QFET

ترانزستور تأثير المجال الكمومي ( QFET ) أو ترانزستور تأثير المجال ذو البئر الكمومي ( QWFET ) هو نوع من ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ( MOSFET ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} ، يستفيد من ظاهرة النفق الكمومي لزيادة سرعة تشغيل الترانزستور بشكل كبير عن طريق إلغاء منطقة توصيل الإلكترونات في الترانزستور التقليدي، والتي عادةً ما تتسبب في تباطؤ حاملات الشحنة بمقدار 3000 ضعف. والنتيجة هي زيادة في سرعة المنطق بمقدار 10 أضعاف مع انخفاض متزامن في متطلبات الطاقة وحجم المكونات بمقدار 10 أضعاف أيضًا. ويتحقق ذلك من خلال عملية تصنيع تُعرف باسم المعالجة الحرارية السريعة (RTP)، والتي تستخدم طبقات فائقة الرقة من مواد البناء. ^{[ 4 ]}

توجد الأحرف "QFET" حاليًا أيضًا كاسم تجاري لسلسلة من MOSFETs التي تنتجها شركة Fairchild Semiconductor (تم تجميعها في نوفمبر 2015) والتي تحتوي على تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة المزدوجة الانتشار (DMOS) الخاصة بها ولكنها ليست في الواقع قائمة على الكم (حيث يشير الحرف Q في هذه الحالة إلى "الجودة").

تدمج الأمثلة الحديثة لترانزستورات تأثير المجال الكمومي هياكل تقليدية لترانزستورات MOSFET التقليدية، وتستخدم العديد من المواد نفسها. ^{[ 5 ]} تتكون ترانزستورات MOSFET من مواد عازلة، مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2 ₎ ، وبوابات معدنية. ^{[ 6 ]} تُعزل البوابات المعدنية عن طبقة العازل ، مما يؤدي إلى مقاومة دخل عالية جدًا. ^{[ 7 ]} تتكون ترانزستورات MOSFET من ثلاثة أطراف: المصدر (أو الدخل)، والمصب (أو الخرج)، والبوابة، ويمكنها التحكم في تدفق التيار عبر تطبيق جهد (أو عدم تطبيقه) على طرف البوابة، مما يُغير حاجز الجهد بين الطبقات ويُمكّن (أو يُعطّل) تدفق الشحنة. ^{[ 8 ]}

تتصل أطراف المصدر والمصب بمناطق مطعمة في ترانزستور MOSFET، معزولة بمنطقة الجسم. وتكون هذه المناطق إما من النوع p أو n، حيث يكون كلا الطرفين من نفس النوع وعكس نوع الجسم. في ترانزستور MOSFET ذي القناة n، تكون منطقتا المصدر والمصب من النوع n +، ويكون الجسم من النوع p . أما في ترانزستور MOSFET ذي القناة p، فتكون منطقتا المصدر والمصب من النوع p +، ويكون الجسم من النوع n . في ترانزستور MOSFET ذي القناة n، تحمل الإلكترونات الشحنة عبر منطقة المصدر، بينما تحمل الفجوات الشحنة في مصدر ترانزستور MOSFET ذي القناة p.

تُبنى هياكل ترانزستورات التأثير الحقلي (FET) عادةً تدريجيًا، طبقةً تلو الأخرى، باستخدام تقنيات متنوعة مثل الترسيب الجزيئي الشعاعي، والترسيب الطوري السائل، والترسيب الطوري البخاري، ومن أمثلتها الترسيب الكيميائي للبخار . ^{[ 9 ]} تُصنع ترانزستورات MOSFET النموذجية على مقياس الميكرون. يمكن استخدام الحفر الكيميائي الرطب لإنشاء طبقات بسماكة 3 ميكرومتر أو أكبر، بينما يمكن استخدام تقنيات الحفر الجاف للحصول على طبقات على مقياس النانومتر. ^{[ 10 ]} عندما تقترب سماكة الطبقة من 50 نانومترًا أو أقل، يقترب طول موجة دي برولي للطبقة من طول موجة الإلكترون المتوازن حراريًا، وتصبح علاقات الطاقة والزخم التقليدية لأشباه الموصلات غير صالحة. ^{[ 9 ]}

تُستخدم طبقات أشباه الموصلات فائقة الرقة في إنتاج ترانزستورات تأثير المجال الكمومي (QFETs)، التي تكون فجوات نطاقها أصغر من فجوات نطاق المواد المحيطة بها. في حالة ترانزستور تأثير المجال الكمومي أحادي البعد، تُنمّى طبقة شبه موصلة نانوية بين طبقتين عازلتين. يبلغ سمك طبقة أشباه الموصلات d ، وتُحصر حاملات الشحنة الإلكترونية في بئر جهد. تمتلك هذه الإلكترونات، والفجوات المقابلة لها، مستويات طاقة منفصلة تُحسب بحل معادلة شرودنغر غير المعتمدة على الزمن ، كما هو موضح:

${\displaystyle E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \over 2m},q=1,2,3,...}$

يمكن تنشيط (أو تعطيل) حاملات الشحنة بتطبيق جهد كهربائي على طرف البوابة يتوافق مع مستوى طاقة معين. تعتمد مستويات الطاقة هذه على سُمك طبقة أشباه الموصلات وخصائص المادة. يُعدّ InGaAs ، وهو أحد أشباه الموصلات الواعدة لتطبيقات QFET، ذا طول موجة دي برولي يبلغ حوالي 50 نانومترًا. يمكن الحصول على فجوات أكبر بين مستويات الطاقة بتقليل سُمك الطبقة (d) . في حالة InGaAs، تم الوصول إلى أطوال طبقة تبلغ حوالي 20 نانومترًا. ^{[ 11 ]} عمليًا، يتم إنتاج آبار كمومية ثلاثية الأبعاد، حيث تكون أبعاد مستوى الطبقة، d2 و d3 _، أكبر بكثير نسبيًا . تُوصف علاقة طاقة-زخم الإلكترون المقابلة بالمعادلة التالية _:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$.

تتوافق قيم k في هذه العلاقة مع${\displaystyle {q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2}},}$و${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}}$، وهي مقادير متجهات الموجة في كل بُعد.

تعمل ترانزستورات التأثير الحقلي الكمومي (QFETs) المُصممة باستخدام الأسلاك الكمومية على حصر حاملات الشحنة الإلكترونية في بئر جهد، إلا أن طبيعة شكلها الهندسي الضيق تُمكّن المُصنِّع من حصر الإلكترونات في بُعدين. ^{[ 12 ]} تُعد الأسلاك الكمومية في جوهرها قنوات في نظام أحادي البُعد، مما يوفر حصرًا أكثر إحكامًا لحاملات الشحنة وتدفقًا تيارًا يمكن التنبؤ به. ^{[ 9 ] [ 13 ]}

تعمل ترانزستورات MOSFET التقليدية، المصنوعة من طبقة من ثاني أكسيد السيليكون فوق ركيزة من السيليكون، عن طريق إنشاء وصلة pn منحازة ، والتي يمكن أن تكون منحازة أمامياً أو عكسياً بوجود جهد مطبق موجب أو سالب، على التوالي. ^{[ 9 ]} في الواقع، يؤدي تطبيق الجهد إلى تقليل ارتفاع حاجز الجهد بين منطقتي p و n ، مما يسمح بتدفق الشحنة على شكل "فجوات" موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة.

تستخدم ترانزستورات QFET أحادية الوصلة النفق الكمي لزيادة السرعة عن طريق إزالة منطقة التوصيل الإلكتروني، مما يؤدي إلى إبطاء حاملات الشحنة بما يصل إلى 3000 مرة.

يمكن وصف سلوك الوحدات البنائية لترانزستورات QFET بقوانين ميكانيكا الكم . في هياكل أشباه الموصلات المحصورة كميًا، يُحدد وجود حاملات الشحنة (الفجوات والإلكترونات) بكثافة الحالات . ^{[ 9 ]} في حالة البئر الكمومي ثلاثي الأبعاد، الذي غالبًا ما يُبنى كطبقة مستوية بسمك يتراوح بين 2  نانومتر و20  نانومتر، فإن كثافة الحالات${\displaystyle \rho _{c}(E)}$يتم الحصول عليها من متجه ثنائي الأبعاد${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})}$، وهو ما يتوافق مع المساحة في مستوى الطبقة. من${\displaystyle E-k}$علاقة،

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$، من الممكن إثبات ذلك${\displaystyle {dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}}$وبالتالي

${\displaystyle \rho _{c}(E)={\begin{cases}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{cases}}q_{1}=1,2,3,....}$^{[ 9 ]}

وبالمثل، يتم وصف طاقة الأسلاك النانوية أحادية البعد بواسطة متجهات الموجة، ولكن نظرًا لهندستها، فإن متجه k واحد فقط هو الذي يتم وصفه.${\displaystyle k_{z}}$، وهو أمر ضروري لنمذجة الطاقة الحركية للحركة الحرة على طول محور السلك:

${\displaystyle E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \over 2m_{c}}}$^{[ 13 ]}

يمكن استخدام نموذج طاقة أكثر دقة لتحديد كمية طاقة الإلكترونات المحصورة في بعدين. يمكن افتراض أن السلك له مقطع عرضي مستطيل الشكل بأبعاد d1 d2 ، _{مما يؤدي} إلى علاقة جديدة بين الطاقة والزخم:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}}$، حيث k هو مركبة المتجه على طول محور السلك.

يمكن أن تكون الأسلاك الكمومية ثنائية الأبعاد أسطوانية الشكل أيضًا، بأقطار شائعة تبلغ حوالي 20  نانومتر. ^{[ 14 ]}

في حالة النقاط الكمومية، التي تقتصر على بُعد واحد، يتم تكميم الطاقة بشكل أكبر:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \over 2m_{c}}}$.

تتفاوت الخصائص الهندسية للنقاط الكمومية، إلا أن أبعاد جسيمات النقاط الكمومية النموذجية تتراوح بين 1  نانومتر و50  نانومتر. ومع ازدياد تقييد حركة الإلكترونات مع كل تكميم بُعدي متتالٍ، تصبح النطاقات الفرعية لنطاقي التوصيل والتكافؤ أضيق.

تتميز جميع أشباه الموصلات ببنية فريدة لنطاقي التوصيل والتكافؤ . في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشرة ، تقع أدنى طاقة لنطاق التوصيل وأعلى طاقة لنطاق التكافؤ عند نفس العدد الموجي k ، ما يتوافق مع نفس الزخم. ^{[ 15 ] [ 9 ]} تتميز ترانزستورات QFET ذات بنية البئر الكمومي بنطاقات توصيل مقسمة إلى نطاقات فرعية عديدة، تتوافق مع أعدادها الكمومية المناسبة q = 1، 2، 3، ... وتوفر كثافة حالات أعلى عند أدنى مستوى طاقة مسموح به لنطاق التوصيل وأعلى مستوى طاقة مسموح به لنطاق التكافؤ مقارنةً بترانزستورات MOSFET، ما يؤدي إلى خصائص مثيرة للاهتمام، لا سيما في خصائصها البصرية وتطبيقاتها. بالنسبة لأجهزة البئر الكمومي المستخدمة في ثنائيات الليزر ، تتفاعل الفوتونات مع الإلكترونات والفجوات عبر انتقالات بين نطاقي التكافؤ والتوصيل. تخضع انتقالات تفاعلات الفوتونات في أشباه موصلات البئر الكمومي لفجوات الطاقة بين النطاقات الفرعية، على عكس فجوة الطاقة العامة لأشباه الموصلات التقليدية.

وُضِعَ التصميم المفاهيمي لترانزستور تأثير المجال (FET) لأول مرة عام 1930 على يد جيه إي ليليينفيلد. ^{[ 16 ]} ومنذ ظهور أول ترانزستور تأثير المجال المصنوع من السيليكون بعد 30 عامًا، شهدت صناعة الإلكترونيات نموًا أُسِّيًّا سريعًا ومتوقعًا في كلٍّ من كثافة الترانزستورات وقدرة معالجة المعلومات. تُعرف هذه الظاهرة بقانون مور ، وتشير إلى أن عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها في دائرة متكاملة يتضاعف تقريبًا كل عامين.

صُممت ترانزستورات تأثير المجال الكمومي عالية السرعة للتغلب على تقنية 0.2 ميكرومتر التي تُعتبر الحد العملي لتقنية أشباه الموصلات التقليدية. وبذلك، تزيد ترانزستورات تأثير المجال الكمومي سرعة المنطق بمقدار عشرة أضعاف، وتقلل متطلبات الطاقة وحجم الترانزستور بنفس المقدار. هذه الزيادات تجعل أجهزة ترانزستورات تأثير المجال الكمومي مناسبة للاستخدام في تطوير أدوات أتمتة التصميم التي تستفيد من انخفاض استهلاك الطاقة، وصغر الحجم، والسرعة العالية. ^{[ 17 ]} ومؤخرًا، فتح ترانزستور تأثير المجال الكمومي الطوبولوجي (TQFET) آفاقًا جديدة للتبديل منخفض الطاقة بفضل الظواهر الكمومية الجوهرية. يتميز ترانزستور تأثير المجال الكمومي الطوبولوجي بقدرته على التغلب على تأثير بولتزمان بفضل تأثير راهسبا ^{[ 18 ]} وتأثير السعة السالبة ^{[ 19 ]} ، كما أنه يُبشر بإمكانية تصغير الحجم من خلال تأثيرات الحصر الكمومي. ^{[ 20 ]}

• قائمة تطبيقات MOSFET
• الحوسبة الكمومية
• البئر الكمومي