مروری بر پیشرفت های قرن اخیر صنعت الکترونیک
نویسنده: الهام خالصی، مهندس برق والکترونیک
خلاصه:
دراین مقاله سعی شده است با پیشرفت های قرن اخیر علم الکترونیک آشنا شویم. علم مهندسی برق و الکترونیک طول عمری برابر 100 سال دارد و در زمره علم‌های نوین طبقه بندی می‌گردد. در دهه‌های اخیر در ابتدا میکروالکترونیک سبب تحول بسیار شده است که باعث شد محصولات نو آورانه الکترونیکی به بازار ارائه شود و از آن پس با پیشرفت در علوم شیمی و فیزیک، تئوری‌های جدیدی به این علم مدرن اضافه شده است که در فاز تحقیقاتی هستند.
توضیحات:
میکروالکترونیک:
میکروالکترونیک زیر شاخه ای از الکترونیک است. همانطور که از نام آن پیداست، میکروالکترونیک به مطالعه و ساخت (یا ریز ساخت) طرح‌ها و قطعات الکترونیکی بسیار کوچک مربوط می‌شود. معمولا، اما نه همیشه، این به معنای مقیاس میکرومتر یا کوچکتر است. این دستگاه ها معمولاً از مواد نیمه هادی ساخته می‌شوند. بسیاری از اجزای یک طراحی الکترونیکی معمولی در یک معادل میکروالکترونیک موجود است.
مقیاس بندی ترانزیستورها و پیروی از قانون مور بیش از 50 سال است که در ارائه مدارهای مجتمعی که متراکم تر، ارزان تر، کارایی بالاتر و توان کمتر هستند، به صنعت کمک کرده است. و علیرغم گزارش های گاه به گاه از مرگ آن، قانون مور زنده و سالم است. اما پیشرفت در مقیاس بندی CMOS به راحتی حاصل نشده است. ما مجبور بوده‌ایم به طور مستمر مواد جدید و ساختارهای جدید دستگاه را اختراع و معرفی کنیم تا عملکرد، قدرت و بهبود هزینه‌ای که از هر نسل فناوری جدید انتظار می‌رود را ارائه دهیم.
نانوالکترونیک:
نانو الکترونیک شاخه‌ای از فناوری نانو است که از تأثیر نانوفناوری بر دانش و صنعت الکترونیک ایجاد شده‌است. تاریخچه این دانش به حدود ۵۰ سال قبل و از زمان تلاش برای کوچکتر کردن هر چه بیشتر ترانزیستورها برمی‌گردد. نانوالکترونیک از نظر ساخت وسایل الکتریکی کوچکتر، سریع‌تر و کم‌مصرفتر نقش بسیار مهمی در تکنولوژی جهانی دارد. افزایش میزان ذخیره اطلاعات، محاسبه‌گرهای رایانه‌ای کوچکتر، طراحی مدارهای منطقی، نانوسیم‌ها و… از زمینه‌های کاربرد نانو الکترونیک هستند.
صنعت الکترونیک امروزی مبتنی بر سیلیکون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می‌رسد و اکنون به مرحله‌ای رسیده‌است که از لحاظ تکنولوژیکی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده‌است. در مقابل این فناوری، الکترونیک مولکولی قرار دارد که در مراحل کاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الکترونیک سیلیکونی مطرح شود. الکترونیک مولکولی دانشی است که مبتنی بر فناوری نانو بوده و کاربردهای وسیعی در صنعت الکترونیک دارد. با توجه به کاربردهای وسیع الکترونیک در محصولات تجاری بازار می‌توان با سرمایه‌گذاری و تأمل بیشتر در فناوری نانو الکترونیک در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سوددهی کلان محصولاتی بود که جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌کنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد که با سرمایه‌گذاری در این فناوری شاهد رشد و شکوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیکن با توجه به اهمیت نانوتکنولوژی و نیز نانو الکترونیک که به عنوان یک شاخه کاربردی از نانو تکنولوژی مطرح است لزوم سرمایه‌گذاری کلان در درازمدت و ریسک‌پذیری و تشکیل مراکز R&D (تحقیق و توسعه) توسط دولتمردان بیش از پیش احساس می‌شود.
فوتاثر فتوالکتریک (اثر فوتوالکتریک هم نوشته‌اند) پدیده‌ای الکتروکوانتومی است که در آن، ماده پس از جذب انرژی از فوتونِ پرتو الکترومغناطیسی تابیده به آن (مانند پرتو فرابنفش، پرتو ایکس یا نور)، الکترون گسیل (آزاد) می‌کند.
این پدیده همچنین به خاطر کشف شدنش از سوی هاینریش هرتز به اثر هرتز معروف است، هرچند امروزه این لفظ کمتر به کار می‌رود هرتز واحد بسامد (فرکانس) نیز می‌باشد.
اثر فتوالکتریک با فوتون‌هایی با انرژی پایین در حدود چند الکترون‌ولت مشاهده می‌شود. اگر فوتون به اندازه کافی انرژی داشته باشد (در حد چند کیلوالکترون‌ولت) پدیده دیگری به نام اثر پراکندگی کامپتون و اگر انرژی آن در حد چند مگاالکترون‌ولت باشد، پدیده دیگری به نام جفت‌سازی (Pair production) رخ می‌دهد.
مطالعه پدیده فتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک حقیقت کوانتومی نور شد.
این اثر یکی از بخش‌های مهم فیزیک است که در سال، ۱۹۲۱ آلبرت اینشتین به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک گرفت.
الکترونیک مولکولی:
الکترونیک مولکولی به انگلیسی: Molecular electronics، مطالعه و کابرد بلوک‌های سازنده مولکولی برای ساخت قطعات الکترونیکی است. الکترونیک مولکولی یک حوزه میان‌رشته‌ای است که فیزیک، شیمی، و علم مواد را تحت پوشش دارد. ویژگی خاصی که همه این حوزه‌ها را به هم پیوند می‌دهد، استفاده از سازه‌بلوک‌های مولکولی برای ساخت قطعات الکترونیکی است. به دلیل پیش‌بینی کاهش اندازه در الکترونیک که توسط کنترل خصوصیات سطح مولکولی ارائه شده‌است، الکترونیک مولکولی هیجان زیادی تولید کرده‌است. در واقع زمینه‌هایی بالقوه را برای بسط قانون مور ورای محدودیت‌های پیش‌بینی‌شده در مقیاس مدارهای مجتمع سیلیکونی رایج را ارائه می‌کند.
الکترونیک مقیاس مولکولی، که همچنین الکترونیک تک مولکولی نیز خوانده می‌شود، شاخه‌ای از نانوفناوری است که از یک مولکول، یا مجموعه‌ای از مولکول‌های تکی مقیاس نانو، به عنوان اجزای الکترونیکی استفاده می‌کند. چون مولکول‌های تکی کوچک‌ترین سازه‌های ایستای ممکن را تشکیل می‌دهند، این کوچک‌سازی هدف نهایی برای کوچکتر کردن مدارهای الکترونیکی است.
دستگاه‌های الکترونیکی رایج به‌صورت سنتی از مواد انباشته ساخته می‌شدند. مواد انباشته محدودیت‌های ذاتی خود را دارند، و دارای تقاضای روبه‌رشد بوده و هزینه‌بر هستند. به این روی، این ایده شکل گرفت که قطعه‌ها می‌توانند در عوض اتم به اتم در یک آزمایشگاه شیمی (با رویکرد پایین به بالا) ساخته شوند، که با تراشیدن آن‌ها از ماده انباشته (رویکرد بالا به پایین) در تضاد است. در الکترونیک تک‌مولکولی ماده انباشته با مولکول‌های تکی جایگزین می‌شوند؛ یعنی، به جای ایجاد سازه‌ها با برداشتن یا افزودن مواد پس از شکل‌دهی الگودار، اتم‌ها در یک آزمایشگاه شیمی کنار هم آورده می‌شوند. مولکول‌های استفاده‌شده ویژگی‌هایی دارند که به جای قطعه‌های سنتی الکترونیکی همچون سیم، ترانزیستور، یا یکسوکننده ایفای نقش می‌کنند.
الکتورنیک کوانتومی :
کامپیوتر کوانتومی به انگلیسی: Quantum computer ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای رایانش استفاده می‌کند. رایانه‌های کوانتومی با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس رایانه‌های کوانتومی نهفته‌است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی به انگلیسی: Quantum Turing Machineاست که رایانه کوانتومی جهانی (به انگلیسی Universal Quantum Computer نیز نامیده می‌شود.
اگر چه رایانش کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آن‌ها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کیوبیت‌ها اجرا شده‌است. کشورهای چین و آمریکا در زمینه توسعه رایانه کوانتومی پیشگام هستند. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه رایانه‌های کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis حمایت می‌کنند. اگر رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند برای مثال الگوریتم شُور، Shor’s Algorithm. البته باید توجه داشت که توابعی که توسط رایانه‌های کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط رایانه‌های کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این رایانه‌ها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی‌کنند. رایانه‌های کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.
