون‌های آزادی هستند که قادرند که در طی نیمه رسانای حجیم حرکت کنند. آلایش مثبت (آلاییده نوع P) سیلیکون، شامل حفره هایی (جای خالی الکترون) است که به عنوان بار مثبت عمل می‌کند که آزادانه حرکت می‌کند.
الکترود فلزی که به عنوان گیتِ MOSFET استفاده می‌شود با واسطه‌ی سد اکسیدی عایق، از نیمه‌رسانای پایین خود جدا می‌شود. میدان الکتریکی مرتبط با الکترود گیت، شار جریان از چشمه به درین را کنترل می‌کند و به این دلیل است که وسیله اثر میدانی نامیده می‌شود. وقتی ولتاژ اعمالی روی گیت پایین است، نیمه رسانای بین چشمه و درین مقدار کمی جریان را عبور می‌دهد. این در شکل b1 نشان داده شده است. اما ، همانطور که در قسمت c1 نشان داده شده، افزایش این ولتاژ الکترون‌ها را در ناحیه زیر گیت جمع می‌کند و کانال باز شده اجازه می‌دهد مجموعه‌ای از الکترون‌ها از چشمه به سمت درین شارش یابد، که باعث افزایش چشمگیر جریان می‌شود.
تغییر کوچک ولتاژ گیت، تغییر زیادی را در رسانش ایجاد می‌کند و این تغییر چشمگیر در رسانش، MOSFET را یک وسیله دو وضعیتی می‌کند. از این روMOSFET را می‌توان به عنوان تقویت کننده نیز استفاده کرد، که در آن حالت می‌تواند جریان را در یک مدار تقویت کند. وسایل نانوالکترونیک برای استفاده برای کامپیوتر نیز باید دارای دو نقش یعنی دو وضعیتی بودن(سویچینگ) و تقویت کننده باشد.
در گذشته، متداول‌ترین راه برای ساخت مدار کوچکتر الکترونیکی، کوچک کردن تمام ابعاد اجزای مدار با فاکتور ثابت بوده است که فرآیند تغییر اندازه (Scaling) نام دارد. تغییر اندازه به صورت نرخ نمایی پیش می‌رود، که از زمان اختراع مدار مجتمع توسط کیبلی در سال 1958 این افزایش در تعداد ترانزیستورها روی تراشه، هر 18 ماه دو برابر شده است. به هر حال، همین که MOSFET به اندازه 100 نانو متر و کمتر میرسد، صرفه اقتصادی تغییر اندازه مدار فشرده، رو به کاهش می‌رود.

filereader.php?p1=main_991ae20d3ff798a6f
شکل 1-ساختار و عملکرد MOSFET

3-مشکلات در کوچکترسازی بیشترFET
امروزه ترانزیستورهای منفرد با طول گیت 40 نانومتر با سیلیکون ساخته شده است. ترانزیستور‌های با طول گیت کمتر از 25 نانومتر نیز با گالیم آرسناید ساخته شده است. در شبکه فشرده چنین ترانزیستورهایی، جریان انتقالی به ترانزیستور به دلیل نازکترشدن سیم رابط، کاهش می‌یابد این یکی از موانع موجود در مقابل کوچک‌سازی است که به ساختار ترانزیستور مربوط نمی‌شود.
تعدادی از موانعی که تغییر اندازه FET(Field Effect Transistor) با آن مواجه است در پایین آمده است:
• بدلیل اینکه ولتاژ بایاس بر روی فاصله کمی اعمال می‌شود میدان قوی است و جریان آنی الکترون اتفاق می‌افتد که می تواند موجب شکست بهمنی (افزایش یکباره جریانی که عبور آن در توان نیمه رسانا نیست و در پی آن سوختن وسیله را به همراه دارد) شود. این مساله باعث بوجود آمدن مشکل جدی، در تبدیل نیمه رسانای حجیم به وسیله نانوالکترونیک می‌شود.
• ترانزیستور تا حدی می‌تواند گرما را تحمل کند و گرمای زیاد موجب نقص عملکرد آن می‌شود. برای وسیله نانو مقیاس این موضوع جدی‌تر است.
• نایکنواختی نیمه رسانای آلاییده شده در مقیاس کوچک. این مشکل با آلاییده نکردن نیمه رسانا و یا استفاده از اتم‌های آلاییده در آرایه بسیار مرتب قابل حل است. استفاده از نانوالکترونیک مولکولی راه حل دیگر است.
• افت حجمی ناحیه تهی. وسایل نانو مقیاس به قدری نازک می شوند که وقتی وسیله خاموش است نمی‌توان از تونل زنی کنترل نشده الکترون‌ها از چشمه به درین، جلوگیری کرد.
• افت حجمی و ناهمواری لایه اکسیدی نازک زیر گیتی که عامل جلوگیری نشت الکترون از گیت به درین است، باعث تونل زنی کنترل نشده می‌شود.

4-وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
تعدادی جایگزین برای ترانزیستورهای نیمه رسانای حالت حجیم حفظ عملکرد آنها در مقیاس نانو پیشنهاد شده است که از اثرات کوانتومی بهره می‌گیرند و بر مشکلات بالا فائق می‌آید. ساختار ضروری که تمام این وسایل از آن بهره می‌برند، جزیره (ناحیه محصور شده بین عایق برای جلوگیری از اثر تونل زنی در ترانزیستور) کوچکی متشکل از نیمه رسانا و یا فلز است که محدود شده اند. این جزیره در وسیله نانوالکترونیک نقشی را شبیه به آنچه کانال جریان در FET بازی می کند، دارد و با ساختن چاه پتانسیل در کانال زیر گیت، عبور جریان از چشمه به درین را امکان پذیر می کند. میزان محدودیت الکترون در جزیره، نوع وسیله نانوالکترونیک حالت جامد را با طبقه‌بندی زیر معین می‌کند:

• نقاط کوانتومی: الکترون‌ها در جزیره، دارای صفر درجه آزادی هستند.
• وسیله تونل زنی رزونانس: الکترون در جزیره، دارای یک یا دو درجه آزادی هستند.
• ترانزیستورهای تک الکترونی: الکترون‌ها دارای 3 درجه آزادی هستند.
ترکیب، شکل، و اندازه جزیره، انواع مختلفی از وسیله نانو الکترونیک را می‌دهد. در بحث‌های بعدی به بررسی وسیله نوع دوم یعنی تونل زنی رزونانس می‌پردازیم.

5-جزایر، چاه پتانسیل، و اثر کوانتومی
کمترین اندازه جزیره در وسیله نانو الکترونیک از 5 تا 100 نانومتر است. جزیره می‌تواند شامل ناحیه کوچک و یا لایه متفاوت از مواد اطرافش باشد. اغلب، جزیره در بین دیواره‌ایی از مواد دیگر مثلا اکسید عایق قرار می‌گیرد. در بیشتر موارد، جزیره با سد انرژی پتانسیل، که از حرکت الکترون‌ها به داخل و خارج ناحیه جزیره ممانعت می‌کند، محدود شده است. این مطلب در شکل 2 نشان داده شده است.
filereader.php?p1=main_89258bf9d19e02ca8
شکل2 - ساختار و موقعیت جزیره نسبت به چشمه و درین

دو اثر ضروری مکانیک کوانتومی با محدودشدن الکترون در جزیره نانومقیاس بین سد انرژی پتانسیل بروز می‌کند. اولا، مکانیک کوانتومی انرژی هر الکترون را به تراز معینی از انرژی محدود می‌کند. هرچه فاصله بین سدها کوچکر باشد (جزیره ها کوچک باشند)، فضای بیشتری برای تراز انرژی برای الکترون‌های داخل چاه پتانسیل در داخل سد وجود دارد. در شکل 2،є Δ برای نشان دادن فاصله بین دو تراز انرژی در چنین چاه پتانسیلی است.
ثانیا، چون سد پتانسیل به اندازه کافی نازک است (تقریبا 5 تا 10 نانومتر و یا کمتر، بر اساس ارتفاع سد)، تراز انرژی اشغال شده الکترون‌ها که پایین‌تر از ارتفاع سد است احتمال محدودی برای تونل‌زنی از میان سد برای آمدن و خارج شدن به جزیره را ایجاد می‌کند. برای الکترون با انرژی مفروض برای تونل‌زنی از میان سد، باید یک حالت خالی با انرژی یکسانی در طرف دیگر سد وجود داشته باشد.
این دو اثر، کوانتیزه شدن انرژی و تونل‌زنی، به شدت جریان الکترونی از میان وسایل نانوالکترونیک را تحت تاثیر قرار می‌دهند. وقتی که ولتاژ بایاس بر جزیره اعمال می‌شود، الکترون های سیار را در باند رسانش ناحیه چشمه، ایجاد می‌کند که تلاش می‌کنند از میان چاه پتانسیل در ناحیه جزیره عبور کنند و به ناحیه با پتانسیل کمتر در ناحیه درین برسند. تنها راه برای الکترون‌ها برای عبور از میان وسیله، تونل زدن به خارج و یا به درون جزیره از طریق سدهای پتانسیلی که جزیره را تعریف و آن را از چشمه و درین جدا می سازند، می باشد. اما تونل‌زنی و جریان بار به درین وقتی اتفاق می‌افتد که تراز انرژی غیراشغالی در چاه وجود داشته باشد که با یکی از ترازهای انرژی اشغال شده در باند چشمه ( مجموعه ترازهای تقریبا پیوسته)، جفت شود.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، باند انرژی مشابهی، الکترون‌های رسانش درین را نیز در بر می‌گیرد، و معمولا حالت‌های کوانتومی تک الکترونی اشغال نشده زیادی در انرژی‌های بالای این باند در دسترس است. بنابراین وقتی که یک الکترون قادر است از چشمه به جزیره تحت ولتاژ (بایاس) تونل بزند، معمولا آزاد است که مسیر خود را یک بار دیگر از طریق تونل زنی از چاه به درین کامل کند.

6-ترانزیستور تونلی رزونانس (RTT)
برای عملکرد وسیله تونل‌زنی رزونانس مهم است که انرژی حالت‌های کوانتومی در چاه پتانسیل در جزیره با انرژی باندهای چشمه و درین به صورت نسبی منطبق باشد. مثال این نوع در شکل 3 نشان داده شده است. در شکل 3a، وسیله با دو خروجی نشان داده شده است. افزایش ولتاژ اعمالی به صورت فزاینده‌ایی انرژی تمام حالت‌ها را در چاه نسبت به انرژی الکترون در چشمه، پایین می‌آورد. این در شکل 3b و 3c نشان داده شده است.
 
filereader.php?p1=main_6939a0053d2169962
شکل 3-ساختار و عملکرد RTD

وقتی که پتانسیل به قدری است که انرژی حالت کوانتومی اشغال نشده تک الکترونی در داخل چاه را به قدری پایین بیاورد که در حد انرژی تراز رسانش چشمه قرار گیرد، گفته می‌شود که چاه کوانتومی در حالت رزونانس و یا روشن قرار دارد، و جریان می‌تواند به داخل جزیره شارش یابد و بعد از آن به سمت درین خارج شود. این در شکل 3b نشان داده شده است. از طرف دیگر وقتی که وسیله در حالت غیر رزونانسی است، جریان مسدود می‌شود و وسیله در حالت خاموش قرار می گیرد (شکل 3b). این استفاده از بایاس اعمال شده برای سوئیچ جریان تونلی روشن و خاموش، عملکرد وسیله تونل‌زنی رزونانس را نشان می‌دهد که دیود تونل‌زنی رزونانس resonant tunneling Diode (RTD) نامیده می‌شود.
به جای اعمال ولتاژ بر روی چشمه می‌توان با تغییر ولتاژ روی خروجی سوم (گیت)، حالت رزونانسی و غیر رزونانسی را ایجاد کرد. این در شکل 4 نشان داده شده است. در این پیکربندی، 3 خروجی در شکل 4a نشان داده شده است. در ترانزیستور تونلی رزونانس resonant tunneling transistor (RTT)، یک ولتاژ گیت کوچک، می‌تواند جریان زیادی را از وسیله عبور دهد (شکل 4b,4c). بنابراین، یک RTT می‌تواند به عنوان سوئیچ و تقویت‌کننده به کار رود، درست مانند MOSFET مرسوم که در بالا توصیف شد.
filereader.php?p1=main_71bc9f70f02cad62c
شکل4-ساختار و عملکرد RTT

RTDها وRTTها می‌توانند بر اساس ترازهای انرژی گسسته در داخل چاه پتانسیل دارای روشن و خاموش چند گانه باشند (چندین حالت رزونانس). اگر این ترازها در فاصله به اندازه کافی نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند ( به این که معنی єΔ بزرگتر از اختلاف انرژی بین لبه باند و تراز فرمی چشمه باشد) همین که ولتاژ بایاس (یا ولتاژ گیت) افزایش یابد هر کدام از ترازهای متفاوت در چاه را می‌توان به صورت متوالی در حالت رزونانس و خارج رزونانس نسبت به باند رسانش چشمه قرار داد.
این حالت چندگانه برای یک RTD در شکل 5 نشان داده شده است. قله موجود در تصویر متناسب است با جهت‌گیری تراز انرژی در چاه با قسمت اشغال شده از باند رسانش چشمه. همین که ولتاژ بین قله‌ها در منحنی تغییر می کند جریان به سمت قطع شدن، می‌رود و انرژی تراز کوانتومی در چاه، پایین تر از لبه باند رسانش چشمه قرار می‌گیرد.

filereader.php?p1=main_c76a50a1e54e987f6
شکل 5- نمای RRT با دو وضعیت رزونانسی

دو قله جریان در شکل 5b متناسب با رزونانس حالت‌های انرژی در چاه پتانسیل نشان داده شده در قسمت 5a است. رفتار چند حالته ترانزیستوری را می‌توان با تغییر ولتاژ گیت در RTT بدست آورد. وقتی از چنین وسیله چند حالته نسبت به MOSFET های دوحالته استفاده می‌شود، مداری با فشردگی بالاتر در عملکرد منطقی به ازای هر وسیله سویچ کننده، خواهیم داشت. (گرمای کمتری به ازای عملکرد ایجاد میشود، که یکی از مشکلات کوچک‌سازی برشمرده شده ترانزیستور را حل می‌کند).

7-نتیجه‌گیری
با وجود پیشرفت های اخیر در ساخت وسایل نانوالکترونیکMOSFET، چالش‌هایی نیز باقی مانده است. برای نانوالکترونیک حالت جامد، یکی از مهم‌ترین چالش‌ها یکنواختی سطح و خصوصیات وسیله در مقیاس نانو می‌باشدکه در نانوالکترونیک نیاز است، جزایر نانومقیاس، سدها، اتصال بین سد و جزیره از آن جمله‌اند. RTDو RTT تنها نمونه‌هایی از این وسایل هستند که می‌توانند خصوصیات مورد نیاز را برآورده کنند. اما با این وجود به نظر می‌رسد که نانوالکترونیک سیلیکونی، راه طولانی را در پیش دارد و باید در آن محدودیت‌های ترمودینامیک و مکانیک کوانتومی، رفع شود و همچنین موانعی چون قیمت بالای محصول تمام شده نیز دارای اهمیت است. در این صورت است که انقلاب بزرگ از میکروالکترونیک به نانوالکترونیک می‌تواند رخ دهد.
 

منابـــع و مراجــــع

Goldber-gordon, D., Montemerlo, S., Christofer, J., Opteck, G., Ellenbogen C. , “Overview of Nanoelectronic Device”, McLean , USA: Mitre Corporation (April 1997) .