شرکت مهندسی نانو آداک

1- مقدمه
در 50 سال اخیر، کامپیوترهای الکترونیکی، خیلی قدرتمندتر از گذشته شده و ترانزیستورها به تدریج کوچکتر گردیده اند. به هر حال، کاهش در اندازه ترانزیستورهای اثر میدانی حال حاضر، در زمانی نه چندان دور به علت اثرات مکانیک کوانتومی و محدودیت تکنیک های ساخت، غیر ممکن خواهد بود. بسیاری از محققان که در زمینه پروژه های الکترونیک نسل بعدی کار می کنند، تاکید دارند که در سال های آینده همین که تولید انبوه ترانزیستور از اندازه فعلی شان تا زیر 100 نانومتر کاهش می یابد، 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 می برند.
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 می شده است را با ساختار جدید، پیشنهاد می کند. الکترونیک مولکولی رهیافت نوینی دیگری است که هم اساس کار و هم مواد مورد استفاده را تغییر می دهد. محرک چنین رویکردی این است که ساختار مولکول خود در مقیاس نانومتر است. در اینجا ابتدا ساختار ترانزیستور امروزی را تشریح و محدودیت های کوچک سازی بیشتر آن را بررسی می کنیم و سپس از رویکرد وسایل اثر کوانتومی حالت جامد، به نوع تونل زنی رزونانسی آن، می پردازیم.

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، متدوال ترین ترانزیستورهای مدارهای دیجیتال میکروالکترونیک بوده اند. مدار طراحی شده MOSFET توان اندکی را مصرف می کند 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 می شوند. اگر چه طراحی جدیدی(وسیله تونل زنی رزونانسی) که در اینجا برای وسیله سوئیچ کننده الکترونیکی نانومقیاس بحث می شود اصول عملکردی متفاوتی نسبت به MOSFET دارد، دارای مشترکات ضروری چشمه، درین، و معمولا گیت با نقش مفهومی مشابه MOSFET می باشند. کانالی که در آن جریان از چشمه به درین انتقال پیدا می کند به طور چشمگیری تغییر می کند تا گذار به سمت نانو الکترونیک ممکن شود. بنابراین، برای معرفی اجزای وسیله و مقایسه با تکنولوژی نانو مقیاس، به صورت خلاصه عملکرد MOSFET را توضیح می دهیم.
نام ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز از مواد تشکیل دهنده آن نشئت می گیرد. MOSFETها بر اساس زیر لایه های کریستالی از نیمه رسانای سیلیکونی آلاییده شده به مواد دیگر، ساخته می شوند. از آنجاییکه سیلیکون خالص، نیمه رسانای بسیار ضعیفی است، بنابراین ناخالصی هایی مانند برون و آرسنیک، به سیلیکون اضافه می شود که بارهای مثبت و منفی آزاد بیشتر ایجاد می کند. سیلیکون آلاییده شده به صورت منفی (آلاییده نوع N)، شامل الکترون های 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 می کند که آزادانه حرکت می کند.
الکترود فلزی که به عنوان گیتِ MOSFET استفاده می شود با واسطه¬ی سد اکسیدی عایق، از نیمه¬رسانای پایین خود جدا می¬شود. میدان الکتریکی مرتبط با الکترود گیت، شار جریان از چشمه به درین را کنترل می¬کند و به این دلیل است که وسیله اثر میدانی نامیده می شود. وقتی ولتاژ اعمالی روی گیت پایین است، نیمه رسانای بین چشمه و درین مقدار کمی جریان را عبور می دهد. این در شکل b₁ نشان داده شده است. اما ، همانطور که در قسمت c₁ نشان داده شده، افزایش این ولتاژ الکترون ها را در ناحیه زیر گیت جمع می کند و کانال باز شده اجازه می دهد مجموعه ای از الکترون ها از چشمه به سمت درین شارش یابد، که باعث افزایش چشمگیر جریان می شود.
تغییر کوچک ولتاژ گیت، تغییر زیادی را در رسانش ایجاد می کند و این تغییر چشمگیر در رسانش، MOSFET را یک وسیله دو وضعیتی می کند. از این روMOSFET را می توان به عنوان تقویت کننده نیز استفاده کرد، که در آن حالت می تواند 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، متداول ترین 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 می رود، 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 می رسد، صرفه اقتصادی تغییر اندازه مدار فشرده، رو به کاهش می رود.

                                                      شکل 1-ساختار و عملکرد MOSFET

3-مشکلات در کوچکترسازی بیشترFET
امروزه ترانزیستور های منفرد با طول گیت 40 نانومتر با سیلیکون ساخته شده است. ترانزیستور های 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 می یابد این یکی از موانع موجود در مقابل کوچک سازی است که به ساختار ترانزیستور مربوط نمی شود.
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 می شود میدان قوی است و جریان آنی الکترون اتفاق می افتد 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 می شود.
• ترانزیستور تا حدی می تواند گرما را تحمل کند و گرمای زیاد موجب نقص عملکرد آن می شود. برای وسیله نانو مقیاس این موضوع جدی تر است.
• نایکنواختی نیمه رسانای آلاییده شده در مقیاس کوچک. این مشکل با آلاییده نکردن نیمه رسانا و یا استفاده از اتم های 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 نمی توان از تونل زنی کنترل نشده الکترون ها 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 می شود.

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 می گیرند و بر مشکلات بالا فائق می آید. ساختار ضروری که تمام این وسایل از آن بهره می برند، 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 طبقه بندی زیر معین می کند:

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

5-جزایر، چاه پتانسیل، و اثر کوانتومی
کمترین اندازه جزیره در وسیله نانو الکترونیک از 5 تا 100 نانومتر است. جزیره می تواند شامل ناحیه کوچک و یا لایه متفاوت از مواد اطرافش باشد. اغلب، جزیره در بین دیواره ایی از مواد دیگر مثلا اکسید عایق قرار می گیرد. در بیشتر موارد، جزیره با سد انرژی پتانسیل، که از حرکت الکترون ها به داخل و خارج ناحیه جزیره ممانعت می کند، محدود شده است. این مطلب در شکل 2 نشان داده شده است.

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 می کند. اولا، مکانیک کوانتومی انرژی هر الکترون را به تراز معینی از انرژی محدود می کند. هرچه فاصله بین سدها کوچکر باشد (جزیره ها کوچک باشند)، فضای بیشتری برای تراز انرژی برای الکترون های 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 الکترون ها که پایین تر از ارتفاع سد است احتمال محدودی برای تونل زنی از میان سد برای آمدن و خارج شدن به جزیره را ایجاد می کند. برای الکترون با انرژی مفروض برای تونل زنی از میان سد، باید یک حالت خالی با انرژی یکسانی در طرف دیگر سد وجود داشته باشد.
این دو اثر، کوانتیزه شدن انرژی و تونل زنی، به شدت جریان الکترونی از میان وسایل نانوالکترونیک را تحت تاثیر قرار می دهند. وقتی که ولتاژ بایاس بر جزیره اعمال می شود، الکترون های سیار را در باند رسانش ناحیه چشمه، ایجاد می کند که تلاش می کنند از میان چاه پتانسیل در ناحیه جزیره عبور کنند و به ناحیه با پتانسیل کمتر در ناحیه درین برسند. تنها راه برای الکترون ها برای عبور از میان وسیله، تونل زدن به خارج و یا به درون جزیره از طریق سد های پتانسیلی که جزیره را تعریف و آن را از چشمه و درین جدا می سازند، می باشد. اما تونل¬زنی و جریان بار به درین وقتی اتفاق می افتد 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، الکترون های رسانش درین را نیز در بر می-گیرد، و معمولا حالت های کوانتومی تک الکترونی اشغال نشده زیادی در انرژی های 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 تونل زنی رزونانس مهم است که انرژی حالت های 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 شکل3a، وسیله با دو خروجی نشان داده شده است. افزایش ولتاژ اعمالی به صورت فزاینده ایی انرژی تمام حالت ها را در چاه نسبت به انرژی الکترون در چشمه، پایین می آورد. این در شکل3bو3cنشان داده شده است.
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 می شود که چاه کوانتومی در حالت رزونانس و یا روشن قرار دارد، و جریان می تواند 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 می شود 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 تونل زنی رزونانس را نشان می دهد که دیود تونل زنی رزونانسresonant tunneling Diode (RTD) نامیده می شود.
به جای اعمال ولتاژ بر روی چشمه می توان 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 رزونانسresonant tunneling transistor (RTT) ، یک ولتاژ گیت کوچک، می تواند جریان زیادی را از وسیله عبور دهد(شکل 4b,4c). بنابراین، یک RTTمی تواند به عنوان سوئیچ و تقویت کننده به کار رود، درست مانند MOSFET مرسوم که در بالا توصیف شد.

                                       شکل4-ساختار و عملکرد RTT

RTDها وRTTها می توانند 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 معنیє Δبزرگتر 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 می توان به صورت متوالی در حالت رزونانس و خارج رزونانس نسبت به باند رسانش چشمه قرار داد.
این حالت چند گانه برای یک RTD در شکل 5 نشان داده شده است. قله موجود در تصویر متناسب است با جهت گیری تراز انرژی در چاه با قسمت اشغال شده از باند رسانش چشمه. همین که ولتاژ بین قله ها در منحنی تغییر می کند جریان به سمت قطع شدن، می رود و انرژی تراز کوانتومی در چاه، پایین تر از لبه باند رسانش چشمه قرار می گیرد.

                                 شکل 5- نمای RRT با دو وضعیت رزونانسی

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

7-نتیجه گیری
با وجود پیشرفت های اخیر در ساخت وسایل نانوالکترونیکMOSFET، چالش هایی نیز باقی مانده است. برای نانوالکترونیک حالت جامد، یکی از مهمترین چالش ها یکنواختی سطح و خصوصیات وسیله در مقیاس نانو می باشدکه در نانوالکترونیک نیاز است، جزایر نانومقیاس، سدها، اتصال بین سد و جزیره از آن جمله-اند.RTDوRTT تنها نمونه هایی از این وسایل هستند که می توانند خصوصیات مورد نیاز را برآورده کنند. اما با این وجود به نظر می رسد که نانوالکترونیک سیلیکونی، راه طولانی را در پیش دارد و باید در آن محدودیت-های 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 می تواند رخ دهد.

منابـــــع :

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