ترانزیستورهای نسل جدید

این مقاله مربوط به طرح ابتکاری دکتر ”فرشید رییسی“ که در مجله معتبر بین‌المللی AppliedLetters Physics آمریکا ارایه شده است. بازتاب وسیعی در نشریات و رسانه‌های علمی فیزیکی جهان داشته است. این ترانزیستورهای جدید به‌جای بهره‌‌گیری از سیلیکون، با ایندیوم فسفاید (phosphideindium )و ایندیوم گالیوم آرسناید (arsenide gallium indium) ساخته می‌شوند. این مواد ‌با هم ترکیب می‌شوند تا یک ماده سه لایه ایجاد شود که پایه ترانزیستورهای دو قطبی (bipolar) را تشکیل می‌دهد. هر ترانزیستور از سه قسمت ساخته می‌شود که عبارتند از امیتر،بیس و کلکتور. تیم طراح می‌گوید که ساختار کلکتور را با افزودن ایندیوم، کریستاله می‌کنند تا هتروجانکشن سودومورفیک (heterojunction pseudomorphic) درست شود. این پیوند اجازه می‌دهد تا الکترون‌ها آزادانه‌تر بین دو الیه حرکت کنند که در نتیجه این عمل، سرعت بالا حاصل می‌شود. میلتون فینچ پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر هولونیاک در ایلینویز که این‌مطالب را عنوان نمود اضافه کرد که هنوز چند سالی با ارائه نمونه عملی این ترانزیستورها به بازار فاصله داریم زیرا قیمتی که برای این نمونه تنظیم شده است 100 برابر ترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است هرچند که انتظار می‌رود با تولید انبوه، این هزینه تا 90 درصد کاهش یابد. یکی از نقاط ضعف این مواد جدید آن است که بشدت نیرو مصرف می‌کنند که باعث می‌شود تا نتوان آن‌هارا در میکروپروسسورها کنار هم قرار داد. در سال ۱۹۷۱ میلادی اولین پردازنده شرکت اینتل بهنام 4004 تعداد 2300 ترانزیستور داشت و 30 سال بعد از آن پردازنده پنتیوم 4 تعداد 42 میلیون‌ ترانزیستور داشت در طی این مدت استراتژی اصلی سازندگان تراشه‌ها برای ساختن پردازنده‌های سریعتر کوچک‌تر کردن ترانزیستورها بوده است. برای فعال کردن آن‌ها در انجام اعمال تکراری و همچنین فعال کردن مدارهای بسیار پیچیده که درون یک طاس از جنس سیلیکون جاگذاری شده اند به هر حال نظر به این‌که نیم رساناها حتی بیشتر از پیچیده بودن مرحله‌ی مهمی را در اندازه و حجم و کارایی ترانزیستورها می‌گذارنند مانند مصرف برق و گرما که دارد پدیدار می‌شود که به چند عامل محدود می‌شوند که به سرعت در طراحی و ساخت تراشه‌ها بستگی دارد. کاربرد طرح‌های موجود برای پردازنده‌های آینده به خاطر تراوش کنونی در ساختمان ترانزیستور غیر قابل انجام است که نتایجی را از قبیل مصرف زیاد برق و تولید زیاد گرما در برداشته است. در اواخر سال 2002 شرکت اینتل از نوآوری و پیشرفت‌های محقق‌هایش در زمینه ساختمان ترانزیستورها و نمایاندن مواد جدید که به عنوان یک گام مهم در تالش برای حفظ موازین قانون میکروچیپ و بهبود بخشیدن سرعت و راندمان قدرت و کاهش گرمای تولید شده در پردازنده خبرداد. این ساختمان جدید که به عنوان یک به روز رسانی در پردازنده‌ها اضافه‌می‌شود به نام اینتل تراهرتز ترانزیستور می‌باشد و این به خاطر توانایی در خاموش و روشن کردن ترانزیستورها در مدت زمانی به اندازه یک ترلیونم از ثانیه است. شرکت اینتل امیدوار است که سرانجام تراشه‌های جدیدی بسازد که تعداد ترانزیستورهای آن بیشتر از یک بیلیون است. باسرعتی ده برابر بیشتر و با تراکم ترانزیستوری، 25 برابر تمام تراشه‌های پیشرفته موجود درسال 2000، انجام چنین کاری این معنی را به عناصر تراشه می‌بخشد که آن‌ها قادر به اندازه گیری مقادیری بسیار کوچک‌تر از تار موی انسان به اندازه 20 نانو متر هستند. ترانزیستور اختراع ساده‌ای است که در یک ناحیه ی سیلیکونی ساخته شده است که آن فقط می‌تواند به صورت الکترونیکی یک تبدیل بین خاموش و روشن انجام دهد. مطابق آیین و برنامه ترانزیستورها سه پایانه با اسامی Gate و Source و Drain دارند. Source و Drain نوع دیگری از سیلیکون اساسی و Gate ماده به نام پلی‌سیلیکون است. پایین Gate لایه‌ی نازکی به نام ماده عایق برق که از دی اکسید سیلیکون ساخته شده وجود دارد وقتی که ولتاژی به ترانزیستور داده می شود، Gate باز یا روشن می شود و جریان برق از Source به Drain جاری می شود، وقتی که Gate بسته یا خاموش است هیچ جریان برقی وجود ندارد. تکنولوژی اینتل تراهرتز در ترانزیستورها سه ‌تغییر عمده را شامل می‌شود:

1.  که فاصله ی بین Source و Drain زیاد‌تر می‌شود و زیربنای این ترانزیستورها به‌گونه‌ای است که فقط یک جریان الکتریسیته می‌تواند از آن عبور کند.
2. ‌ لایه عایق سیلیکون که اندازه‌ی آن بسیار نازک است، زیر Source و Drain جاسازی می‌شود. این روش با روش موسوم برای ایزوله کردن سیلیکون در بقیه‌ی اختراعات متفاوت است. وقتی ترانزیستور روشن است ماکسیسم رانشی است که می‌تواند داشته باشد، که ‌این در سرعت تبدیل حالت خاموش و روشن کردن ترانزیستور بسیار مفید است. وقتی که Gate خاموش است لایه اکسید، راه جریان‌های ناخواسته‌ای که در گردش می‌افتد را مسدود می‌کند.
3.  قطعه شیمیایی لایه‌ی اکسیدی Gate ترانزیستور را با Source و Drain مرتبط می‌سازد که باعث می‌شود یک ماده عایق جدید ایجاد شود که این روش توسط تکنولوژی به نام لایه اتمی رشد یافته است که این لایه‌هایی هستند که با کلفتی یک مولکول رشد یافته‌اند. قطعه شیمیایی خیلی دقیق لایه اکسیدی Gate تابه حال توانسته از جنس آلومینیوم و تیتانیوم از بین بقیه قطعات باشد. این سه روش بهبود سازی، مستقل از هم هستند اما کار آن‌ها در آینده یک هدف را دنبال خواهد کرد که استفاده‌ی موثرتری از جریان برق توسط ترانزیستورهاست:
   1. ضخیم‌تر کردن منطقه‌ی مورد استفاده برای Source و Drain و تغییر قطعه ی شیمیایی Gate اکسیدی که همه‌ی این‌ها به تراوش بدنه‌ی اصلی Gate کمک می‌کند. زیرا جریان‌ می‌تواند به خارج از Gate تراوش کند. ترانزیستورهای کوچک‌تر راه فرار بیشتری می‌گیرند به‌همین علت طراحان مجبورند جریان الکتریسیته‌ی بیشتری برای پمپ‌کردن در نظر بگیرند که‌باعث تولید گرمای بیشتری می‌شود. شرکت اینتل ادعا می‌کند تراوش Gate در ماده جدید نسبت به دی اکسید سیلیکون 10000 برابر کاهش می‌یابد.
   2. افزایش لایه‌ی عایق کننده سیلیکون (SOI) باعث کاهش مقاومت در برابر جریان گردشی بین Source و Drain می‌شود. درنهایت این کاهش مقاومت به طراحان این اجازه را خواهد داد که‌ مصرف برق را کاهش دهند یا بازده و کارایی را نسبت به انرژی داده شده بهبود بخشند.
4. مزیت‌های دیگری هم وجود دارد که آن‌ها را نشان می‌دهیم. برای مثال: گردش آزادانه ذره‌ی آلفا که از تماس با یک ترانزیستور در تراشه‌ها می‌تواند به‌طور ناگهانی باعث تغییر حالت آن یا بروز خطا شود که در آینده این ذرات بوسیله‌ی لایه‌ی عایق کننده (SOI) جذب می‌شوند. پردازنده‌های کنونی پنتیوم 4 با توان 45 وات کار می‌کنند. خوب است بدانیم که ترانزیستورهای تراهرتز در پردازنده‌های آینده قادر هستند مراحل تلافات توان را حفظ کنند و قدرت را در فاصله‌ی 100 وات نگه‌دارند. شرکت اینتل پیشنهاد کرده که می‌تواند با به کارگرفتن قسمت‌هایی از تکنولوژی تراهرتز در تولیدات آتی خود مثال تراشه‌های 0.09 میکرونی در سال 2003 یا زودتر استفاده کند. در نهایت تغییرات شیمییایی و معماری مجزا در تکنولوژی جدید می‌تواند در نیمه دوم قرن جاری به اوج خود برسد. شرکت اینتل در سال 2007 تراشه‌هایی خواهد ساخت که با یک بیلیون ترانزیستور کار می‌کند اما با میزان مصرف برق پردازنده‌های پنتیوم 4 که در قرن حاضر مصرف می‌شوند، با چنین سرعت پیشرفتی از ترانزیستورهای جدید انتظار می رود پردازنده‌هایی با سرعت 10 گیگا هرتز در سال 2005 و تراشه‌هایی با 20 گیگاهرتز سرعت در پایان دهه تولید شود. سریع‌ترین ترانزیستور جهان توسط دکتر (فرشید رییسی)، عضو هیات علمی دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی طراحی و ساخته شد. در طراحی این ترانزیستور به جای الکترون از سالیتان، بسته‌های امواج الکترو مغناطیسی (که با سرعت نور حرکت می‌کند، استفاده شده است. رییسی درباره مزیت این طرح گفت: ترانزیستور سالیتانی می‌تواند صدها برابر سریع‌تر از ترانزیستورهای معمولی که از جنس نیمه هادی هستند، عمل کند. وی افزود: اینترانزیستور در ابعاد 0/8 میلیمتر ساخته شده است و سرعتی حدود 8 گیگاهرتز دارد که در مقایسه با ترانزیستورهای معمولی (حدود 2/5 گیگا هرتز) برابر بیشتر است و هر چه ابعاد آن کوچکتر باشد، سرعت ترانزیستور افزایش می‌یابد. وی با اشاره به اینکه قطعات مورد نیاز اینترانزیستور از خارج کشور تهیه می‌شود، همچنین گفت: تولید این ترانزیستور به آزمایشگاه‌های ساخت قطعات نیمه‌هادی نیازمند است که متاسفانه در کشور وجود ندارد. وی افزود: در حالی که هزینه تهیه یک آزمایشگاه ساخت ترانزیستور سالیتانی نسبت به هزینه آزمایشگاه‌های ساخت ترانزیستورهای کنونی بسیار کمتراست. دکتر رییسی خاطر نشان کرد: در صورت تجهیز آزمایشگاه قطعات نیمه هادی در کشور، با تهیه ترانزیستورهای سالیتانی در ابعاد صد نانومتر، می‌توان سرعت فرکانسی آن را به حدود 200 تا 300 گیگاهرتز رساند تا در مواردی نظیر ابر رایانه‌ها و فعالیت‌های دفاعی که سرعت ترانزیستور اهمیت دارد، به کار رود. وی افزود: ترانزیستور سالیتانی علاوه بر سرعت سه برابر بیشتر نمونه اولیه آن نسبت به سریع‌ترین ترانزیستورهای موجود در بازار، از لحاظ هزینه تولید از ترانزیستورهای نیمه‌هادی با کاربردی بیشتر و بسیار ارزان‌تر است.