کاربردهای اتصالات نانوالکترونیکی 2

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.