ترانزیستورهای نسل جدید

--------------------------------------------------------------------------------

این ترانزیستورهای جدید بجای بهرهگیری از سیلیکون، با ایندیوم فسفاید(indium phosphide) و ایندیوم گالیوم آرسناید ( indium gallium arsenide)ساخته میشوند. این مواد با هم ترکیب میشوند تا یک ماده سه لایه ایجادشود که پایه ترانزیستورهای دوقطبی (bipolar) را تشکیل میدهد. هرترانزیستور از سه قسمت ساخته میشود که عبارتند از امیتر، بیس و کلکتور.تیم طراح میگوید که ساختار کلکتور را با افزودن ایندیوم، کریستالهمیکنند تا هتروجانکشن سودومورفیک (pseudomorphic heterojunction) درستشود. این پیوند اجازه میدهد تا الکترونها آزادانه تر بین دو لایه حرکتکنند که در نتیجه این عمل، سرعت بالا حاصل میشود. میلتون فینچ پروفسورمهندسی برق و کامپیوتر هولونیاک در ایلینویز که این مطالب را عنوان نموداضافه کرد که هنوز چند سالی با ارائه نمونه عملی این ترانزیستورها بهبازار فاصله داریم زیرا قیمتی که برای این نمونه تنظیم شده است 100 برابرترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است هرچند که انتظار میرود با تولیدانبوه، این هزینه تا 90 درصد کاهش یابد. یکی از نقاط ضعف این مواد جدیدآنستکه بشدت نیرو مصرف میکنند که باعث میشود تا نتوان آنها را درمیکروپروسسورها کنار هم قرار داد.


در سال 1971 میلادی اولین پردازنده شرکت اینتل به نام 4004 تعداد 2300ترانزیستور داشت و30 سال بعد از آن پردازنده پنتیوم 4 تعداد 42 میلیونترانزیستور داشت در طی این مدت استراتژی اصلی سازندگان تراشه ها برایساختن پردازنده های سریعتر کوچکتر کردن ترانزیستورها بوده برای فعال کردنآنها در انجام اعمال تکراری و همچنین فعال کردن مدارهای بسیار پیچیده کهدرون یک طاس از جنس سیلیکون جاگذاری شده اند به هر حال نظر به اینکه نیمرساناها حتی بیشتر از پیچیده بودن مرحله ی مهمی را در اندازه و حجم وکارایی ترانزیستورها می گذارنند مانند مصرف برق و گرما که دارد پدیدار میشود که به چند عامل محدود می شوند که به سرعت در طراحی و ساخت تراشه هابستگی دارد.کاربرد طرحهای موجود برای پردازنده های آینده به خاطر تراوشکنونی در ساختمان ترانزیستور غیر قابل انجام است که نتایجی را از قبیلمصرف زیاد برق و تولید زیاد گرما در برداشته است.
در اواخر سال 2002 شرکت اینتل از نوآوری و پیشرفتهای محققانش درزمینه ساختمان ترانزیستورها و نمایاندن مواد جدید که به عنوان یک گام مهمدر تلاش برای حفظ موازین قانون میکروچیپ و بهبود بخشیدن سرعت و راندومانقدرت و کاهش گرمای تولید شده در پردازنده خبرداد.این ساختمان جدید که بهعنوان یک به روز رسانی در پردازنده ها اضافه می شود به نام اینتل تراهرتزترانزیستور می باشد و این به خاطر توانایی در خاموش و روشن کردنترانزیستورها در مدت زمانی به اندازه یک ترلیونم از ثانیه است شرکت اینتلامیدوار است که سرانجام تراشه های جدیدی بسازد که تعداد ترانزیستور های آنبیشتر از یک بیلیون است باسرعتی ده برابر بیشتر و با تراکمترانزیستوری،بیست و پنج برابر تمام تراشه های پیشرفته موجود در سال2000.انجام چنین کاری این معنی را به عناصر تراشه می بخشد که آنها قادر بهاندازه گیری مقادیری بسیار کوچکتر از تار موی انسان به اندازه 20 نانو مترهستند.
ترانزیستور اختراع ساده ای است که در یک ناحیه ی سیلیکونی ساخته شدهاست که آن فقط میتواند به صورت الکترونیکی یک تبدیل بین خاموش و روشنانجام دهد.مطابق آیین و برنامه ترانزیستورها آنها سه پایانه با اسامی Gateو Source و Drain دارند.Source و Drain نوع دیگری از سیلیکون اساسی و Gateماده به نام پلیسیلیکون است.پایین Gate لایه ی نازکی به نام ماده عایق برقکه از دی اکسید سیلیکون ساخته شده وجود دارد وقتی که ولتاژی به ترانزیستورداده می شود Gate باز یا روشن می شود و جریان برق از Source به Drain جاریمی شود وقتی که Gate بسته یا خاموش است هیچ جریان برقی وجودندارد.تکنولوژی اینتل تراهرتز در ترانزیستورها دو تغییر عمده را شامل میشود اولی این است که فاصله ی بین Source و Drain زیاد تر می شود و زیربنایاین ترانزیستور ها به گونه ای است که فقط یک جریان الکتریسیته می تواند ازآن عبور کند.دومی این است که لایه ی عایق سیلیکون که اندازه ی آن بسیارنازک است زیر Source و Drain جاسازی می شود. این روش با روش موسوم برایایزوله کردن سیلیکون در بقیه ی اختراعات متفاوت است.وقتی ترانزیستور روشناست ماکسیسم رانشی است که می تواند داشته باشد که این در سرعت تبدیل حالتخاموش و روشن کردن ترانزیستور بسیار مفید است.وقتی که Gate خاموش است لایهی اکسید راه جریانهای ناخواسته ای که در گردش می افتد را مسدود میکند.سومی این است که قطعه شیمیایی لایه ی اکسیدی Gate ی ترانزیستور را باSource و Drain مرتبط می سازد که باعث می شود یک ماده عایق جدید ایجاد شودکه این روش توسط تکنولوژی به نام لایه ی اتمی رشد یافته است که این لایههایی هستند که با کلفتی یک مولکول رشد یافته اند.قطعه شیمییایی خیلی دقیقلایه ی اکسیدی Gate تابه حال توانسته از جنس آلومینیوم و تیتانیوم از بینبقیه قطعات باشد.
این سه روش بهبود سازی مستقل از هم هستند اما کار آنها در آینده یکهدف را دنبال خواهد کرد که استفاده ی موثرتری از جریان برق توسطترانزیستورهاست:
1- ضخیمتر کردن منطقه ی مورد استفاده برای Source و Drain و تغییرقطعه ی شیمییایی Gate اکسیدی که همه ی اینها به تراوش بدنه ی اصلی Gateکمک می کند زیرا جریان میتواند به خارج از Gate تراوش کند.ترانزیستور هایکوچکتر راه فرار بیشتری می گیرند به خاطر همین طراحان مجبورند جریانالکتریسیته ی بیشتری برای پمپ کردن در نظر بگیرند که باعث تولید گرمایبیشتری می شود. شرکت اینتل ادعا می کند تراوش Gate در ماده جدید نسبت بهدی اکسید سیلیکون 10000 برابرکاهش می یابد.
2- افزایش لایه ی عایق کننده سیلیکون ((SOI باعث کاهش مقاومت دربرابر جریان گردشی بین Source و Drain می شود.درنهایت این کاهش مقاومت بهطراحان این اجازه را خواهد داد که مصرف برق را کاهش دهند یا بازده وکارایی را نسبت به انرژی داده شده بهبود بخشند.
3- مزیتهای دیگری هم وجود دارد که آنها را نشان می دهیم.برای مثال:گردش آزادانه ذرات آلفا که از تماس با یک ترانزیستور در تراشه ها می تواندبه طور ناگهانی باعث تغییر حالت آن یا بروز خطا شود که در آینده این ذراتبوسیله ی لایه ی عایق کننده (SOI) جذب می شوند.
پردازنده های کنونی پنتیوم4 با توان 45 وات نار می کنند.خوب استبدانیم که ترانزیستورهای تراهرتز درپردازنده های آینده قادر هستند مراحلاتلاف توان را حفظ کنند و قدرت را در فاصله ی 100 وات نگهدارند.
شرکت اینتل پیشنهاد کرده که می تواند با بکارگرفتن قسمتهایی ازتکنولوژی تراهرتز در تولیدات آتی خود مثلا تراشه های 0.09 میکرونی در سال2003 یا زودتر استفاده کند.در نهایت تغییرات شیمییایی و معماری مجزا درتکنولوژی جدید می تواند در نیمه دوم قرن جاری به اوج خود برسد.شرکت اینتلدر سال 2007 تراشه هایی خواهد ساخت که با یک بیلیون ترانزیستور کار می کنداما با میزان مصرف برق پردازنده های پنتیوم 4 که در قرن حاضر مصرف میشوند.با چنین سرعت پیشرفت،از ترانزیستورهای جدید انتظار می رود پردازندههایی با سرعت 10 گیگا هرتز در سال 2005 و تراشه هایی با 20 گیگاهرتز سرعتدر پایان دهه تولید شود

سریعترین ترانزیستور جهان توسط دكتر " فرشید رییسی " عضو هیات علمیدانشكده مهندسی برق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی طراحی و ساختهشد.در طراحی این ترانزیستور به جای الكترون از سالیتان (بستههای امواجالكترو مغناطیسی ) كه با سرعت نور حركت میكند،استفاده شده است.رییسیدرباره مزیت این طرح گفت:ترانزیستور سالیتانی میتواند صدها برابر سریع تراز ترانزیستورهای معمولی كه از جنس نیمه هادی هستند، عمل كند.وی افزود:اینترانزیستور در ابعاد ‪ ۸دهم میلیمتر ساخته شده است و سرعتی حدود ‪۸گیگاهرتز دارد كه در مقایسه با ترانزیستورهای معمولی (حدود ‪ ۲/۵گیگاهرتز) سه برابر بیشتر است و هر چه ابعاد آن كوچكتر باشد،سرعت ترانزیستورافزایش مییابد.وی با اشاره به اینكه قطعات مورد نیاز این ترانزیستور ازخارج كشور تهیه میشود،گفت:تولید این ترانزیستور به آزمایشگاههای ساختقطعات نیمه هادی نیازمند است كه متاسفانه در كشور وجود ندارد.وی افزود:درحالی كه هزینه تهیه یك آزمایشگاه ساخت ترانزیستور سالیتانی نسبت به هزینهآزمایشگاههای ساخت ترانزیستورهای كنونی بسیار كمتراست.دكتر رییسی خاطرنشان كرد:در صورت تجهیز آزمایشگاه قطعات نیمه هادی در كشور ،با تهیهترانزیستورهای سالیتانی در ابعاد صد نانومتر ،می توان سرعت فركانسی آن رابه حدود ‪ ۲۰۰تا‪ ۳۰۰گیگاهرتز رساند تا در مواردی نظیر ابررایانههاوفعالیتهای دفاعی كه سرعت ترانزیستور اهمیت دارد به كار رود.ویافزود:ترانزیستور سالیتانی علاوه بر سرعت سه برابر بیشتر نمونه اولیه آننسبت به سریعترین ترانزیستورهای موجود در بازار،از لحاظ هزینه تولید ازترانزیستورهای نیمه هادی با كاربردی در ‪ CPUهابسیار ارزانتر است.مقالهمربوط به طرح ابتكاری دكتر "فرشید رییسی" كه در مجله معتبر بینالمللی ‪Applied Physics Lettersآمریكا ارایه شده،بازتاب وسیعی در نشریات ورسانههای علمی فیزیك جهان داشته است
.