انقلاب در دنیای تراشه‌ها؛ یک ترانزیستور جایگزین ۷۵ درصد قطعات نیمه‌هادی شد

پژوهشگران کره‌جنوبی موفق به توسعه نوعی ترانزیستور نوآورانه مبتنی بر اکسید روی و تلوریوم شده‌اند که قادر است چندین عملکرد مداری را به‌طور همزمان انجام دهد. این دستاورد می‌تواند به تولید تراشه‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر منجر شود و نیاز به تعداد زیادی از ترانزیستور‌ها و مدار‌های جانبی را کاهش دهد.

به گزارش پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH)، صنعت نیمه‌هادی در سال‌های اخیر با چالش فزاینده‌ای مواجه شده است. از یک سو کاربران انتظار دارند دستگاه‌های الکترونیکی به قابلیت‌های پیشرفته‌تر هوش مصنوعی مجهز شوند و از سوی دیگر این تجهیزات باید کوچک، خنک و کم‌مصرف باقی بمانند. در نتیجه مهندسان ناچار شده‌اند قدرت پردازشی بیشتری را در فضا‌های محدود مانند ساعت‌های هوشمند، ایرباد‌ها و حسگر‌های کوچک جای دهند.

در همین راستا تیمی به سرپرستی بیونگ هون لی و جه هیون جون رویکردی متفاوت را برای طراحی نیمه‌هادی‌ها در پیش گرفت. به جای افزودن تعداد بیشتری از قطعات و مدار‌ها این محققان ساختار خود ترانزیستور را بازطراحی کردند تا بتواند چندین وظیفه را به‌صورت همزمان انجام دهد.

این ترانزیستور جدید با استفاده از دو ماده نیمه‌هادی اکسید روی (ZnO) و تلوریوم (Te) ساخته شده است. یکی از مزیت‌های مهم این مواد امکان تشکیل لایه‌های نازک نیمه‌هادی در دما‌های نسبتا پایین است. این ویژگی به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد مدار‌های بیشتری را روی تراشه‌های موجود انباشته کنند بدون آنکه ساختار‌های قبلی در اثر حرارت آسیب ببینند.

به گفته پژوهشگران در فرآیند‌های پیشرفته تولید نیمه‌هادی محدودیت‌های حرارتی اهمیت زیادی دارند، زیرا دما‌های بالا می‌توانند به لایه‌های از پیش ساخته‌شده آسیب وارد کنند. از این رو موادی که در دما‌های کمتر از حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد (۳۹۲ درجه فارنهایت) قابل استفاده باشند می‌توانند نقش مهمی در نسل آینده فناوری بسته‌بندی تراشه‌ها ایفا کنند.

علاوه بر این رفتار الکتریکی این ترانزیستور نیز با نمونه‌های متداول تفاوت قابل توجهی دارد. در ترانزیستور‌های رایج جریان الکتریکی معمولا با افزایش ولتاژ به‌طور پیوسته افزایش می‌یابد، اما دستگاه توسعه‌یافته در POSTECH از این الگو پیروی نمی‌کند.

محققان موفق شدند پدیده‌ای موسوم به هدایت تفاضلی منفی (Negative Differential Transconductance یا NDT) را در این ترانزیستور ایجاد کنند؛ حالتی که در آن با وجود افزایش ولتاژ، جریان الکتریکی به‌طور موقت کاهش می‌یابد. آنها همچنین به پدیده NDT دوگانه دست یافتند که طی آن این افت جریان دو بار در یک دستگاه واحد رخ می‌دهد.

به گفته پژوهشگران، این رفتار غیرمعمول انعطاف‌پذیری بسیار بیشتری را برای پردازش سیگنال‌ها فراهم می‌کند. عملکرد دستگاه به میزان هم‌پوشانی لایه‌های اکسید روی و تلوریوم وابسته است. زمانی که میزان هم‌پوشانی کم باشد تنها یک تغییر جریان مشاهده می‌شود، اما با افزایش این هم‌پوشانی، جریان به‌صورت همزمان در دو جهت جانبی و عمودی حرکت می‌کند و دو قله جریان ایجاد می‌شود. این ویژگی امکان انجام عملکرد‌های مداری پیچیده‌تر را تنها با یک ترانزیستور فراهم می‌کند.

برای ارزیابی عملی این فناوری، تیم تحقیقاتی یک مدار چهاربرابرکننده فرکانس طراحی کرد؛ مداری که یک سیگنال ورودی را به چهار سیگنال خروجی تبدیل می‌کند. در طراحی‌های متداول نیمه‌هادی انجام چنین عملیاتی معمولا به چندین ترانزیستور نیاز دارد.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد ترانزیستور جدید توانست این وظیفه را به تنهایی انجام دهد و تعداد ترانزیستور‌های مورد نیاز را تا ۷۵ درصد کاهش دهد. همچنین سرعت پردازش داده‌ها در طول یک چرخه سیگنال تا چهار برابر افزایش یافت.

پژوهشگران معتقدند این فناوری می‌تواند در توسعه سخت‌افزار‌های فشرده مبتنی بر هوش مصنوعی تجهیزات پوشیدنی نسل آینده و سامانه‌های سه‌بعدی متراکم نیمه‌هادی کاربرد گسترده‌ای داشته باشد.

لی در این باره گفت: این پژوهش نشان می‌دهد که می‌توان عملکرد‌های پیچیده مداری را در سطح یک دستگاه واحد پیاده‌سازی کرد.

این پروژه با حمایت وزارت علوم و فناوری اطلاعات و ارتباطات کره‌جنوبی و بنیاد ملی پژوهش کره انجام شده است. نتایج این مطالعه در نشریه علمی Advanced Functional Materials منتشر شده است.