صغير وقوي.. تطوير ترانزستور جديد يتجاوز حدود السليكون

أعلن فريق بحثي من معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو عن تصميم ترانزستور جديد كلياً لا يعتمد على السيليكون، وهو المادة التي طالما كانت العمود الفقري للإلكترونيات منذ اختراع الترانزستور في منتصف القرن العشرين.

وفي الوقت الذي تواجه فيه صناعة الإلكترونيات تحديات غير مسبوقة تتعلق بتقليص حجم المكوّنات الإلكترونية إلى مستويات نانوية متناهية الصغر، يأتي هذا الاكتشاف بمثابة قفزة نوعية قد تفتح آفاقاً جديدة أمام تطوير الجيل المقبل من الشرائح عالية الأداء.

الترانزستور مكون إلكتروني دقيق يُعد من أهم اختراعات القرن العشرين، ويؤدي دوراً محورياً في تشغيل جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة، من الهواتف الذكية إلى الحواسيب العملاقة، ووظيفته الأساسية هي التحكم في تدفق التيار الكهربائي داخل الدائرة، إما بتضخيم الإشارة أو بالتحكم في تشغيلها وإيقافها، كما يفعل المفتاح الكهربائي.

ويتكوّن الترانزستور عادة من مواد شبه موصلة، مثل السيليكون، ويعتمد في عمله على حركة الإلكترونات عبر منطقة تُعرف باسم "القناة"، التي تتحكم فيها بوابة تُحدد ما إذا كان التيار سيمر أم لا.

وبفضل حجمه الصغير وسرعته العالية واستهلاكه المنخفض للطاقة، بات الترانزستور أساساً لتقنيات الحوسبة الرقمية.

تحديات تقنية

رغم التقدّم الكبير في تصنيع الترانزستورات، إلا أن التحديات التقنية بدأت تزداد كلما تم تصغير حجمها أكثر فأكثر، خاصة في الترانزستورات المصنوعة من السيليكون.

ومن أبرز هذه المشكلات أن تقليص الأبعاد يؤدي إلى تسرب التيار وتشتته، ما يقلل من كفاءة الترانزستور ويزيد من استهلاك الطاقة والحرارة. كما أن المواد المستخدمة، مثل السيليكون، تواجه حدوداً في قدرتها على نقل الإلكترونات بسرعة، ما يقيّد الأداء في التطبيقات التي تتطلب سرعات عالية.

في خطوة قد تُمثّل حلاً لهذه المعضلة، قام فريق بحثي من معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو بتطوير ترانزستور جديد مصنوع من أكسيد الإنديوم المطعّم بالغاليوم (InGaOx)، بدلاً من السيليكون التقليدي.

ونُشرت تفاصيل هذا الابتكار في ورقة بحثية من المقرر عرضها في مؤتمر "التكنولوجيا والدوائر" المنعقد في مدينة كيوتو اليابانية، حيث يُعتقد أن هذا الترانزستور الجديد قد يفتح آفاقاً جديدة في عالم أشباه الموصلات.

أهم مميزات الترانزستور الجديد

يتميز هذا الترانزستور ببنية بلورية منظمة تعزز حركة الإلكترونات بكفاءة عالية، كما أنه مصمم بهيكل "بوابة محيطة" (Gate-All-Around)، حيث تُحيط البوابة المسؤولة عن تشغيل التيار أو إيقافه بقناة التدفق الكهربائي بالكامل.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة أنلان تشين، إن هذا التصميم يحسّن كفاءة الترانزستور وقابليته للتطوير مقارنة بالتصاميم التقليدية.

ولتحقيق هذه النتائج، استخدم الفريق تقنية تُعرف باسم "ترسيب الطبقة الذرية" لتغطية قناة الترانزستور بطبقة رقيقة من أكسيد الإنديوم المطعّم بالغاليوم، طبقة ذرة تلو الأخرى.

بعد ذلك، تم تسخين الغشاء لتحويله إلى بنية بلورية تعزز حركة الإلكترونات، ونجح الفريق في تصنيع ترانزستور تأثير المجال بأكسيد المعدن ذي البوابة المحيطة، والذي أظهر أداءً متميزاً.

من جانبه، قال المؤلف الرئيسي للدراسة، ماساهارو كوباياشي، إن أكسيد الإنديوم يحتوي على عيوب في مواقع الأكسجين، ما يؤدي إلى تشتت حاملات الشحنة ويقلل من استقرار الجهاز، إذ أن داخل هذه المادة، يجب أن تكون ذراتها مرتبة بشكل منتظم لتعمل بكفاءة.

وأضاف كوباياشي أنه في بعض الأحيان، تغيب ذرات الأكسجين من أماكنها المفترضة في هذا الترتيب، وهذا ما يُعرف بـ"عيوب فراغات الأكسجين"، لافتاً إلى أنه "عندما تكون هناك ذرات أكسجين ناقصة، يتغير سلوك المادة إذ تخلق هذه الفراغات نقاطاً غير مستقرة داخل المادة يمكن أن تعيق حركة الإلكترونات، أي حاملات الشحنة".

وبدلاً من أن تتحرك الإلكترونات بسلاسة، فإنها تصطدم بهذه العيوب أو "تتشتت"، ما يؤدي إلى فقدان الكفاءة الكهربائية وتقليل استقرار الترانزستور أثناء التشغيل.

ولتجاوز هذه المشكلة، تمت إضافة الغاليوم لتقليل هذه العيوب، ما أدى إلى تحسين موثوقية الترانزستور بشكل كبير.

وأظهر الترانزستور الجديد أداءً مميزاً من حيث السرعة والاستقرار، حيث سجّل معدل حركة إلكترونية مرتفعاً بلغ 44.5 سنتيمتر مربع لكل فولت-ثانية، وهو رقم يعكس قدرة الإلكترونات على التحرك بسرعة داخل المادة عند تطبيق جهد كهربائي، وكلما ارتفعت هذه القيمة، زادت كفاءة الترانزستور وسرعته، ما يشير إلى أن المادة المستخدمة في تصنيعه، تتيح مرور الإلكترونات بسهولة عالية.

كما أظهر الترانزستور استقراراً ملحوظاً أثناء التشغيل تحت ضغط كهربائي مستمر لمدة قاربت الثلاث ساعات دون تدهور في الأداء، وهو مؤشر مهم على موثوقيته في البيئات التي تتطلب تشغيلاً طويل الأمد.

وأكد النتائج أن الترانزستور الجديد تفوق على أجهزة مماثلة تم الإبلاغ عنها سابقاً، سواء من حيث كفاءة النقل الإلكتروني أو ثبات الأداء، ما يجعله مرشحاً واعداً للاستخدام في تطبيقات متقدمة تتطلب مكونات إلكترونية عالية الأداء، مثل الذكاء الاصطناعي ومعالجة البيانات الضخمة.

وبالرغم من أن الترانزستور الجديد ما يزال في مرحلة البحث والتطوير ولم يصل بعد إلى الأسواق التجارية، فإن نتائجه تفتح الباب أمام تصميم شرائح إلكترونية أكثر كفاءة، يمكن أن تُحدث فارقاً حقيقياً في أداء الحواسيب العملاقة ومراكز البيانات وتطبيقات الذكاء الاصطناعي المتقدمة، كما أن اعتماد تصميم البوابة المحيطية يتماشى مع التوجه العالمي نحو هندسات ثلاثية الأبعاد للشرائح، والتي باتت ضرورية لتحقيق كثافات أعلى في وحدات المعالجة.

ترانزستورات من الجرافين

وهناك العديد من المحاولات السابقة والجارية لصناعة ترانزستورات من مواد أخرى غير السيليكون، وقد ازدادت وتيرتها في العقود الأخيرة مع اقتراب السيليكون من حدوده الفيزيائية والتقنية.

ويحاول الباحثون حول العالم صناعة ترانزستورات من الجرافين، وهي مادة مكونة من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة سداسية.

ويتميّز الجرافين بموصلية كهربائية مذهلة وسرعة نقل عالية للإلكترونات، لكنه يفتقر إلى "فجوة الحزمة" الضرورية لعمل الترانزستور كمفتاح، مما حدّ من قدرته على التحكم في تشغيل وإيقاف التيار. ورغم ذلك، لا تزال الأبحاث مستمرة لمحاولة تعديل الجرافين أو دمجه مع مواد أخرى لتجاوز هذه المشكلة.

كما جرت تجارب على أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مثل "المولبيدينوم داي سلفيد" التي تجمع بين النحافة الشديدة والقدرة على التحكم في التيار، ما يجعلها واعدة في مجال الإلكترونيات النانوية، وبالإضافة إلى ذلك، استخدمت مركبات مواد مثل "الغاليوم أرسنيد" و"الغاليوم نيتريد" في تطبيقات عالية التردد بسبب قدرتها على نقل الإلكترونات بسرعة، لكنها تظل مكلفة ومعقدة التصنيع.

ولم تغب أنابيب الكربون النانوية عن هذا السباق، نظراً لقدرتها الكبيرة على التوصيل وإمكانية تصغيرها إلى أبعاد نانوية، إلا أن صعوبة إنتاجها بشكل منتظم لا تزال تحدّ من استخدامها العملي.

وتظهر الأكاسيد شبه الموصلة، مثل "أكسيد الإنديوم الغاليوم" كحل واعد بفضل خصائصها الإلكترونية الجيدة وإمكانية تصنيعها بدرجات حرارة منخفضة، لكن ورغم كل هذه المحاولات، لا يزال السيليكون يحتفظ بمكانته في الصناعة، لكن الأبحاث على هذه المواد البديلة تُمثّل خطوة ضرورية لمواكبة تطور التكنولوجيا في العقود القادمة.