ترانزیستور نقطه کوانتومی: جایگزینی برای الکترونیک انعطاف پذیر

مقدمه

“محققان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس با همکاری دانشگاه کالیفرنیا، با استفاده از ترانزیستور نقطه کوانتومی برای ایجاد مدارهای منطقی کاربردی ایجاد کرده‌اند.”

محققان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه کالیفرنیا توضیح می‌دهند که چگونه فناوری نقطه‌ی کوانتومی فرصتی برای ترکیب نیم‌رساناهای غیر آلی با سیستم‌های مولکولی که قابلیت پردازش شیمیایی دارد، فراهم می‌کند و یک مدار CMOS کاربردی را ارائه می‌دهد.

اما نقطه‌ی کوانتومی چیست؟ چه چیزی این در این تحقیق اهمیت ویژه‌ای دارد؟ در این وبلاگ از اسکایتک، این موضوع را بررسی خواهیم کرد. هم چنین برای آشنایی بیشتر با مفاهیم کوانتوم، پیشنهاد می‌شود که “کیوبیت چیست؟“ و “رایانه کوانتومی” را مطالعه کنید.

نقاط کوانتومی چیست؟

نقاط کوانتومی (QDs) یک ذره‌ی نانومقیاس ساخت بشر با اندازه‌ی زیر ۱۰ نانومتر و دارای ویژگی‌های الکترونیکی هستند که به دلیل قوانین مکانیک کوانتومی، رفتار آن‌ها با ذره‌ی بزرگ‌تر تفاوت دارد.

یکی از رایج‌ترین اثرات کوانتومی، ویژگی نور تابناکی (photoluminescence) آن‌هاست که توانایی انتشار نور با رنگ‌های مختلف تحت اشعه‌ی UV را دارند.

ترانزیستور نقطه کوانتومی

فناوری میکروالکترونیک از گذشته تا کنون مبتنی بر سیلیکون با خلوص بالا در محیط عاری از هر گونه آلاینده‌ها، بوده است. هر چند این فناوری با چالش‌های متعددی روبرو شده که می‌توانند با استفاده از فرایندهای شیمیایی خارج از چنین محیط‌هایی با هزینه‌ی کم ساخته شوند.

نانو ذرات کلوئیدی یکی از این نمونه‌های نقاط کوانتومی هستند که با قوانین و اثرات مکانیک کوانتومی قابل کنترل هستند. این نانو ذرات شامل یک هسته ی نیم رسانا است که با مولکول آلی احاطه شده است.

این نانو ذرات دارای ترکیبی از ویژگی‌های نیم رسانایی با قابلیت سازگاری با سیستم مولکولی است. به این ترتیب، آن‌ها برای ساخت مدارهای الکترونیکی انعطاف پذیر که می‌توانند بر روی هر سطحی چاپ شوند، گزینه‌ی بسیار مفیدی هستند. هم‌چنین امکان ارائه در صنایع الکترونیک، امنیت و پزشکی وجود دارد.

ویکتور کلیموف، فیزیکدان متخصص در نانو کریستال‌های نیم  رسانا می‌گوید: ” از جمله محصولاتی که مبتنی بر نقاط کوانتومی غیر سمی ساخته می‌شوند، می‌توان به مدارهای چاپی، نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، دستگاه‌های پوشیدنی، آزمایش‌های پزشکی، ایمپلنت‌های هوشمند و سیستم‌های بیومتریک اشاره کرد.”

اگرچه اولین ترانزیستور نقطه کوانتومی حدود دو دهه‌ی پیش ارائه شده‌اند. اما یکپارچه سازی ترانزیستورهای مکمل از نوع N و P در همان لایه نقطه کوانتومی چالشی بزرگ بوده است. در حالی که سایر تلاش‌های تحقیقاتی استفاده از نانو کریستال‌های مبتنی بر سرب و کادمیوم را برای غلبه بر این چالش انجام شده‌اند. اما این فلزات، سنگین و سمی هستند که کاربردهای آن‌ها را در صنایع، محدود می‌کنند.

گروه تحقیقاتی آزمایشگاه لوس آلاموس و دانشگاه کالیفرنیا، با استفاده از ترکیب سلنید ایندیم مس (CuInSe2) نشان دادند که نقاط کوانتومی عاری از فلزات سنگین و سمی هستند. هم چنین آن‌ها توانستند ترانزیستورهای P و N را در همان لایه‌ی نقطه کوانتومی، یکپارچه کنند.

فناوری ترانزیستور نقطه کوانتومی به محققان اجازه می‌دهند که هر دو نوع ترانزیستور را با اتصالات فلزی از جنس طلا و ایندیم پیاده سازی کنند. آن‌ها برای نشان دادن عملکرد دستگاه‌های ساخت خود، مدارهای CMOS کاربردی را ارائه دادند که توانایی انجام عملیات منطقی را دارند.

کلیموف گفت: ” این رویکرد امکان یکپارچگی تعداد دلخواهی از ترانزیستور نقطه کوانتومی را در یک لایه فراهم می‌کند و به صورت یک فیلم پیوسته و بدون الگو تهیه شده است.”

مثال کاربردی در مورد ترانزیستور نقطه کوانتومی

بر اساس مقاله‌ی “Solution-processable integrated CMOS circuits based on colloidal CuInSe2 quantum dots” که در مجله‌ی Nature منتشر شده است، محققان توانستند با استفاده از ترانزیستور نقطه کوانتومی، گیت‌های منطقی NOT وNAND و NOR را پیاده سازی کنند.

شکل زیر نمایی از شماتیک گیت منطقی معکوس کننده (NOT) را نشان می‌دهد. نقاط کوانتومی کلوئیدی به صورت یک فیلم پیوسته روی لایه‌های از پیش طراحی شده‌ی PFET و NFET و اتصالات فلزی قرار گرفته‌اند.

ساختار و شکل‌های اتصالات نیم رسانایی و فلزی نوع عملکرد گیت منطقی را تشکیل می‌دهد.  ناحیه‌های قرمز و سبز به ترتیب نشان دهنده‌ی کانال P و کانال N هستند.

نمودار زیر، مشخصه‌های انتقال ولتاژ (VTC) به ازای ولتاژ تغذیه‌ی 5 ولت (خط قرمز)، را نشان می‌دهد. خط نقطه چین مشکی، بیان‌گر معادله‌ی Vin=Vout است. خط نقطه چین آبی، مشتق مرتبه‌ی اول VTC است.

سمت راست نمودار، نمایی از نمونه‌ی 3 عدد گیت منطقی NOT ساخته شده توسط گروه تحقیقاتی آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه کالیفرنیا، را مشاهده می‌کنید.

با توجه به نمودار قرمز مشخصه‌های انتقال ولتاژ که ولتاژ خروجی آن تابعی از ولتاژ ورودی است، ترانزیستور نقطه کوانتومی رفتار سوئیچینگ خود را به خوبی نشان می‌دهد. ولتاژ آستانه‌ی سوئیچینگ این ترانزیستورها برابر 2.2 ولت است که کمی کم‌تر از نصف ولتاژ ورودی (VDD/2=2.5) است.

هم چنین نویز و بهره‌ی ترانزیستور (نمودار خط چین آبی) در این دستگاه بسیار پایین است. آن‌ها را می‌توان در مواردی که نیازمند نویز کم، سرعت بالا و نانومقیاس هستند، به کار برد.

منابع

https://www.allaboutcircuits.com/news/quantum-dot-transistors-a-potential-alternative-to-flexible-electronics/

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18932-5