زنگ تفریح شماره 168
در طول قرن بیستم مخترعین وسایل زیادی اختراع کردند که ما به آن‌ها وابسته‌ایم. یکی از این اختراعات مهم ترانزیستور بود. ترانزیستور در سال 1947 میلادی توسط مهندسانی که در آزمایشگاه بل کار می‌کردند توسعه داده شد، هدف اصلی از اختراع ترانزیستور تقویت صدا روی خطوط تلفن بود. ترانزیستور جایگزین تکنولوژی قدیمی‌تر "لامپ‌های خلاء" شد. این لامپ‌ها قابل اطمینان نبودند، ضخیم بودند و گرمای زیادی تولید می‌کردند. در زنگ تفریح شماره‌ی 138 مختصری از تاریخچه ترانزیستور را می‌توانید ملاحظه کنید.
اولین ترانزیستور، ترانزیستور نقطه تماس بود که ارتفاع آن نیم اینچ (127 سانتی‌متر) بود. این ترانزیستور خیلی قدرتمند نبود، اما فیزیکدانان و مهندسان شروع به استفاده از این ترانزیستود در وسایل الکترونیکی مختلف کردند. با گذشت زمان آن‌ها همچنین یاد گرفتند که چطور ترانزیستورها را کوچک‌تر و اثربخش‌تر کنند.
در 1958 مهندسان دو ترانزیستور را به یک کریستال سلیکونی چسباندند و اولین مدار مجتمع را ایجاد کردند که توسعه‌ی این مدار مجتمع به ایجاد ریزپردازنده انجامید. اگر کامپیوتر را یک انسان در نظر بگیریم ریزپردازنده مغز آن است.
تا سال 1960، دانشمند علوم کامپیوتر گوردن مور پیش‌بینی جالبی کرد. او متوجه شد که هر 12 ماه، دانشمندان می‌توانند تعداد ترانزیستورها را در مربع سیلیکونی در ابعاد 1X1 اینچ دو برابر کنند. همانند چرخ‌های ساعت مهندسان راه‌هایی برای کاهش اندازه ترانزیستورها پیدا کردند. با این ترانزیستورهای کوچک است که امروزه ما وسایل الکترونیکی مانند کامپیوترهای شخصی، تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های پخش MP3 را در اختیار داریم. بدون ترانزیستور ما هنوز باید از لامپ‌های خلاء . سوئیچ‌های مکانیکی برای انجام محاسبات استفاده می‌کردیم. بر اساس قانون مور، این روند همچنان ادامه دارد البته نه به سرعتی که مور پیش‌بینی کرده بود. امروزه تعداد ترانزیستورها هر 24 ماه دو برابر می‌شود. اما سوال جالبه که ممکن است به ذهنتان برسد این است که ترانزیستورها چقدر می‌توانند کوچک شوند؟ با پاسخ به این سوال می‌توان دریافت که CPU تا چه اندازه می‌تواند کوچک شود! در سال 1947 یک ترانزیستور کمی بیشتر از یکصدم متر ارتفاع داشت. امروزه، اینتل ریزپردازنده‌هایی در ابعاد 45 نانومتر تولید می‌کند. یک نانومتر یک میلیاردم یک متر است! اینتل و دیگر تولید کننده‌های ریزپردازنده در حال حاضر روی نسل بعدی چیپ‌ها کار می‌کنند. آن‌ها از ترانزیستورهایی در ابعاد 32 نانومتر استفاده خواهند کرد.
آناتومی ترانزیستور
سیلیکون یک نیمه رسانا است که در شرایط خاص می‌تواند مانند یک رسانا رفتار کند، در غیر این شرایط مانند یک نارسانا عمل می‌کند. با ایجاد شرایط خاص امکان کنترل جریان الکترونیکی امکان پذیر است. این مفهوم ساده اساس تمام دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته‌ی دنیاست. در ترانزیستور 3 پایانه وجود دارد؛ یک منبع(سورس)، درین(drain) و گیت. گیت بین منبع و درین قرار می‌گیرد. گیت دروازه‌ی عبور ولتاژ از سیلیکون است. ولتاژ از این گیت وارد می‌شود اما خارج نمی‌شود. در گیت لایه‌ی نازکی نارسانا به نام لایه اکسید قرار دارد که مانع از برگشت الکترون‌ها می‌شود.
|
 |
ترانزیستورهایی در ابعاد نانو
هر سال اخباری مبنی بر اینکه کوچک‌ترین ترانزیستور تولید شده است و شاید این پایان قانون مور باشد منتشر می‌شود. سپس مهندسان راه‌های خلاقانه‌ای برای ایجاد ترانزیستورهای کوچک‌تر پیدا می‌کنند و ثابت می‌کنند که اخبار نادرست بوده‌اند. اما این حقیقت دارد که یک روز قوانین فیزیکی مانعی بر سر راه کوچک‌تر شدن ترانزیستورها خواهد شد، زیرا وقتی شما در ابعاد نانو کار می‌کنید، شما وارد دنیای عجیب مکانیک کوانتوم شده‌اید. در این دنیا ماده و انرژی به گونه‌ای متضاد رفتار می‌کنند. یکی از اثرات کوانتوم، توانل الکترونیکی است. تونل الکترونیکی کمی شبیه انتقال از راه دور است وقتی مواد خیلی نازک باشند (ضخامت هر نانو متر حدود 10 اتم است)، الکترون‌ها می‌توانند یک تونل ایجاد کنند. الکترون‌ها واقعا سوراخی درون مواد ایجاد نمی‌کنند. الکترون‌ها از یک طرف مانع شروع به ناپدید شدن می‌کنند و در طرف دیگر دوباره پدیدار می‌شوند. از آنجا که گیت جریان الکترون‌ها را کنترل می‌کند این یک مشکل محسوب می‌شود.
اگر الکترون‌ها بتوانند تحت شرایط خاص از گیت عبود کنند، راهی برای کنترل آن‌ها وجود ندارد. با ترانزیستور سوراخ، جریان الکترون‌ها قابل کنترل نیست پس پردازنده یا بی‌اثر می‌شود و یا اصلاٌ کار نمی‌کند.
با کمپانی‌های مانند اینتل که روی ترانزیستورهایی با ابعاد 32 نانومتر کار می‌کنند طولی نمی‌کشد که لایه اکسید انقدر نازک می‌شود که به عنوان گیت برای الکترون‌ها عمل خواهد کرد. ممکن است مهندسان راهی برای ایجاد ماده نارسانایی اثربخش حتی در ضخامت کمتر از یک نانومتر پیدا کنند، اما حتی اگر موفق به این کار شوند ترانزیستورها بیشتر پیشروی نخواهند کرد. این بدان معنا نیست که ترانزیستورها دیگر به کار نمی‌آیند بلکه سرعت پیشرفت و توسعه ریزپردازنده کم خواهد شد.