1. ترانزیستورهای حالت جامد اثر کوانتومی
سیدحسین رضوی فهیمه بهزادی
ترانزیستورهای حالت جامد اثر کوانتومی

2. کاربردهای فناوری نانو
نانوقطعات الکترونیکی و نوری
اول

3. 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، این ترانزیستورها متداول‌ترین ترانزیستورهای مدارهای دیجیتال میکروالکترونیک بوده‌اند.
ترانزیستور اثر میدانی، سه خروجی دارد که چشمه، درین (Drain)، و گیت (Gate) نامیده می‌شوند.

4. ساختار و عملکرد MOSFET
سیلیکون آلاییده شده به صورت منفی (آلاییده نوع N)، شامل الکترون‌های آزادی هستند که قادرند که در طی نیمه‌رسانای 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.

5. ساختار و عملکرد MOSFET
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، نیمه‌رسانای بین چشمه و درین مقدار کمی جریان را عبور می‌دهد.

6. ساختار و عملکرد MOSFET
افزایش ولتاژ، الکترون‌ها را در ناحیه زیر گیت جمع می‌کند.
کانال باز شده اجازه می‌دهد مجموعه‌ای از الکترون‌ها از چشمه به سمت درین شارش یابد.
این امر باعث افزایش چشمگیر جریان می‌شود.

7. ساختار و عملکرد MOSFET
تغییر کوچک ولتاژ گیت، تغییر زیادی را در رسانش ایجاد می‌کند و این تغییر چشمگیر در رسانش، MOSFET را یک وسیله دو وضعیتی می‌کند.
MOSFET را می‌توان به عنوان تقویت‌کننده نیز استفاده کرد، که در آن حالت می‌تواند جریان را در یک مدار تقویت کند.
وسایل نانوالکترونیک مورد استفاده برای کامپیوتر نیز باید دارای دو نقش، یعنی دو وضعیتی‌بودن(سویچینگ) و تقویت‌کننده باشد.

8. ساختار و عملکرد MOSFET
در گذشته، متداول‌ترین راه برای ساخت مدار کوچکتر الکترونیکی، کوچک‌کردن تمام ابعاد اجزای مدار با فاکتور ثابت بوده است که فرآیند تغییر اندازه (Scaling) نام دارد.
تغییر اندازه به صورت نرخ نمایی پیش می‌رود.
از زمان اختراع مدار مجتمع توسط کیبلی در سال 1958، افزایش تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه، هر 18 ماه دو برابر شده است.
همین‌که MOSFET به اندازه 100 نانومتر و کمتر می‌رسد، صرفه اقتصادی تغییر اندازه مدار فشرده، رو به کاهش می‌رود.

9. 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 و این یکی از موانع موجود در مقابل کوچک‌سازی است که به ساختار ترانزیستور مربوط نمی‌شود.
تصویر TEM از سطح مقطع یک نانوترانزیستور.
قسمت V شکل، گیت ترانزیستور است.

10. مشکلات در کوچکترسازی بیشترFET
بدلیل اینکه ولتاژ بایاس بر روی فاصله کمی اعمال می‌شود، میدان قوی است و جریان آنی الکترون اتفاق می‌افتد؛ که می‌تواند موجب شکست بهمنی شود.
شکست بهمنی، افزایش یکباره جریانی است که عبور آن در توان نیمه‌رسانا نیست و سوختن وسیله را به‌همراه دارد.
این مساله باعث بوجود آمدن مشکل جدی، در تبدیل نیمه‌رسانای 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.

11. مشکلات در کوچکترسازی بیشترFET
نایکنواختی نیمه‌رسانای آلاییده شده در مقیاس کوچک.
این مشکل با آلاییده نکردن نیمه‌رسانا 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 می‌شوند که وقتی وسیله خاموش است نمی‌توان از تونل‌زنی 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.

12. وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
تعدادی جایگزین برای حفظ عملکرد ترانزیستورهای نیمه‌رسانای حالت حجیم، در مقیاس نانو پیشنهاد شده‌است که از اثرات کوانتومی بهره می‌گیرند و بر مشکلات مذکور فائق می‌آید.
ساختار ضروری که تمام این وسایل از آن بهره می‌برند، جزیره کوچکی متشکل از نیمه‌رسانا و یا فلز است که محدود شده‌اند.
جزیره، ناحیه محصور شده بین عایق برای جلوگیری از اثر تونل زنی در ترانزیستور می‌باشد.
جزیره در وسیله نانوالکترونیک نقشی را شبیه به آنچه کانال جریان در FET بازی می‌کند، دارد و با ساختن چاه پتانسیل در کانال زیر گیت، عبور جریان از چشمه به درین را امکان‌پذیر می‌کند.

13. وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
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 تونل‌زنی رزونانس: الکترون در جزیره، دارای یک یا دو درجه آزادی هستند.
ترانزیستورهای تک الکترونی: الکترون‌ها دارای 3 درجه آزادی هستند.

14. 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 مثلاً 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.

15. جزایر، چاه پتانسیل و اثر کوانتومی
دو اثر ضروری مکانیک کوانتومی با محدودشدن الکترون در جزیره نانومقیاس بین سد انرژی پتانسیل بروز می‌کند:
مکانیک کوانتومی، انرژی هر الکترون را به تراز معینی از انرژی محدود می‌کند.
هرچه فاصله بین سدها کوچکتر باشد (جزیره‌ها کوچک باشند)، فضای بیشتری برای تراز انرژی برای الکترون‌های داخل چاه پتانسیل در داخل سد وجود دارد.
چون سد پتانسیل به اندازه کافی نازک است، 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.

16. جزایر، چاه پتانسیل و اثر کوانتومی
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، الکترون‌های 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، تونل‌زدن به خارج و یا به درون جزیره از طریق سد‌های پتانسیلی که جزیره را تعریف و آن را از چشمه و درین جدا می‌سازند، می‌باشد.
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 جفت شود.

17. ترانزیستور تونلی رزونانس
افزایش ولتاژ اعمالی به صورت فزاینده‌ایی انرژی تمام حالت‌ها را در چاه نسبت به انرژی الکترون در چشمه، پایین می‌آورد.
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.

18. ترانزیستور تونلی رزونانس
از طرف دیگر وقتی که وسیله در حالت غیر رزونانسی است، جریان مسدود می‌شود و وسیله در حالت خاموش قرار می‌گیرد.
وقتی که پتانسیل به قدری است که انرژی حالت کوانتومی اشغال نشده تک‌الکترونی 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.
در این حالت، جریان می‌تواند به داخل جزیره شارش یابد و بعد از آن به سمت درین خارج شود.
این استفاده از بایاس اعمال شده برای سوئیچ جریان تونلی روشن و خاموش، عملکرد وسیله تونل زنی رزونانس را نشان می‌دهد که دیود تونل‌زنی رزونانس نامیده می‌شود.

19. ترانزیستور تونلی رزونانس
به جای اعمال ولتاژ بر روی چشمه می‌توان با تغییر ولتاژ روی خروجی سوم (گیت)، حالت رزونانسی و غیر رزونانسی را ایجاد کرد.
در ترانزیستور تونلی رزونانس، یک ولتاژ گیت کوچک، می‌تواند جریان زیادی را از وسیله عبور دهد.
یک RTT می‌تواند به عنوان سوئیچ و تقویت کننده به‌کار رود.

20. ترانزیستور تونلی رزونانس
RTDها و RTTها می‌توانند بر اساس ترازهای انرژی گسسته در داخل چاه پتانسیل دارای روشن و خاموش چند گانه باشند.
اگر این ترازها در فاصله به اندازه کافی نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند، همین‌که ولتاژ بایاس 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.
قله موجود در تصویر متناسب با جهت‌گیری تراز انرژی در چاه با قسمت اشغال شده از باند رسانش چشمه است.
با تغییر ولتاژ بین قله‌ها در منحنی، جریان به سمت قطع شدن، می‌رود و انرژی تراز کوانتومی در چاه، پایین‌تر از لبه باند رسانش چشمه قرار می‌گیرد.

21. ترانزیستور تونلی رزونانس
رفتار چند حالته ترانزیستوری را می‌توان با تغییر ولتاژ گیت در RTT بدست آورد.
وقتی از چنین وسیله چند حالته نسبت به MOSFETهای دوحالته استفاده می‌شود، 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 می‌کند.