الترانزستور وحيد الإلكترون

ترانزستور وحيد الكترون

Single electron transistor -

الترانزستور وحيد الإلكترون

مبدأ العمل

تطبيقات التزانزستور وحيد الإلكترون

طرائق تصنيع الترانزستور وحيد الإلكترون

الترانزستور وحيد الإلكترون Single Electron Transistor (SET) عنصر إلكتروني يمكن بوساطته التحكم بحركة الشحنات الكهربائية (الإلكترونات) فيه بحيث تمر واحداً فواحداً، ويتحقق ذلك عندما تكون الأبعاد المميزة للترانزستور قد بلغت أبعاداً نانوية لا تزيد على 100نانومتر حداً أقصى، وتصل إلى عدة نانومترات في طرائق التصنيع الحديثة للترانزستورات. ويعود السبب الفيزيائي لهذه الإمكانية إلى ظاهرة الحصر الكولوني Coulomb blockade التي تتم ضمن ناقل ذي سعة كهربائية متناهية في الصغر محدودة بحواجز عازلة رقيقة تسمح بحصول المفعول النفقي. تسمح تقانة الترانزستور وحيد الإلكترون بعدة تطبيقات تشمل طرائق عالية الحساسية لقياس الشحنات الكهربائية، ومعياراً للتيار الكهربائي، ومعياراً لقياس درجة الحرارة المطلقة، ومطيافية إلكترونية عالية الدقة، وذواكر تخزين صلب عالية الكثافة، وثمة توقعات باستخدامها في الدارات المنطقية العالية التكامل Very Large Scale Integration (VLSI). تعود الملاحظات الأولى لظواهر تكميم الشحنة في الترانزستورات إلى العام 1968. وصنع سكوت-توماس Scott-Thomas وفريقه أول ترانزستور وحيد الإلكترون في العام1989.

مبدأ العمل

الحصر الكولوني: يتحقق الحصر الكولوني في ناقل صغير الأبعاد مع حواجز كمومية ذات مفعول نفقي حوله كما يظهر الشكل (1) الذي يوضح البنية المكونة من جزيرة من السليكون مرتبطة بقطبين electrodes هما المصدر source والمصرف drain كما هو معروف في ترانزستور الأثر الحقلي Field-Effect Transistor (FET) باستخدام وصلة عازلة رقيقة جداً، إضافة إلى قطب البوابة الذي يتحكم بالكمون الكهربائي للجزيرة. يمكن تمثيل هذه البنية كما في الشكل (2) بناقل يحتوي على عدد من الإلكترونات يرتبط بالبوابة عن طريق السعة CG وبالمصدر عن طريق مقاومة نفقية RS وسعة CS على التوالي، وكذلك يرتبط بالمصرف بمقاومة RD وسعة CD أيضاً. ونتيجة لهذه الأبعاد الصغيرة من (مرتبة 100 nm وما دون) تكون سعة الناقل الكهربائية من مرتبة فاراد. وتؤدي هذه السعة إلى إضافة شحنة إلكترونية واحدة إلى الناقل مما يرفع الكمون فيه ارتفاعاً محسوساً (mV) ولا يمكن إضافة إلكترون ثانٍ من دون رفع الجهد بهذا المقدار على الأقل. ونظراً لأن إدخال الإلكترون يحتاج إلى جهد منتهٍ وغير متناهٍ إلى الصفر فإن وجود الإلكترون على الجزيرة يمنع إلكتروناً آخر من الانتقال إلى الجزيرة الناقلة.

الشكل (1) البنية الهندسية للترانزستور وحيد الإلكترون.

الشكل (2) التمثيل الإلكتروني للترانزستور وحيد الإلكترون.

لكي يعمل الترانزستور في النمط وحيد الإلكترون يجب تحقق عدة شروط، هي:

أ- يجب أن تكون السعة الكهربائية لجزيرة الإلكترونات C صغيرة بما يكفي لكي تكون طاقة شحن الجزيرة بإلكترون واحد أكبر من الطاقة الحرارية العشوائية ، حيث T درجة الحرارة المطلقة مقيسة بالكلفن، وKB ثابت بولتزمان. ويجب أن يتحقق لكي لا تدمر التقلبات العشوائية الحرارية random thermal fluctuations الآثار الفيزيائية المتعلقة بالترانزستور وحيد الإلكترون. وعندما تكون أبعاد الجزيرة من مرتبة 100 nm فإن ، ومن ثم يجب أن تكون الطاقة الحرارية أقل من وهو ما يكافئ درجة حرارة من مرتبة 1K التي تحتاج إلى تقنيات خاصة لكونها أقل من درجة حرارة غليان الهليوم السائل . وإذا كانت أبعاد الجزيرة أقل من 10 nm فإن ، ويصبح بالإمكان ملاحظة الظواهر الخاصة بـهذا الترانزستور (SET) عند درجة حرارة الغرفة. وفي حالة التطبيقات الرقمية لـ SET يعتقد أن الشرط يجب أن يكون .

ب- يجب أن تكون مقاومة الحاجز النفقي بين المصدر والجزيرة أو بين الجزيرة والمصرف أكبر بكثير من قيمة المقاومة الكمومية RQ المعطاة بالعلاقة ، وh هو ثابتة بلانك، بحيث يستبعد حالات العبور الجزيرة النفقي المتزامن cotunneling من دون الاستقرار فيها.

يمثل الشكل (3) البنية الطاقية للجزيرة والمصدر والمصرف. تمثل سوية طاقة الإلكترونات في المصدر، و سوية طاقة الإلكترون في المصرف. تعبِّر السويات الطاقية ضمن الجزيرة بشكلها المتقطع عن تغير طاقة الجزيرة عند إضافة إلكترون واحد إليها. وإن ظهور البنية المتقطعة يعود إلى كون السعة الكهربائية صغيرة جداً، وليس لعوامل كمومية كما هي حال العلب الكمومية. وعندما يكون فرق الجهد قريباً من الصفر بين المصرف والمصدر فإنه يمكن - من أجل جهد معين للبوابة - أن تتوافق سوية طاقية للإلكترون ضمن الجزيرة التي تتأثر بهذه البوابة مع سوية طاقة الإلكترون في كل من المصدر والمصرف. ومن ثم يمكن للإلكترون أن يمر ضمن الجزيرة بين المصرف والمصدر بوساطة المفعول النفقي. أما عندما يؤدي جهد البوابة إلى إزاحة السوية الطاقية للإلكترون عن سوية الطاقة في المصدر فإن المفعول النفقي يصبح مهملاً ولا يمر التيار في الترانزستور. لهذا يكون المنحني المميز للترانزستور وحيد الإلكترون كما هو في الشكل (4)، حيث يُلاحظ أن انتقال التيار من المصرف إلى المصدر يتم بقفزات فرق الجهد بينها، وهو تماماً فرق الجهد اللازم لإضافة إلكترون واحد إلى الجزيرة.

ولدى تغيير جهد البوابة بقيم متحكم بها يمكن السماح للإلكترونات بالمرور واحداً واحداً. وهو ما يسمح بتطبيقات عديدة.

تطبيقات التزانزستور وحيد الإلكترون:

1- مقياس عالي الحساسية للشحنات الكهربائية ultra sensitive electrometerحيث يمكن قياس تيارات صغيرة جداً من مرتبة أمبير، وهو ما لا يمكن قياسه بوسائل أخرى.

2- مقياس معياري للتيار الكهربائي المستمر DC current standard، ويمكن ذلك عند إجراء الإقفال الطوري بين الترانزستور وحيد الإلكترون وهزاز عالي التردد جرى تثبيت تردده بدقة عالية، حيث إن التيار المار في الترانزستور في هذه الحالة هو I=mef، حيث m عدد صحيح، وe شحنة الإلكترون، وf تردد (تواتر) الهزاز. ويسمح ذلك بقياس التيارات بدقة عالية من مرتبة 10-8، ويتوقع الوصول إلى دقة نسبية 10-10، وإن كان مجال القياس ما يزال عند حدود البيكو أمبير. وهناك جهود للوصول إلى مجال النانو أمبير باستخدام أزواج كوبر Cooper Pair في ناقل فائق الموصلية (الناقلية).

3 - مطيافية المستويات الإلكترونية للبنى النانوية: أثمرت تقانة الترانزستور وحيد الإلكترون عن إمكان إضافة الإلكترونات واحداً واحداً إلى البنى الكمومية النانوية، وبذلك قياس السويات الطاقية لها، ويمكن أن ينفذ ذلك بطريقتين: الأولى بأن توصل البنية النانوية سعوياً بالترانزستور وحيد الإلكترون، والثانية بأن تكون البنية النانوية المطلوب دراستها هي الجزيرة في الترانزستور وحيد الإلكترون. كما أمكن تصنيع رأس الحساس في مجهر المفعول النفقي بحيث تضمن ترانزستوراً وحيد الإلكترون، وبذلك أمكن التعامل مع تيارات صغيرة جداً وإضافة الشحنات ونزعها من البنى النانوية في أثناء عملية المسح.

4- يتوقع أن يصبح بالإمكان أن يستخدم الترانزستور وحيد الإلكترون عند درجات الحرارة المنخفضة معياراً لدرجة الحرارة المطلقة، حيث يصبح في منحني معامل الناقلية للترانزستور عند درجات الحرارة التي تحقق مستقيماً تقليدياً مع ندبة صغيرة عند V=0، عرضها عند نصف الارتفاع ، كما يظهر الشكل (5). ولأن هذا المقدار لا يعتمد إلا على الثوابت الفيزيائية المعروفة بدقة مما يسمح بقياس دقيق لدرجة الحرارة المطلقة من دون الحاجة إلى معيار مساعد. ولكن العمل على هذا المعيار لكي يصبح متاحاً عند نطاق واسع من درجات الحرارة ما يزال رهن البحث.

الشكل (5) كيفية الاستفادة من منحني الترانزستور وحيد الإلكترون في قياس درجة الحرارة: التيار بدلالة الجهد في حالة درجات حرارة مختلفة، ب- المنحني يصبح مستقيماً عندما ترتفع درجة الحرارة، ج- الندبة وعرضها عند نصف الارتفاع.

ثمة تطبيقات أخرى كاستخدامه معياراً للمقاومة الكهربائية الذي يعتمد على مفعول هول الكمومي، أو حساساً للأشعة تحت الحمراء، لكن التطبيقات التي تعد مجال الاستخدام الكثيف الواسع النطاق للترانزستور هي البوابات المنطقية وخلايا الذاكرة الأساسية. والمشكلة الأساسية التي تعترض استخدامه في الدارات المنطقية هي الحاجة إلى كمون حصر كولوني من مرتبة ، ومن ثم فإن الأبعاد المطلوبة هي من مرتبة النانومتر. ولكن من الممكن أن تكون الذواكر القادرة على الاحتفاظ بالمعلومات لما يزيد على عشر سنوات هي التطبيق الأقرب المتوقع أن يرى النور.

طرائق تصنيع الترانزستور وحيد الإلكترون

لاشك في أن تقانات الميكروإلكترونيات ضرورية لتصنيع الترانزستور وحيد الإلكترون ولاسيما بعد تطور التقانة لتصبح أبعاد الترانزستورات MOSFET التقليدية من مرتبة 20 nm، وهذا أكبر بعدة مرات من الأبعاد المناسبة لبدء عمل الترانزستور وحيد الإلكترون عند درجات حرارة مقبولة. ويجب عادة أن تستخدم تقانة السليكون التنضيدي epitaxial silicon فوق طبقة من العازل المدفون Buried Oxide (BOX) على رقاقة من السليكون. كما يظهره الشكل (6).

الشكل (6) خطوات تصنيع بنية ترانزستور وحيد الإلكترون قبل تصنيع الحواجز الكمونية

لكي يمكن تصنيع الحواجز الكمونية يُعتمد على فكرة الأكسدة التفضيلية، إذ إن مناطق الجسر السليكوني الذي يصل بين المصدر والمصب لا تتأكسد بالطريقة نفسها، حيث إن التأكسد يكون كاملاً عند الزوايا في حين تقاوم المنطقة الوسطى التأكسد. وتعرف هذه الطريقة بـ PADOX، أي الأكسدة المعتمدة على النمط pattern dependant oxidation، وبذلك يتم الحصول على الحواجز العازلة ذات المفعول النفقي. يظهر الشكل (7) صورة المجهر الإلكتروني لبنية كهذه. علماً أن تطور طرائق التصنيع الجديدة ربما يسمح بالوصول إلى الأبعاد النانوية التي تسمح بالتطبيقات الرقمية لهذه التقانة، وهو ما سيترك أثراً عميقاً عند حدوثه.

الشكل (7) صورة ترانزستور SET ببوابتين تكافئ دارة XOR منطقية.

ظافر موسى

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد السابع

رقم الصفحة ضمن المجلد :

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية