Tuesday, February 1, 2011

کربن یا سیلیکون

1. مقدمه
ایده‌ی ترانزیستورهای سیلیکونی از آن جایی که توانایی قرار گرفتن در دو وضعیت روشن (on) و خاموش (off) را دارند، پس از طرح در دنیای الکترونیک به سرعت مورد نظر صنایع الکترونیک قرار گرفت. در واقع؛ در حالی که مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام می‌‌گرفت؛ ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری که ساخت میلیون‌ها عدد از آن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد. لذا در اندک زمانی ایده‌ی روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء به کلی فراموش شد و ترانزیستورهای سیلیکونی دنیای الکترونیک را از آنِ خود کرد. سیلیکون (همان عنصر سیلیسیوم یا Si) نیز به عنوان ماده‌ای که خواص نیمه‌رسانایی دارد و به فراوانی در طبیعت یافت می‌شود، ماده‌ی اصلی ساخت ترانزیستورها گردید. 

شکل1- مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام می‌گرفت.شکل2- ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری که ساخت میلیون‌ها عدد از آن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد.
به تدریج و با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها، از سویی محدودیت‌های بسیاری در فرآیند ساخت آن‌ها ایجاد می‌گردید و از سوی دیگر، چالش‌های بسیاری در عملکرد ترانزیستورها مشاهده می‌شد. پژوهشگران و دانشمندان الکترونیک بخشی از این محدودیت‌ها و چالش‌ها را با نوآوری‌ها و ابداعاتی برطرف کردند. اما ورود به دنیای نانو، همان قدر که مزایای شگفت‌انگیزی را به دنبال داشت، محدودیت‌ها و چالش‌های بسیاری را نیز در پی داشت (بخشی از این چالش‌ها و محدودیت‌ها و نیز راه‌حل‌های پژوهشگران برای پاسخ به آن‌ها در مقالات یازدهم تا چهاردهم نانوالکترونیک مطرح شده است).
2. یک ایده‌ی جدید!
در مقاله‌ی چهارم نانوالکترونیک راجع به ساختار و چگونگی عملکرد ترانزیستور توضیح دادیم. هم‌چنین، در مقاله‌ی پنجم و ششم نانوالکترونیک با بیان مثال‌هایی چگونگی قرار گرفتن ترانزیستور را در مدارات الکترونیکی مشاهده کردیم و بدین ترتیب نقش و جایگاه ترانزیستور را در مدارات الکترونیکی متوجه شدیم. اما پس از کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991 و پی بردن به خواص شگفت‌انگیز آن، اکنون برخی پژوهشگران الکترونیک ایده‌ی جایگزینی نانولوله‌های کربنی را به جای ترانزیستورهای سیلیکونی مطرح می‌کنند. گویا به زودی ترانزیستورهای سیلیکونی گرفتار همان سرنوشتی خواهند شد که خود برای لامپ‌های خلاء رقم زدند، خداحافظی از دنیای الکترونیک!
مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانو لوله‌های کربنی به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانو لوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانو لوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.

شکل3- مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانو لوله‌های کربنی به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانو لوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانو لوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.

در این مکانیسم کنترل جریان الکتریکی در نانولوله‌های کربنی از طریق الکترودی است که به هر نانولوله متصل است. نقاط تقاطع همان نقش کلیدهای ترانزیستوری را دارند. وقتی نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر تماس ندارند، کلید در حالت قطع (off) قرار دارد و هنگامی که نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر در تماس هستند، کلید در حالت وصل (on) قرار دارد. قطع و وصل کردن کلیدها با عبور جریان الکتریکی از نانولوله‌های کربنی کنترل می‌شود. همان طور که مشاهده می‌شود این مکانیسم نظیر مکانیسم استفاده از ترانزیستور، منجر به تولید کلیدهایی می‌شود که در دو حالت قطع و وصل قرار دارند و لذا می‌تواند اساس عملکرد مدارهای الکتریکی مجتمع قرار گیرد.
پژوهشگران برآورد می‌کنند که با استفاده از این مکانیسم در یک تراشه‌ی یک سانتی‌متر مربعی در حدود یک تریلیارد (1012) کلید می‌توان جای داد. این در حالی است که با استفاده از مکانیسم ترانزیستورهای سیلیکونی در تراشه‌ای مشابه، تنها یک صد میلیون (108) کلید می‌توان قرار داد. لذا برآورد می‌شود که سرعت مدارهای مجتمع که با استفاده از این مکانیسم ساخته می‌شوند بیش از 100 برابر بیش‌تر از مدارهای مجتمعی باشد که با ترانزیستورهای سیلیکونی ساخته می‌شوند.

3. چالش‌های تراشه‌های ساخته شده با نانو لوله‌های کربنی
استفاده از نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی اگر چه ایده‌ی بسیار جالبی است و احتمالا موجب جهش عظیمی در صنعت الکترونیک خواهد شد، لیکن هنوز یک ایده‌ی اولیه است و جوانب آن چندان مورد بررسی و کنکاش قرار نگرفته است. یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌ها بر سر راه آن، فناوری ساخت نانولوله‌های کربنی به شکل مورد نظر در این مکانیسم است. اگر چه امروزه روش‌های متعددی برای ساخت نانولوله‌های کربنی وجود دارد، اما روش‌های تولید ارزان قیمت آن‌ها در مقیاس وسیع بر روی یک تراشه، هنوز توسعه نیافته است. ضمنا کاهش ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در نانولوله‌ها جای می‌گیرند نیز مورد توجه است. هم‌چنین چگونگی برقراری اتصالات میانی (Interconnects) و نیز گسترش و توسعه‌ی تجهیزات و ابزارهای طراحی و ساخت تراشه‌ها با استفاده از نانولوله‌های کربنی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. در واقع حرکت از یک فناوری قدیمی به سمت یک فناوری جدید مستلزم کنکاش و بررسی همه‌ی ابعاد این انتقال است.

4. نتیجه
در هنگام ابداع ترانزیستورهای سیلیکونی، پژوهشگران از این که برای استفاده در مدارات الکترونیکی جایگزین مناسبی برای لامپ‌های خلاء یافته‌اند، بسیار هیجان‌زده بودند. آن‌ها اکنون به جای استفاده از لامپ‌های خلاء می‌توانستند از ترانزیستورهایی استفاده کنند که هم ارزان‌تر و کوچک‌تر بودند و هم ساخت آن‌ها در مقیاس وسیع بسیار ساده‌تر بود. بدین ترتیب بود که صنعت الکترونیک با یک جهش عظیم روبرو شد. به تدریج دانشمندان به منظور افزایش سرعت مدارهای الکترونیکی، شروع به کوچک کردن ابعاد ترانزیستورها کردند. این ماجرا آن قدر با جدیت پیش می‌رفت که گوردون مور بر اساس آن، یک قانون تجربی را بیان کرد؛ نصف شدن ابعاد ترانزیستورها در هر 18 ماه. اما این کوچک شدن تا جایی پیش رفت که محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی، مسائل اساسی و چالش‌های جدی‌ای را پیش روی پژوهشگران قرار داد. در این میان ایده‌ی جدیدی به تدریج شکل گرفت و آن جایگزینی نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی بود که در این نوشتار تا حدودی ابعاد گوناگون آن مورد بررسی قرار گرفت. اکنون باید منتظر باشیم و نظاره کنیم که آیا همان طور که ترانزیستورهای سیلیکونی، لامپ‌های خلاء را به فراموشی سپردند؛ نانولوله‌های کربنی نیز ترانزیستورهای سیلیکونی را از دنیای الکترونیک بیرون خواهند راند یا نه؟!


No comments: