امروزه اکثر تجهیزات حوزه الکترونیک و نانوالکترونیک از لایههای گوناگون فلزی، نیمههادی و عایق تشکیل شدهاند. از اینرو، اتصالات بین این مواد، یکی از اجزای مهم این ادوات بهشمار میروند. این اتصالات دارای ساختارهای نواری ویژهای هستند و نحوه عبور جریان الکتریکی، خواص و کاربرد قطعات میکروالکترونیکی و نانوالکترونیکی را کنترل میکنند. در این بین، اتصالات «فلز-نیمههادی»، «نیمههادی-نیمههادی» و «فلز-عایق-نیمههادی» خواص شگفتانگیزی را از خود نشان میدهند. این خواص راه را برای استفاده از این اتصالات در طراحی و ساخت قطعات الکترونیکی هموارتر کرده است. یکی از مهمترین کاربردهای این اتصالات، ترانزیستورها هستند که انقلاب بزرگی را در صنعت الکترونیک بهوجود آوردهاند. در این مقاله، ترانزیستورها به دو دسته ترانزیستورهای دوقطبی و اثرمیدان تقسیمبندی میشوند و هرکدام از آنها بهتفصیل مورد بحث و بررسی قرار میگیرند.
این مقاله شامل سرفصلهای زیر است:
1- مقدمه
2- ترانزیستور
1-2- ترانزیستور دوقطبی پیوندی
2-2- ترانزیستور MOSFET
3-2- نانوترانزیستورها
نتیجهگیری
1- مقدمه
امروزه طیف وسیعی از قطعات الکترونیکی در حوزه میکروالکترونیک و نانوالکترونیک ساخته میشوند که در ساختمان آنها، از اتصالات بین مواد مختلف فلزی، نیمهرسانا و عایق استفاده میشود. از اینرو، اتصالات (Junctions) یکی از مبانی مهم شناخت و درک رفتار قطعات الکترونیکی است. از مهمترین و کاربردیترین این اتصالات میتوان به اتصالات فلز-نیمههادی، نیمههادی-نیمههادی و فلز-عایق-نیمههادی اشاره کرد. در واقع، با اتصال انواع مختلف مواد مهندسی به یکدیگر، ساختار نواری اتصال بین آنها تغییر میکند و کاملاً از ساختار نواری مواد بالک متفاوت میشود. این تغییرات باعث دگرگونی خواص و عملکرد قطعه الکترونیکی میشود. اتصالات یادشده در دو مقاله قبلی با عناوین «اتصالات الکترونی: مبانی و کاربردها (1) و (2)» معرفی شدند و مبانی و اصول فیزیکی آنها بهتفصیل مورد مطالعه قرار گرفتند. این اتصالات کاربردهای مختلفی در قطعات میکروالکترونیکی و نانوالکترونیکی شامل دیودهای یکسوکننده جریان الکتریکی، سلولهای خورشیدی و دیودهای ساطعکننده نور دارند. تعدادی از این کاربردها در مقاله قبلی با عنوان «کاربردهای اتصالات نانوالکترونیکی 1» تشریح شدند. در این مقاله، به معرفی یکی از مهمترین کاربردهای این حوزه یعنی ترانزیستورها پرداخته خواهد شد. این قطعات که با پیدایش خود، علم الکترونیک را متحول کردهاند، امروزه تقریباً در هر مدار مجتمعی مورد استفاده قرار میگیرند.
2- ترانزیستور
ترانزیستور یک سازه الکترونیکی برای تقویت (Amplification)، تعویض/ سوئیچ (switch) سیگنالهای الکترونیکی، و یا تغییر توان الکتریکی (electrical power) است. این قطعه معمولاً از مواد نیمههادی ساخته میشود و دارای حداقل 3 پایانه (terminal) برای اتصال به مدار خارجی است. ولتاژ و یا جریان اعمالی بر یکی از جفت پایانهها، جریان عبوری از جفت پایانه دیگر را کنترل میکند. از آنجاییکه شدت جریان خروجی میتواند از شدت جریان ورودی بزرگتر باشد، ترانزیستور قابلیت تقویت جریان الکتریکی ورودی را دارد. همچینین، ترانزیستورها میتوانند جریان خروجی را قطع و وصل کنند. از این نوع عملکرد معمولاً به «تعویض» و یا «سوئیچ» یاد میشود.
بهطور کلی، دو نوع ترانزیستور وجود دارد. این ترانزیستورها در نحوه اتصال به مدار خارجی با یکدیگر تفاوت دارند:
(1) ترانزیستور دوقطبی (bipolar transistor) که شامل سه پایانه با نامهای پایه (base)، جمعکننده (collector) و نشردهنده (emitter) است. در این نوع از ترانزیستورها میتوان با اعمال یک جریان نسبتاً کوچک بین پایانههای نشردهنده و پایه، جریان بهوجود آمده بین پایانههای جمعکننده و پایه را کنترل کرد. این بدین معنی است که با اعمال اختلاف پتانسیل بین پایانه نشردهنده و پایانه جمعکننده، جریانی از الکترونها بین این دو پایانه بهوجود میآید. این جریان توسط اختلاف پتانسیل اعمالی بین پایانه نشردهنده و پایانه پایه کنترل میشود (جریان کم و زیاد و یا جریان قطع میشود).
(2) ترانزیستور اثرمیدان (field-effect transistor, FET) که شامل چهار پایانه با نامهای گیت (gate)، بدنه (body)، منبع (source) و تخلیه (drain) است. ولتاژ اعمالی به پایانه گیت، جریان بین منبع و تخلیه را کنترل میکند. این بدین معنی است که با اعمال اختلاف پتانسیل بین پایانههای منبع و تخلیه، جریانی از الکترونها بین این دو پایانه بهوجود میآید. این جریان توسط اختلاف پتانسیل اعمالی بین پایانه گیت و بدنه کنترل میشود (جریان کم و زیاد و یا جریان قطع میشود).
شکل 1 ساختار کلی ترانزیستورهای اثرمیدان و ترانزیستورهای دوقطبی را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، الکترونها با حرکت در ترانزیستور دوقطبی، از پایانه نشردهنده به سمت پایانه جمعکننده مهاجرت و در مسیر خود، از هر دو نیمرسانای نوع n و p عبور میکنند. لذا مسیر رسانش در این نوع ترانزیستور، از هر دو نیمرسانا تشکیل میشود. از این رو، به این ترانزیستورها، ترانزیستورهای «دوقطبی» گفته میشود. در مقابل، الکترونها در ترانزیستورهای اثرمیدان، از پایانه منبع بهسمت پایانه تخلیه حرکت میکنند. در این نوع ترانزیستور، برای عبور الکترون، جنس مسیر رسانش از یک نوع نیمرسانا تشکیل میشود (نوع n یا نوع p). از اینرو، به این ترانزیستورها، ترانزیستورهای تکقطبی (unipolar) گفته میشود.
شکل 1- شمایی از ساختار کلی ترانزیستورهای اثرمیدان (الف) و ترانزیستورهای دوقطبی نوع pnp.
کانال رسانش در ترانزیستورهای اثرمیدان در زیر پایانه گیت تشکیل میشود. همانطور که در شکل 1-الف معلوم است، جنس بدنه، مخالف جنس پایانههای منبع و تخلیه در نظر گرفته میشود. از اینرو، جنس کانال رسانش در داخل بدنه و درست زیر پایانه گیت (بین دو پایانه منبع و تخلیه)، باید نسبت به بدنه سازه عوض شود. برای این منظور، میتوان کانال رسانش را با ناخالصیهای خاصی دوپ کرد تا به نوع n یا p تبدیل و مخالف جنس بدنه شود. راهحل دیگر، اعمال اختلاف پتانسیل بین پایانه گیت و بدنه است که باعث پسزده شدن حاملهای غالب بار و تغییر جنس نیمهادی در آن منطقه (زیر پایانه گیت و بین دو پایانه منبع و تخلیه در داخل بدنه) میشود. برای مثال، اگر بدنه از جنس نیمرسانای نوع n باشد، کانال رسانش در زیر منطقه گیت، در اثر پس زده شدن الکترونها از این منطقه، به نیمهادی نوع p تبدیل میشود. بهطور مشابه، اگر بدنه از جنس نیمهادی نوع p باشد، کانال رسانش در اثر پس زده شدن حفرات به مناطق دور از پایانه گیت، به نیمهادی نوع n تبدیل میشود.
1-2- ترانزیستور دوقطبی پیوندی
ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT (Bipolar Junction Transistor)) نوعی ترانزیستور دوقطبی است که از دو اتصال نیمههادی غیرذاتی دوپشده تشکیل میشود. این ترانزیستورها به دو دسته npn و pnp تقسیم میشوند. در نوع npn، یک دیود (اتصال) n-p به یک دیود (اتصال) p-n وصل میشود. در واقع، یک نیمههادی نوع p در وسط دو نیمههادی نوع n قرار میگیرد. در ترانزیستور pnp نیز یک نیمههادی نوع n در وسط دو نیمههادی نوع p جای داده میشود. شکل 2 شمایی از نحوه اتصال نیمههادیها در ترانزیستور دوقطبی پیوندی نوع npn و ساختار نواری آن را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، ساختار این ترانزیستور، از دو دیود متصل به یکدیگر تشکیل شده است: دیود اولی از پایانه نشردهنده و پایانه پایه، و دیود دومی از پایانه پایه و پایانه جمعکننده ساخته شده است.
شکل 2- شمایی از ترانزیستور BJT از نوع npn در حالت عادی (بدون اعمال ولتاژ) و ساختار نواری آن [1].
اگر از این ترانزیستور بهعنوان تقویتکننده استفاده شود، باید ولتاژ بایاس مستقیم را به دیودی اعمال کرد که از پایانه نشردهنده و پایانه پایه تشکیل شده است. در همین حال، ولتاژ بایاس معکوس به دیودی متشکل از پایانه پایه و پایانه جمعکننده اعمال میشود (شکل 3). الکترونهای وارد شده به پایانه نشردهنده، برای نفوذ به نیمههادی پایه باید انرژی لازم برای عبور از سد انرژی موجود در اتصال بین نیمههادی نشردهنده و نیمههادی پایه را داشته باشند. الکترونهایی که این انرژی را دارند با عبور از سد و نفوذ در طول نیمههادی پایه (در اینجا نوع p) به ناحیه تهی در مرز اتصال بین پایانه پایه و پایانه جمعکننده میرسند. این الکترونها در این ناحیه، تحت تاثیر میدان شدید الکتریکی ناحیه تهی قرار میگیرند و شتابدار میشوند. نتیجه این پدیده، تقویت جریان الکترونی خروجی است. شکل 3-ب شمایی از ساختار نواری ترانزیستور npn بعد از اعمال ولتاژهای یادشده را نشان میدهد.
شکل 3- شمایی از از ترانزیستور BJT از نوع npn در حالت اعمال ولتاژ (الف)، ساختار نواری آن (ب) و مدل نمایشی ترانزیستور BJT از نوع npn (پ) [1].
با تغییر ولتاژ بین «پایانه پایه» و «پایانه نشردهنده»، جریان خروجی کنترل میشود. اعمال ولتاژ مستقیم و نسبتاً کوچک به «اتصال پایه-نشردهنده»، باعث ایجاد سد انرژی نسبتاً بزرگی در فصلمشترک میشود و تعداد الکترون کمتری از آن میتوانند عبور کنند. اما اعمال ولتاژ مستقیم و بزرگ باعث کاهش ضخامت لایه تهی و کاهش ارتفاع سد انرژی این اتصال میشود. این عمل باعث عبور بیشتر الکترونها به سمت پایانه جمعکننده و افزایش توان خروجی میشود. همچنین با اعمال ولتاژ مناسب بین پایانه نشردهنده و پایانه پایه، میتوان عبور جریان را مختل کرد. در این حالت، ترانزیستور در حالت خاموشی (off) قرار میگیرد. لذا از ترانزیستور BJT علاوه بر تقویتکننده، به عنوان سوئیچکننده جریان نیز استفاده میشود.
2-2- ترانزیستور MOSFET
دسته جدیدی از ترانزیستورهای FET توسعه یافتهاند که در آنها، پایانه گیت توسط یک لایه نازک اکسیدی، از بدنه و کانال جدا میشود. این لایه اکسیدی مانع از عبور جریان مستقیم از گیت به کانال میشود. به این تراتزیستورها، اصطلاحاً ترانزیستورهای MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) گفته میشود. در صورتی که منبع، تخلیه، و کانال از نوع n باشند، به ترانزیستور مربوطه، nMOSFET و اگر از نوع p باشد، به آن pMOSFET میگویند. توجه شود که در ترانزیستورهای اثرمیدان، حاملهای ورودی به پایانه منبع، که با عبور از کانال رسانش به پایانه تخلیه میرسند نباید در مسیر به داخل بدنه و یا پایانه گیت وارد شوند. در واقع، در حالت ایدهآل نباید حاملی از جریان تلف شود. در ترانزیستورهای اثرمیدان معمولی، حتی اگر مانع شاتکی بزرگی در محل اتصال پایانه گیت (جنس رسانا یا فلزی) به ترانزیستور ایجاد شود، باز هم ممکن است حاملهایی از آن عبور کرده و به داخل پایانه گیت سرازیر شوند. از اینرو، مزیت ترانزیستورهای MOSFET نسبت به ترانزیستورهای معمولی این است که با قرار دادن یک لایه عایق در محل اتصال پایانه گیت به بدنه، ورود حاملهای بار به پایانه گیت مختل شده است.
ترانزیستورهای MOSFET از لحاظ شیوه عملکرد به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول، ترانزیستورهای نوع تهی (depletion-type) هستند که شمایی از آنها در شکل 4-الف نشان داده شده است. این نوع از ترانزیستورها، از نواحی منبع و تخلیه با دوپ شدید تشکیل شدهاند و یک کانال با دوپ کم و با همان جنس (نوع مشابه با نواحی منبع و تخلیه) بین آنها وجود دارد. در این نوع ترانزیستورها، کانال رسانش از قبل دوپ و همجنس با پایانههای منبع و تخلیه انتخاب شده است.
شکل 4- ترانزیستور nMOSFET از نوع تهی: (الف) شمایی از ترانزیستور. لایه اکسیدی معمولاً از جنس SiO2 (اکسیدی)، Si3N4 (نیتریدی) و یا مخلوطی از این دو ماده، و یا از چندین لایه با جنس دلخواه ساخته میشود. ضخامت این لایه حدود 10 نانومتر است. ولتاژ گیت، بین پایانههای گیت (G) و بدنه (B) اعمال میشود. در حالت معمول، پایانههای B و منبع (S) به یکدیگر متصل هستند. (ب) نماد نشانهگذاری ترانزیستور. (پ) رابطه بین جریان تخلیه (خروجی) و ولتاژ گیت [1].
مقدار جریان عبوری بستگی به غلظت حاملهای بار در طول کانال دارد. از این رو، نواحی منبع و تخلیه بهشدت دوپ شده هستند تا بر روی جریان عبوری تاثیری نگذارند. در واقع، فقط بخشی از کانال رسانش که بین این دو ناحیه قرار دارد کنترلکننده است. در حالت عادی، این بخش دوپ شده است و قابلیت عبور جریان تا مقدار مشخصی را دارد و با اعمال ولتاژ بین بدنه و گیت، پهنای کانال (غلظت آن) کنترل میشود. با اعمال ولتاژ منفی به گیت (نسبت به بدنه) در nMOSFET، بار منفی بر روی گیت قرار میگیرد و همانطور که در توضیح اتصالات MIS در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 2» تشریح شد، الکترونهای آزاد در کانال نوع n از نزدیکی گیت رانده شده و پهنای کانال کاهش مییابد. هرچه مقدار ولتاژ منفی گیت افزایش یابد، کانال باریکتر میشود و در یک ولتاژ بخصوصی که به آن ولتاژ pinch-off گفته میشود، کانال از بین میرود و دیگر الکترونهای ناحیه منبع، توانایی عبور از نیمههادی بدنه (نوع p) را ندارند (الکترونها قبل از رسیدن به الکترود تخلیه، با حفرههای زمینه ترکیب میشوند) و جریان خروجی صفر میشود. در حالت عادی (بدون اعمال ولتاژ به گیت)، این نوع ترانزیستورها هادی الکتریسیته هستند و در حالت روشن قرار دارند. همچنین با اعمال ولتاژ مثبت به گیت، میتوان پهنای کانال را افزایش و سیگنال خروجی را تقویت کرد. در نوع تهی pMOSFET نیز همین اتفاقات با اعمال ولتاژهای برعکس آنچه گفته شد، رخ میدهد.
نوع دیگر ترانزیستورهای MOSFET، نوع تقویتشده (enhancement-type) است که در آن، کانالی از پیشساخته برای عبور الکترون (در نوع nMOSFET) (شکل 5-الف) و یا حفره (در نوع pMOSFET) وجود ندارد. در حالت عادی و بدون اعمال ولتاژ، نبود کانال، مانع عبور جریان شده و لذا ترانزیستور حالت خاموش دارد. اما با اعمال ولتاژ مناسب، میتوان کانالی از حاملهای بار به وجود آورد. بهعنوان مثال، نوع nMOSFET را در نظر بگیرید. با اعمال ولتاژ مثبت به مقدار کافی به گیت (نسبت به بدنه)، بار مثبت کافی بر روی گیت قرار میگیرد و باعث رانده شدن حفرههای نیمههادی نوع p (بدنه) از نزدیکی گیت میشود. در این حالت، یک لایه تهی (depletion layer) به وجود میآید. با اعمال ولتاژ بیشتر مانند آنچه در مورد اتصالات MIS در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 2» گفته شد، یک لایه معکوس از جنس نیمههادی نوع n در نزدیکی گیت و در داخل بدنه (نیمههادی نوع p) تشکیل میشود. با افزایش بیشتر ولتاژ، ضخامت این لایه افزایش مییابد. در این صورت، جریان میتواند توسط الکترونهای آزاد از مسیر «منبع-کانال (لایه معکوس)-تخلیه» عبور کند. حالت تقویتشده نسبت به حالت تهی کاربرد بیشتری در ترانزیستورهای MOSFET امروزی دارد.
شکل 5- ترانزیستور nMOSFET از نوع تقویت شده: (الف) شمایی از ترانزیستور. (ب) نماد نشانهگذاری (خط چین نشانه نبود کانال در حالت عادی است). (پ) نمودار جریان تخلیه-ولتاژ گیت. VT، ولتاژ بحرانی است که با افزایش ولتاژ به مقدار بیش از آن، کانال پیوستهای از حاملهای بار تشکیل شده و جریان بین منبع و تخلیه برقرار میشود [1].
قابل ذکر است که کلمه «اکسید» در نام این نوع از ترانزیستورها ممکن است گمراهکننده باشد. امروزه در ساخت این ترانزیستورها، از طیف وسیعی از مواد عایق غیراکسیدی استفاده میشود. لذا کلمات MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor) یا IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transistor) مناسبتر به نظر میرسند. در واقع، MOSFET زیرمجموعهای از MISFET است. قابل ذکر است که IGFET ممکن است گیت با جنسی غیر از فلز داشته باشد.
3-2- نانوترانزیستورها
امروزه ترانزیستورهای MOSFET، MISFET و BJT در ابعاد نانومتری تولید میشوند. با کاهش ابعاد تا مقیاس نانومتری، میتوان تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه الکترونیکی با ابعاد معین قرار داد. همچنین از آنجاییکه قیمت تولید تراشهها به مساحت آنها بستگی دارد، با کوچکتر کردن آنها میتوان قیمت نهایی را کاهش داد. با کاهش ابعاد، زمان پاسخگویی ترانزیستور نیز افزایش مییابد. با این حال، در تراشههای امروزی، زمان پاسخگویی، بیشتر توسط اتصالات بین ترانزیستورها کنترل میشود و نه خود ترانزیستورها.
امروزه تعداد و انواع ترانزیستورهای مبتنی بر نانومواد بسیار متنوع و گسترده است و در حوصله این مقاله نمیگنجد. با اینحال، یکی از دستاوردهای جدید این حوزه، استفاده از تکلایههای دوبعدی ترکیبات دیکالکوژنات فلزات واسطه مانند MoS2 و WS2 با ضخامت کمتر از 1 نانومتر بهعنوان کانال رسانش در ترانزیستورهای MOSFET است. این مواد به دلیل خاصیت نیمرسانایی خود و تحرکپذیری بالای حاملهای بار، کاربرد گستردهای در نسل آینده ادوات الکترونیکی خواهند داشت. شکل 6 شمایی از یک ترانزیستور مبتنی بر تکلایه MoS2 را بههمراه تصویر میکروسکوپی آن نشان میدهد. همچنین تصویر و آنالیز AFM از تکلایه استفاده شده، بههمراه نمودار جریان- ولتاژ در این شکل نشان داده شده است.
شکل 6- تصویر میکروسکوپ AFM از تک لایه MoS2 با ضخامت 0/65 نانومتر (الف)، پروفیل ضخامت از محل مشخص شده در (الف) (ب)، تصویر میکروسکوپ نوری از تکلایه MoS2 (پ) و ترانزیستور MOSFET مبتنی بر آن (ت)، شمای سه بعدی از ترانزیستور (ث) و نمای روبرویی آن (ج) و جریان خروجی ترانزیستور برحسب ولتاژ اعمالی به پایانه گیت (چ) و ولتاژ پایانه تخلیه (ح) [2].
با اینحال، ساخت ترانزیستورهای با ابعاد نانومتری، مشکلات تکنیکی خاص خود را دارند. امروزه، این موانع با روشهای لایهنشانی نازک تا حد زیادی برطرف شدهاند. از دیگر مشکلات ترانزیستورهای نانومتری میتوان به کاهش ولتاژ اعمالی به گیت و افزایش نشت از لایه عایق بین گیت و بدنه در ترانزیستورهای MOSFET (به دلیل اثر تونلزنی) اشاره کرد. این پدیده، کارایی نانوترانزیستورها را کاهش میدهد.
نتیجه گیری
امروزه بسیاری از قطعات الکترونیکی در صنعت میکرو و نانوالکترونیک از اتصالات «فلز-نیمههادی»، «نیمههادی-نیمههادی» و «فلز-عایق-نیمههادی» ساخته شدهاند. این اتصالات با ساختارهای نواری بهخصوص خود تأثیر بسزایی بر روی انتقال جریان و خواص قطعات تولید شده دارند. در این مقاله، از بین کاربردهای گسترده این اتصالات، به ترانزیستورها پرداخته شد. ترانزیستورها یکی از پرکاربردترین قطعات در صنعت الکترونیک هستند و قابلیت سوییچ (تعویض) کردن و تقویت جریان را دارند. ترانزیستورها معمولاً به دو دسته ترانزیستورهای دوقطبی و ترانزیستورهای اثرمیدان تقسیمبندی میشوند. از بین انواع مختلف ترانزیستورها، ترانزیستورهای BJT و MOSFET مورد مطالعه قرار گرفتند.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Hummel, R.E., Electronic Properties of Materials. 2011: Springer New York.
۲ – Radisavljevic, B., et al., Single-layer MoS2 transistors. Nature nanotechnology, 2011. 6(3): p. 147-150.
۴ – Dalven, R., Introduction to Applied Solid State Physics: Topics in the Applications of Semiconductors, Superconductors, Ferromagnetism,the Nonlinear Optical Properties of Solids. 2012: Springer US.