การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ ในปี พ.ศ. 2491 ได้ก่อให้เกิดยุคใหม่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เดิมทีออกแบบมาเพื่อเลียนแบบหลอดสุญญากาศ ในไม่ช้านักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าอุปกรณ์โซลิดสเตตนี้สามารถให้อะไรได้มากกว่านั้น ศักยภาพที่ยอดเยี่ยมของทรานซิสเตอร์ในด้านความเร็ว การย่อขนาด และความน่าเชื่อถือได้ถูกนำมาใช้อย่างเต็มที่ เนื่องจากมีการควบคุมวัสดุอย่างดี เช่น ซิลิคอนผลึกเดี่ยว
บริสุทธิ์
ตาม “แผนงาน” ล่าสุดสำหรับอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครชิปที่มีทรานซิสเตอร์หนึ่งพันล้านตัวและทำงานด้วยวงจรสัญญาณนาฬิกาที่หนึ่งพันล้านวินาทีจะออกสู่ตลาดในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าในสหัสวรรษใหม่ ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ยังคงหดตัว คำถามก็เกิดขึ้นตามธรรมชาติ: ธรรมชาติ
ของควอนตัมของอิเล็กตรอนและอะตอมจะมีความสำคัญในการกำหนดวิธีการสร้างอุปกรณ์หรือไม่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อทรานซิสเตอร์ถูกลดขนาดให้เหลือเพียงไม่กี่อะตอมหรือโมเลกุลเดียวนักวิจัยที่ต้องการตอบคำถามเหล่านี้ได้ประดิษฐ์สิ่งที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์อุโมงค์อิเล็กตรอนเดี่ยว
ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากผลควอนตัมของการขุดอุโมงค์เพื่อควบคุมและวัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเดี่ยว การทดลองแสดงให้เห็นว่าการชาร์จไม่ไหลอย่างต่อเนื่องในอุปกรณ์เหล่านี้ แต่เป็นแบบเชิงปริมาณ อันที่จริงแล้ว ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวมีความไวต่อประจุมากจนสามารถใช้
เป็นอิเล็กโตรมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงได้ ที่จุดเริ่มต้นทรานซิสเตอร์ที่พบมากที่สุดในไมโครชิปปัจจุบันคือทรานซิสเตอร์สนามผลโลหะออกไซด์สารกึ่งตัวนำ การทำงานของมันง่ายอย่างน่าประหลาดใจ: ไม่จำเป็นต้องมีกลศาสตร์ควอนตัมมากนักในการทำความเข้าใจวิธีการทำงาน แม้ว่าตอนนี้ขนาด
ของอุปกรณ์ทั่วไปจะมีเพียงไม่กี่พันอะตอมที่วางเคียงข้างกัน อิเล็กโทรดนำไฟฟ้าสองขั้วเรียกว่าแหล่งกำเนิดและเดรน เชื่อมต่อกันด้วยช่องทางของวัสดุซึ่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ในทางปฏิบัติแล้วสารกึ่งตัวนำ (รูปที่ 1) แรงดันไฟฟ้าถูกส่ง
ไปยังช่อง
สัญญาณเซมิคอนดักเตอร์ผ่าน “เกต” ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่สามที่แยกออกจากช่องสัญญาณด้วยชั้นฉนวนบางๆ เมื่อแรงดันเกทเป็นศูนย์ ช่องนี้ไม่มีอิเล็กตรอนตัวนำและเป็นฉนวน แต่เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น สนามไฟฟ้าที่เกทจะดึงดูดอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดและเดรน และแชนเนลจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้า
เอฟเฟ็กต์สนามนี้นำไปสู่กลไกการขยายสัญญาณซึ่งแรงดันเกทสามารถควบคุมกระแสที่ไหลระหว่างแหล่งจ่ายและเดรนเมื่อจ่ายแรงดันไบอัสผ่านอิเล็กโทรดทั้งสองนี้ (รูปที่ 2) กระแสเดรนจากแหล่งกำเนิดถูกกำหนดโดยสื่อนำไฟฟ้าของแชนเนล ซึ่งจะขึ้นอยู่กับปัจจัยสองประการ:
ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับความถี่ที่อิเล็กตรอนชนกับความไม่สมบูรณ์ของผลึก และไม่ขึ้นกับแรงดันเกท ในทางตรงกันข้าม ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะถูกควบคุมโดยตรงโดยแรงดันเกท
ทรานซิสเตอร์จึงทำงานเหมือนก๊อกน้ำที่ควบคุมการไหลของน้ำระหว่างถังสองถัง โดยที่การเปิดของก๊อกน้ำถูกกำหนดโดยแรงดันของน้ำในถังที่สาม ความแตกต่างคืออิเล็กตรอนในช่องทำตัวเป็นของไหลที่บีบอัดได้ซึ่งมีความหนาแน่นเฉพาะที่ซึ่งขึ้นกับศักย์ไฟฟ้าที่จุดนั้นอย่างมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง
สนามไฟฟ้าที่ผลิตโดยเกตไม่ได้สร้าง “กำแพงแข็ง” สำหรับอิเล็กตรอนภายในช่องสัญญาณ แต่มีความต่างศักย์ที่แปรผันอย่างราบรื่นซึ่งถูกดัดแปลงโดยการมีอยู่ของอิเล็กตรอน (รูปที่ 1 d- f ) โปรดทราบว่าเราไม่ได้อ้างอิงถึงคุณสมบัติคล้ายคลื่นของอิเล็กตรอน หรือข้อเท็จจริงที่ว่าช่องสัญญาณสร้าง
จากอะตอมแต่ละตัว คุณสมบัติควอนตัมเพียงอย่างเดียวที่เข้ามามีบทบาทคือหลักการกีดกันของเพาลี ซึ่งกำหนดว่าแต่ละสถานะที่เป็นไปได้ในช่องสามารถถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ซึ่งหมายความว่ามีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งเท่านั้นที่สามารถสะสมอยู่ในช่องสัญญาณได้
และสิ่งนี้
จะกำหนดขีดจำกัดของการไหลของกระแสอย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางควอนตัมของอิเล็กตรอนและอะตอมจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้น เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลง ตัวอย่างเช่น ลักษณะที่เหมือนคลื่นของอิเล็กตรอนจะมีอิทธิพลต่อวิธีการเดินทางผ่านช่องสัญญาณ
เมื่อความกว้างของช่องเทียบได้กับความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน (ประมาณ 100 นาโนเมตร) การแพร่กระจายของอิเล็กตรอนจะไวต่อความผิดปกติของอะตอมในอุปกรณ์มากขึ้น ซึ่งสร้างขึ้นในกระบวนการผลิต สิ่งนี้จะเป็นปัญหาใหญ่หากการลดขนาดไม่ได้มาพร้อมกับการปรับปรุงโครงสร้างอะตอม
ของอุปกรณ์ประดิษฐ์ข้อจำกัดทางเทคโนโลยีในการก้าวไปสู่ระดับอะตอมอาจบังคับให้เรานำหลักการทางกายภาพใหม่มาใช้เพื่อให้ได้ฟังก์ชันของทรานซิสเตอร์ หรืออาจพบหลักการใหม่ที่สามารถจัดเตรียมฟังก์ชันที่ไม่สามารถทำได้ในอุปกรณ์ปัจจุบันไปทางอุปกรณ์อิเล็กตรอนเดี่ยว
อุปกรณ์อิเล็กตรอนเดี่ยวนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ควอนตัมที่แท้จริง: เอฟเฟกต์อุโมงค์ สิ่งนี้สังเกตได้เมื่ออิเล็กโทรดโลหะ 2 อันถูกแยกออกจากกันโดยฉนวนกั้นที่มีความหนาประมาณ 1 นาโนเมตร หรืออีกนัยหนึ่งคือมีอะตอมเพียง 10 อะตอมเรียงกัน อิเล็กตรอนที่พลังงาน สามารถ “อุโมงค์” ผ่านฉนวนได้
แม้ว่าในแง่คลาสสิกพลังงานของพวกมันจะต่ำเกินไปที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้พฤติกรรมทางไฟฟ้าของทางแยกอุโมงค์ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของสิ่งกีดขวางในการส่งคลื่นอิเล็กตรอน ซึ่งจะลดลงอย่างทวีคูณตามความหนาของมัน และจำนวนของโหมดคลื่นอิเล็กตรอนที่ปะทะกับสิ่งกีดขวาง
credit : สล็อตเว็บตรง100 / ดูหนังฟรี / 50รับ100
