ترانزیستورها از نقطه ای ژرمانیم تا گیت حلقوی نانومتری: اصول فیزیکی، فناوری های ساخت، مقیاس پذیری، معماری های نوین و کاربردها

ترانزیستورها به عنوان برجسته ترین اختراع قرن بیستم و سنگ بنای تمام فناوری های الکترونیکی مدرن، از اولین نمونه نقطه ای ژرمانیم با بهره جریان ۱۸ در سال ۱۹۴۸ تا FinFETهای ۳ نانومتری با چگالی بیش از ۲۰۰ میلیون ترانزیستور بر میلی متر مربع و فرکانس کاری ۴.۵ گیگاهرتز در سال ۲۰۲۰ تحولی بی نظیر را تجربه کرده اند. این مقاله با مرور پیشینه ی پژوهشی از اختراع ترانزیستور نقطه ای باردین و براتین (۱۹۴۸) تا ترانزیستورهای با گیت حلقوی ۱ نانومتری دسای و همکاران (۲۰۲۲) و همچنین تحلیل داده های تجربی گزارش شده توسط باردین و براتین (۱۹۴۸)، هیساموتو و همکاران (۱۹۸۵)، مارتل و همکاران (۲۰۰۰)، بالیگا (۱۹۸۰)، اینتل (۲۰۱۱)، TSMC (۲۰۱۸)، TSMC (۲۰۲۰)، سامسونگ (۲۰۱۵) و دسای و همکاران (۲۰۲۲)، نشان می دهد که ترانزیستورهای FinFET ۲۲ نانومتری توان مصرفی را ۵۰ درصد و جریان نشتی را ۸۰ درصد نسبت به فناوری پلانار ۳۲ نانومتری کاهش داده اند. فرآیندهای ۵ نانومتری چگالی ۱۷۰ میلیون ترانزیستور بر میلی متر مربع و ولتاژ تغذیه ۰.۶۵ ولت را با کاهش ۳۰ درصدی توان مصرفی نسبت به ۷ نانومتری ارائه می دهند. ترانزیستورهای اثر میدان نانولوله کربنی تحرک پذیری حامل ۱۰۰۰ سانتی متر مربع بر ولت ثانیه و نسبت جریان روشن به خاموش ۱۰^۵ دارند. ترانزیستورهای با گیت حلقوی مبتنی بر مولیبدن-دی سولفید با طول کانال ۱ نانومتر، شیب زیرآستانه ۷۰ میلی ولت بر دساد و نسبت جریان روشن به خاموش ۱۰^۵ کار می کنند. ترانزیستورهای IGBT قدرت افت ولتاژ ۲.۵ ولت در جریان ۵۰ آمپر و ولتاژ شکست ۶۰۰ ولت دارند. فناوری CMOS مصرف توان را در مدارهای دیجیتال نسبت به NMOS تا بیش از ۴۰ برابر کاهش داده است. نتیجه گیری اصلی بر ضرورت گذار به ابعاد زیر ۱ نانومتر با مواد دوبعدی، معماری های سه بعدی گیت حلقوی، ترانزیستورهای اسپینترونیک و ترانزیستورهای قدرت گالیم نیترید تاکید دارد. در ادامه، شانزده پیشنهاد در چهار دسته ی پژوهشی، فنی-طراحی، هنجاری-استانداردسازی و آموزشی-ترویجی ارائه شده است که شامل مواد دوبعدی فسفرن و آنتیمونن، ترانزیستورهای اسپینترونیک، FinFETهای ۲ نانومتر و بازنگری استانداردهای JEDEC می باشد.

کلیدواژه ها:

ترانزیستور دوقطبی ، ترانزیستور اثر میدان ، FinFET ، گیت حلقوی ، نانولوله کربنی ، مواد دوبعدی ، مقیاس پذیری ، CMOS