نانوالکترونیک و چالش‌های کوانتومی
نانوالکترونیک و چالش‌های کوانتومی
مقدمه
دنارد و همکارانش در مقاله‌ای که در سال 1974 میلادی منتشر کردند به پتانسیل بالای ترانزیستورهای MOS در کوچک شدن پی بردند. آن ها پیش‌بینی کردند که با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، سرعت آن ها افزایش و تلفات توان یا همان انرژی مصرفی آن ها کاهش می‌یابد. هم‌چنین اکنون می‌دانیم که کاهش ابعاد ترانزیستورها، موجب افزایش ظرفیت حافظه‌ها در همان ابعاد قبلی نیز می‌شود. (البته در سال 1974 هنوز کسی به ابعاد زیر 100 نانومتر یعنی محدوده‌ی مربوط به فناوری نانو فکر نمی‌کرد. ابعاد ترانزیستور در آن سال‌ها بیش از 0/4 میکرون یعنی 400 نانومتر بود.)
ملاحظه می‌کنیم که با وجود مزایایی که در کوچک کردن ابعاد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع متصور بود، اما این امر به سادگی میسر نبود و با محدودیت‌های گسترده‌ای روبرو بود. بخشی از این محدودیت‌ها به فناوری ساخت مدارهای مجتمع مربوط می‌شود که درباره‌ی آن در مقاله‌ی یازدهم نانوالکترونیک اشاراتی کردیم. همان طور که در آن مقاله گفتیم رفتار موجی نور در ابعاد کوچک، محدودیت‌هایی را در ساخت ترانزیستورها به روش لیتوگرافی نوری ایجاد می‌کند. اما بخشی از محدودیت‌های ورود به ابعاد کوچک و مخصوصا ابعاد زیر 100 نانومتر، به اتفاقات پیش‌بینی شده و پیش‌بینی نشده‌ای باز می‌گشت که ناشی از رفتار اتم‌ها در ابعاد کوچک است. ما این محدودیت‌ها را چالش‌های کوانتومی می‌نامیم و در این مقاله بیش‌تر راجع به این چالش‌ها صحبت می‌کنیم.
رفتار اتم‌ها در ابعاد کوچک:
مطالعه راجع به چگونگی ساختار اتم پیشینه‌ی طولانی دارد. اما می‌توان گفت تامسون اولین فردی بود که یک نظریه‌ی علمی راجع به ساختار اتم مطرح کرد. پس از او افراد دیگری با رفع اشکالات و تکمیل نواقص نظریه‌ی او دانش ما را راجع به ساختار اتم گسترده‌تر کردند. بور و رادرفورد دو نفر از این افراد هستند که با انجام آزمایش‌هایی نظریات قبلی را تکمیل کردند. اما هر کدام از این نظریات نیز با چالش‌هایی روبرو بودند و در توجیه برخی پدیده‌ها با محدودیت‌هایی روبرو بودند. با ورود نظریات گوناگون به حوزه‌ی ساختار اتم، نظریات قبلی بسیار متحول و دگرگون شد به گونه‌ای که اکنون نظریه‌ی کوانتومی راجع به ساختار اتم از مقبولیت بیش‌تری برخوردار است.
طبق نظریه‌ی کوانتومی، شعاع اتم محدوده‌ای اطراف آن است که احتمال حضور الکترون در آن بسیار زیاد (تقریبا 100 درصد) است. همان طور که ملاحظه می‌کنید، می‌گوییم احتمال حضور الکترون! این عدم اطمینان مطابق اصل عدم قطعیت که از اصول مورد پذیرش نظریه‌ی کوانتوم است، می‌باشد.
تصویر 1- نمایی از یک تفسیر کوانتومی از اتم هیدوروژن
ظهور آثار کوانتومی:
با کوچک شدن ابعاد ترانزیستور و ورود به محدوده‌ی زیر 100 نانومتر، رفتار تک تک اتم‌ها به تدریج قابل توجه و مهم می‌شود. با توجه به ابعاد اتم سیلیسیوم که حدود 46/1 آنگستروم (146/0 نانومتر ) است و با در نظر گرفتن فاصله‌ی پیوندهای بین اتمی به این نتیجه می‌رسیم که هنگامی که در ابعاد زیر 100 نانومتر قرار داریم، تنها با چند ده اتم سیلیسیوم سر و کار داریم.
کم شدن تعداد اتم‌های سیلیسیوم در ترانزیستور موجب می‌شود که مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل شود. چرا که اندکی نقص بلوری چه ناشی از اتم‌های سیلیسیوم و چه ناشی از اتم‌های ناخالصی که به سیلیسیوم افزوده شده، موجب تغییرات بسیار در رفتار الکتریکی ترانزیستور خواهد شد و ترانزیستور را از کاربری مورد نظر خارج می‌کند. (برای آشنایی با مفهوم نقص بلوری می‌توانید به بخش "مقالات مرتبط" این مقاله مراجعه کنید.)
با کوچک کردن تمامی ابعاد افقی و عمودی ترانزیستور، چگالی بار الکتریکی در نواحی گوناگون ترانزیستور افزایش می‌یابد یا به بیان دیگر تعداد بار الکتریکی در یکای سطح ترانزیستور زیاد می‌شود. این اتفاق دو پیامد منفی دارد: اولا با افزایش چگالی بار الکتریکی امکان تخلیه‌ی بار الکتریکی از نواحی عایق ترانزیستور افزایش می‌یابد و این اتفاق موجب آسیب رسیدن به ترانزیستور و خرابی آن می‌شود. (این اتفاق مشابه تخلیه‌ی بار الکتریکی اضافی بین ابر و زمین در پدیده‌ی آذرخش یا صاعقه است که موجب یونیزه شدن مولکول‌های هوا به یون‌های منفی و مثبت می‌شود.)
تصویر2- تخلیه بار الکتریکی بین ابر و زمین
ثانیا با افزایش چگالی بار الکتریکی، ممکن است الکترون‌ها تحت تاثیر نیروهای رانشی یا ربایشی که هم اکنون مقدار آن افزایش یافته، از محدوده‌ی شعاع یک اتم خارج شوند و به محدوده‌ی شعاع اتم مجاور وارد شوند. این اتفاق را در فیزیک کوانتوم، تونل زدن می‌گویند. تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور، پدیده‌ای است که در ابعاد کوچک بین الکترون‌ها بسیار اتفاق می‌افتد. این پدیده اساس کار بعضی قطعات الکترونیکی و بعضی نانوسکوپ‌ها هم هست.
تصویر3- نوک "میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی" بر اساس پدیده‌ی تونل زدن الکترون‌ها کار می‌کند
اما در ترانزستور این پدیده، پدیده‌ی مفیدی نیست، چرا که تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور ممکن است هم‌چنان ادامه یابد و یک جریان الکتریکی را موجب شود. این جریان الکتریکی اگر چه ممکن است بسیار کوچک باشد اما چون ناخواسته و پیش‌بینی نشده می‌باشد، همچون یک مسیر نشتی برای جریان الکتریکی رفتار می‌کند و موجب تغییر رفتار الکتریکی ترانزیستور می‌شود.
نتیجه
کوچک کردن ترانزیستورها و ورود به ابعاد زیر 100 نانومتر (محدوده‌ی عملکرد فناوری نانو) اگر چه مزایای بسیاری دارد اما با چالش‌های گوناگونی روبرو است. ما در مقاله‌ی یازدهم نانو الکترونیک به برخی چالش‌های مربوط به فناوری ساخت مدارات الکترونیکی در این ابعاد اشاره کردیم و در این مقاله نیز برخی چالش‌های فرا روی دانشمندان و مهندسین الکترونیک را در این امر بیان کردیم. علاوه بر چالش‌های بیان شده، مسائل و دشواری‌های دیگری نیز وجود دارد که درک آن ها مستلزم کنکاش عمیق‌تر این دانش است. این دشواری‌ها و چالش‌ها موضوع پژوهش‌های بسیاری است که دانشمندان و غول‌های صنعت الکترونیک در پی حل آن ها هستند.
منبع:http://edu.nano.ir
