فناوری نانو در ساخت ترانزیستورها
هوالعلیم
مقدمه
در سال 1958 میلادی اولین مدار مجتمع الکترونیکی ساخته شد. یک مدار مجتمع شامل تعداد زیادی ترانزیستور و البته تعدادی قطعه‌ی دیگر الکترونیکی است و معمولا برای انجام کار خاصی طراحی و ساخته می‌شود. در بسیاری از وسایلی که ما امروزه در زندگی استفاده می‌کنیم، مدارهای مجتمع الکترونیکی جزئی اصلی و مهم هستند. رایانه‌ها، خودروها، تلفن‌های همراه و ثابت، بسیاری از تلویزیون‌ها، رادیوها، پخش‌کننده‌های موسیقی و فیلم، دوربین‌های دیجیتال، یخچال و فریزر، ماشین‌های لباس‌شویی، آسانسورها، درب‌های الکترونیکی و سیستم‌های حفاظتی آن‌ها، سیستم‌های کنترل در کارخانجات و بسیاری قطعات دیگر همگی دارای مدارهای مجتمع هستند.
قانون مور
تعداد ترانزیستورهای واحد پردازشگر مرکزی رایانه بر محور عمودی و سال تولید آن بر محور افقی نشان داده شده است. پیش‌بینی مور با یک خط‌چین مورب رسم شده و اعداد واقعی با نقطه نمايش داده شده‌اند. بدین ترتیب می‌توان ملاحظه کرد که پیش‌بینی قانون مور تا چه اندازه به واقعیت نزدیک است. به منظور پرهیز از پیچیدگی، نام همه‌ی انواع CPU نوشته نشده است. (CPU یا واحد پردازشگر مرکزی، مخفف واژه‌ی Central Processing Unit است. اين بخش اصلی‌ترین و مهم‌ترین قسمت یک رایانه است. CPU یه منزله‌ی مغز رایانه انجام عملیات پردازشی، منطقی، ریاضی و کنترلی را بر عهده دارد. به بیان دیگر همه‌ی کارهای رایانه توسط واحد پردازشگر مرکزی مدیریت و کنترل می‌شود.)
چرا ترانزیستورِ بیشتر ؟
چرا ترانزیستورِ کوچک‌تر ؟!
گفتیم مور پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای مدارهای مجتمع هر دو سال تقریبا دو برابر می‌شود. البته اين قانون مور را می‌توان به گونه‌ای دیگر نیز بیان کرد؛ در اين بيان جديد هر دو سال ابعاد ترانزیستورهای موجود در مدارهای الکترونیکی تقریبا نصف می‌شود. اما به نظر شما چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال قرار دادن تعداد بیشتری ترانزیستور در يک مدار مجتمع هستند؟ یا به بیان دیگر، چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور هستند؟ آیا این کار مزیتی دارد؟
ترانزیستورها از طریق الکترون‌های آزاد یا حفره‌های آزاد مسیر رسانش الکتریکی را برقرار می‌کنند. ما از این ویژگی ترانزیستور که مشابه یک کلید است، استفاده می‌کنیم و مدارهای الکترونیکی را طراحی می‌کنیم و می‌سازیم. هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارات مجتمع بیشتر باشد، یا به بیان دیگر هر چه ترانزیستورها کوچک‌تر باشند، الکترون‌ها و حفره‌های آزاد برای رسانش الکتریکی مسیر کمتری را می‌پیمایند و این یعنی سرعت پردازش اطلاعات بیشتر می‌شود.
واحدهای حافظه‌ها نظیر RAM ، ROM ، FLASH و ... همگی از ترانزیستور ساخته شده است. بنابراین هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع بیشتر شود، اندازه حافظه‌ها نیز بیشتر می‌شود.
به همین جهت است که سرعت واحد پردازشگر مرکزی در رایانه‌ها مرتب افزایش می‌یابد. تا چند سال پیش سرعت رایانه‌ها حداکثر چند صد مگا هرتز بود، در حالی که امروزه سرعت رایانه‌ها به چند گیگا هرتز رسیده است و مرتب نیز در حال افزایش است. يا اين‌که اندازه‌ی ظاهری حافظه‌ها تغییری نمی‌کند و حتی در مواردی کوچک‌تر هم می‌شود، اما میزان حافظه‌ی آن‌ها به سرعت در حال افزایش است.
اکنون ممکن است این پرسش در ذهن شما شکل بگیرد که چرا با این همه مزایا، از همان ابتدا ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک نساختیم؟ چرا دانشمندان تقریبا هر دو سال، ابعاد ترانزیستور را نصف می‌کنند؟ پاسخ این پرسش ساده است. در اواخر دهه‌ی 60 میلادی که برای اولین بار از ترانزیستور برای ساخت مدارهای مجتمع استفاده شد، فناوری ساخت آن ها در ابعاد کوچک موجود نبود. در واقع دانشمندان به تدریج و با استفاده از روش‌های نوین و فنون خاصی توانستند ابعاد ترانزیستورها را کوچک کنند و این کوچک شدن همچنان ادامه دارد.
چقدر کوچک‌تر ؟!
ابعاد ترانزیستور را معمولا با طول کانال ترانزیستور، یعنی فاصله‌ی بین سورس و درین مشخص می‌کنند (اگر این مفاهیم را یادتان رفته، به مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ترانزیستور» مراجعه کنید). طول کانال ترانزیستور تا چند سال پیش حدود 25/0 میکرومتر بود. این طول سپس به 18/0 میکرومتر و پس از آن به 90 نانومتر کاهش یافت، یعنی کمتر از 100 نانومتر. از این مرحله، ترانزیستور در حوزه مورد نظر فناوری‌نانو قرار می‌گیرد. در مدارهای مجتمع امروزی طول کانال ترانزیستور حدود 65 نانومتر است.
پیش‌بینی می‌شود تا سال 2010 میلادی ترانزیستورهایی با طول کانال 45 نانومتر در مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین برآوردها نشان می‌دهد طول کانال ترانزیستورها در سل 2013 میلادی به 32 نانومتر و در سال 2016 میلادی به 22 نانومتر برسد. همان طور که ملاحظه می‌کنیم، ابعاد ترانزیستور مرتب کوچک و کوچک‌تر می‌شود و نقش فناوری‌نانو در الکترونیک بیش از پیش مهم جلوه می‌کند.
البته ماجرا به این سادگی هم نیست. رسیدن به ابعاد کوچکی که بیان شد، نیازمند حل مسائل و مشکلات بسیاری است. همان گونه که می‌دانیم، زمانی که از ابعاد چند ده نانومتر صحبت می‌کنیم، با تعداد محدودی اتم سر و کار داریم. اندازه‌ی اتم سیلیسیوم که عنصر اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی امروزی است، حدود 2/0 نانومتر است. اگر فاصله‌ی مربوط به پیوند اتمی را هم در نظر بگیریم، می‌بینیم که در این ابعاد مطرح شده برای طول کانال، کار بسیار دشواری را پیش رو داریم. چرا که کار با چند ده اتم، مسائل پیش‌بینی نشده‌ی بسیاری به دنبال خواهد داشت. در واقع در این ابعاد اتفاقاتی می‌افتد که در ابعاد بزرگ‌تر به سادگی قابل صرف نظر کردن است. ولی اکنون نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. این مشکلات را مسائل کوانتومی می‌گوییم.
مشکل دیگر، فناوری ساخت ترانزیستور در این ابعاد است. فنون و ابزارهای ساخت مدارهای مجتمع باید تغییرات اساسی بیابند. در این راه باید ابداعات و خلاقیت‌های زیادی انجام گیرد تا دسترسی به آن چه پیش‌بینی شده، امکان‌پذیر شود.
