نویسنده: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
اگر بخواهیم در آن‌چه که ویژگی مشترک صنعت پیشرفته‌ی امروزی است دقیق شویم و به عبارتی سعی کنیم این ویژگی را به روشنی بیابیم و تعریف کنیم باید از الکترونیک نام ببریم. البته بسیاری از وسایل صنعتی وجود داشته و هنوز وجود دارند که در آنها عملاً از الکترونیک استفاده نشده است مانند اتوموبیل‌های قدیمی‌تر یا صنایع دستی و امثالهم. اما روند پیشرفت علم و فن‌آوری به گونه‌ای است که هر روز بیشتر از دیروز از قابلیت‌های گسترده و مکشوف و نامکشوف علم الکترونیک در همه چیز حتی آنها که تاکنون در آنها از الکترونیک استفاده نمی‌شده استفاده می‌گردد. و کم‌کم دیگر کم‌تر وسیله‌ی صنعتی کوچک یا بزرگی را شاهدیم که الکترونیک در تمام یا قسمتی از آن نقشی ایفا نکند. الکترونیک یعنی علمی که قوانین حاکم بر الکترون‌ها در درون و بیرون اتم‌ها و حرکت‌ها و کنش‌های آنها با همه‌ی چیزها را مطالعه و آزمایش می‌کند و قابلیت‌های کاربردی این مطالعات را در عرصه‌های مهندسی برای ساخت و تعالی وسایل مختلف الکترونیکی مفید در زندگی بشر مورد بهره برداری قرار می‌دهد. این علم از آنجا این‌قدر قابلیت گسترش به تقریباً همه چیز را دارد که در آن چیزی نقش اصلی را بازی می‌کند که در همه چیز هست، یعنی الکترون. الکترون‌ها عمدتاً به دو صورت پلاسما و حالت جامد می‌توانند وجود داشته باشند. نخستین پیشرفت‌های الکترونیک در عرصه‌ی پلاسمایی آن بود. لامپ‌های کاتدیک قدیمی که مثلاً در تلویزیون‌ها و رادیوهای لامپی خیلی قدیمی به کار می‌رفت شاهد این موضوع است. بحث تخلیه‌ی الکتریکی در گازهای مختلف نیز در این مقوله گنجانده می‌شود. این خود بیان کننده‌ی این است که گرچه حالت پلاسما نخستین عرصه‌ی پیشرفت الکترونیک بود اما به هیچ وجه پیشرفت در این عرصه متوقف نشد هرچند ادامه‌ی پیشرفت در بسیاری از قسمت‌های آن به عرصه‌ی حالت جامد واگذار شد. مثلاً لامپ‌های تخلیه‌ی الکتریکی هرچند در پروسه‌ی پیشرفت، شکل و شمایل و حتی مکانیسم‌های کارکردی خود را تغییر دادند اما همچنان در عرصه‌ی پلاسمایی الکترونیک باقی ماندند مانند ظهور لامپ‌های متداول شده‌ی کم مصرف به جای لامپ‌های مهتابی.
هرچند هم‌چنان‌که گفتیم الکترونیک حالت جامد سعی در جایگزینی الکترونیک پلاسمایی داشت و دارد اما در بسیاری از موارد دارای آن قدرت الکترونیک پلاسمایی نیست و نمی‌تواند جای آن را بگیرد و در بسیاری از موارد هم هنوز حتی در موارد قدرت کم نیز اصولاً نتوانسته است وارد شود زیرا اصولاً فیزیکِ مسأله اجازه‌ی چنین ورودی را به آن نداده است. مثلاً در درون لامپ‌های تقویت تصویر یا لامپ‌های دوربین‌های دیددرشب یا دوربین‌های حرارتی، این تنها الکترونیک پلاسمایی است که باعث تشکیل و تقویت تصویر می‌شود. در این نوع لامپ‌ها، تصویر بسیار ضعیف یا تصویر حرارتی موضوع بر روی صفحه‌ای فوتوکاتدیک تشکیل می‌شود. این صفحه که در درون لامپ خلأ شده‌ای قرار دارد متناسب با شدت تابش فرود آمده بر خویش از نقاط با شدت تایش فرودی بیشتر، الکترون‌های بیشتری آزاد می‌کند تا نقاطی که شدت تابش بر آنها ضعیف‌تر است. این فوتوالکترون‌های آزاد شده تحت میدان الکتریکی شدیدی که در لامپ ایجاد می‌شود در میدان شتاب می‌گیرند و در سوی دیگر لامپ به پرده‌ای فسفری برمی‌خورند که منجر به تابش نور مرئی می‌شود. طبیعی است که چون نقاط متناظر با شدت فرودی بیشتر برای تابش فرودی الکنرومغناطیسی باعث گسیل یا آزادسازی الکترون‌های بیشتری می‌شوند همین الکترون‌های بیشترِ شتاب گرفته در درون لامپ بر نقطه‌ی نظیر مربوطه روشنایی بیشتری تولید می‌کنند و به این ترتیب تصویر تشکیل شده بر صفحه‌ی فوتوکاتد به صورت تقویت شده بر صفحه‌ی فسفری بازسازی می‌شود. چنا‌ن که می‌بینم فرایند فیزیکی به کار رفته در این نوع لامپ‌ها تماماً پلاسمایی است.
اما به هر حال به ویزه در موارد کم قدرت و سبک یا برای موارد کنترلی، الکترونیک حالت جامد بسیار پیشرفت کرد و در همه‌ی صنایع عجین شد. در این نوع الکترونیک، عملاً کم‌تر الکترون را به حالت رها از جامد و مستقل در فضا به صورت پلاسما شاهد هستیم، بلکه در این عرصه بیشتر از خواص حرکتی و تبادلی الکترون در رابطه با اتم و هسته‌ی اتم استفاده می‌شود. این جنبه از الکترونیک به انسان اجازه‌ی کوچک سازی قطعات تا مرز ابعاد اتمی را می‌دهد زیرا در آنها تنها لازم از مواد مناسب با خاصیت‌های اتمی و الکترونی ویژه استفاده شود و سپس با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته و انتخاب نمونه‌های کوچک و کوچک‌تر از این مواد، نهایتاً ابعاد قطعات الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر شود، در حالی‌که در الکترونیک پلاسمایی مشکلاتی مانع کوچک‌سازی‌های زیاد است که عمده‌ترین آنها لزوم ایجاد خلأ است که حداقل مشکل آن لزوم وجود محفظه‌ای برای ایجاد خلأ می‌باشد.
امروزه وقتی از وسایل الکترونیکی صحبت می‌شود یا وقتی عصر ما عصر الکترونیک نامیده می‌شود عمدتاً منظور الکترونیک حالت جامد است که گسترش کاربردی بسیار وسیعی در تمام جوانب زندگی بشر متمدن امروزی یافته است. بدون چنین وسایلی خلبان یک هواپیما قادر نیست در شب یا در هوایی مه‌آلود هواپیما را به زمین بنشاند. بدون این الکترونیک نه تلویزیونی خواهد بود و نه تلفن همراهی و نه گیرنده‌ای ماهواره‌ای. خودپردازهای بانک‌ها بر اثر این الکترونیک تبادلات پولی را تسهیل کرده‌اند. رایانه‌ها و شبکه‌های ارتباطی رایانه ای جهانی عمدتاً بر مبنای الکترونیک حالت جامد کار می‌کنند. حتی وسایل موسیقیایی ما نیز الکترونیکی شده‌اند. الکترونیک تمامی جنبه‌های اجتماعی و اقتصادی و حیاتی بشر را تحت تأثیر خود قرار داده است. مثال‌هایی که زده شد برای یادآوری اهمیت بسیار زیاد الکترونیک (حالت جامد) برای بشر امروزی و درک قابلیت گسترش و تنوع‌پذیری آن است.
یکی از علل گسترش الکترونیک حالت جامد نسبت به الکترونیک حالت پلاسما، ورود فیزیک حالت جامد به عرصه‌ی نیمه رساناهاست. در واقع می‌توان گفت تا هنگامی که تنها با جریان الکترون‌ها در (فلزهای) رسانا سروکار داریم بحث، بی‌شباهت به حالت پلاسمایی نیست زیرا فرض بر این است که محیط رسانای فلزی مملو از الکترون‌های تقریباً آزاد است که تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی (یا مغناطیسی) به راحتی جابه‌جا می‌شوند. این دریای الکترونی مقداری به حالت پلاسمایی الکترون‌ها شباهت دارد. از طرفی اگر نارساناهای کامل یا به اصطلاح اجسام دی‌الکتریک را مد نظر قرار دهیم خواهیم دید که عمدتاً از آنها در عمل تنها در نقش ممانعت از جریان الکتریکی یا به نوعی کنترل آن می‌توان استفاده کرد. گویا نارساناهای کامل یا دی‌الکتریک‌ها و رساناهای کامل در دو سوی یک خط تعادلی قرار دارند که هیچ‌کدام به تنهایی نمی‌توانند در الکترونیک نقش تعیین کننده‌ای ایفا کنند. گویا لازم بود برای پیشرفت طولی و عرضی الکترونیک موادی کشف می‌شد که نه رسانای کامل بودند و نه نارسانای کامل. چنین موادی قادر می‌بودند همه‌ی پهنای رسانایی تا نارسانایی الکترونیک را به مرحله‌ی بهره‌برداری برسانند. هنگامی که شما ماده‌ای داشته باشید که وقتی با ماده‌ی دیگری از نوع خودش در تماس قرار می‌گیرد و کل سیستم در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نه مانند یک رسانای کامل تمام الکترون‌های آزاد از یک طرف به طرف دیگر کشیده شود و نه مانند یک نارسانای کامل هیچ تغییری در موقعیت الکترون‌ها به وجود نیاید، بلکه الکترون‌های یکی تنها اندکی در ناحیه‌ی تماس به دیگری نفوذ کند، آن‌گاه در موقعیت مناسبی خواهید بود که با تمهیدات مناسب میزان این نفوذ را کنترل کنید یا در شرایطی آن نفوذ را آن‌قدر شدید کنید که مثلاً شکست حاصل شود و جریان کاملی بر قرار شود. تمهیدات دیگری نیز برای استفاده از این حالت تعادلیِ بدون افراطِ رسانش و تفریطِ نارسانش می‌توان اندیشید. این تمهیداتِ اندیشیده شده برای این نوع مواد است که منجر به ساخت بسیاری از قطعات اساسی الکترونیکی امروزه شده است، از جمله دیودها، ترانزیستورها، تراشه‌های الکترونیکی و مدارهای مجتمع و امثالهم.
مسأله‌ی دیگری گه به گسترش الکترونیک (حالت جامد) کمک کرد درگیری کوچک-ابعاد این علم است. در توضیح این مطلب باید بگوییم فاصله‌های تأثیری الکترون‌ها و اتم‌ها با یکدیگر در پدیده‌های الکترونیکی، مثلاً میزان نفوذ فوق‌الذکر در صفحه‌ی مرزی نیمه رساناها، از ابعادی در مرتبه‌ی طول موج‌های تابش‌های الکترومغناطیسی کاربردی در صنایع مختلف می‌باشند. این به این معناست که تأثیر این امواج در پدیده‌های موضوع الکترونیک حالت جامد قابل قیاس با خود تأثیرات الکترونیکی است و بنابراین می‌توان به نحو مناسب تمهیداتی اندیشید که از این تأثیرات به نحو کنترل شده‌ای در بسط الکترونیک استفاده کرد. این همان بسط قابل توجه تداخل الکترومغناطیسم و الکترونیک است که به وقوع پیوست و در حال گسترش می‌باشد و نقش عظیمی در مخابرات و پیشرفت روزافزون آن داشته است.
سؤالی که در اینجا مطرح می‌شود این است که آیا گسترش الکنرونیک حدی هم دارد یا نه؟ و به نظر می‌رسد پاسخ این باشد که گسترش الکترونیک به قابلیت نفوذ در آن بستگی دارد، به این معنا که هر چقدر بتوانیم در کوچک-مقیاسِ فواصل اتمی و دنیای انفرادی‌تر اتم‌ها و حتی الکترون‌ها عملاً وارد شویم و کنترل کارها را در دست بگیریم امکان بیشتری برای استفاده‌های عملی و بزرگ-مقیاس از این فرایندهای کنترل شده داریم. اما میزان این نفوذ ما به ابعاد اتم محدود می‌شود و آن زمان که تکنولوژی توانست به مهندسی این ابعاد بپردازد و از آن استفاده کند آن‌گاه قابل تصور است که میزان شتاب گسترش الکترونیک کاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد یافت، زیرا اگر مثلاً از دنیای دسته‌های هزار اتمی به دنیای دسته‌های صد اتمی وارد شدن پیشرفت بزرگی در الکترونیک است و همن‌طور ورود از دنیای دسته‌های صد اتمی به دسته‌های ده اتمی پیشرفت بزرگی است بالتبع ورود از دنیای ده اتمی‌ها به دنیای تک اتمی نیز پیشرفت در الکترونیک محسوب می‌شود اما دیگر دنیایی اتمی‌تر از دنیای تک اتمی برای پیشرفت الکترونیک وجود ندارد. افق‌های چنین حدی در تکنولوژی الکترونیک اکنون با توسعه‌ی روزافزون فن‌آوری نانو در حال هویدا شدن است.
منبع:
اما به هر حال به ویزه در موارد کم قدرت و سبک یا برای موارد کنترلی، الکترونیک حالت جامد بسیار پیشرفت کرد و در همه‌ی صنایع عجین شد. در این نوع الکترونیک، عملاً کم‌تر الکترون را به حالت رها از جامد و مستقل در فضا به صورت پلاسما شاهد هستیم، بلکه در این عرصه بیشتر از خواص حرکتی و تبادلی الکترون در رابطه با اتم و هسته‌ی اتم استفاده می‌شود. این جنبه از الکترونیک به انسان اجازه‌ی کوچک سازی قطعات تا مرز ابعاد اتمی را می‌دهد زیرا در آنها تنها لازم از مواد مناسب با خاصیت‌های اتمی و الکترونی ویژه استفاده شود و سپس با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته و انتخاب نمونه‌های کوچک و کوچک‌تر از این مواد، نهایتاً ابعاد قطعات الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر شود، در حالی‌که در الکترونیک پلاسمایی مشکلاتی مانع کوچک‌سازی‌های زیاد است که عمده‌ترین آنها لزوم ایجاد خلأ است که حداقل مشکل آن لزوم وجود محفظه‌ای برای ایجاد خلأ می‌باشد.
یکی از علل گسترش الکترونیک حالت جامد نسبت به الکترونیک حالت پلاسما، ورود فیزیک حالت جامد به عرصه‌ی نیمه رساناهاست. در واقع می‌توان گفت تا هنگامی که تنها با جریان الکترون‌ها در (فلزهای) رسانا سروکار داریم بحث، بی‌شباهت به حالت پلاسمایی نیست زیرا فرض بر این است که محیط رسانای فلزی مملو از الکترون‌های تقریباً آزاد است که تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی (یا مغناطیسی) به راحتی جابه‌جا می‌شوند. این دریای الکترونی مقداری به حالت پلاسمایی الکترون‌ها شباهت دارد. از طرفی اگر نارساناهای کامل یا به اصطلاح اجسام دی‌الکتریک را مد نظر قرار دهیم خواهیم دید که عمدتاً از آنها در عمل تنها در نقش ممانعت از جریان الکتریکی یا به نوعی کنترل آن می‌توان استفاده کرد. گویا نارساناهای کامل یا دی‌الکتریک‌ها و رساناهای کامل در دو سوی یک خط تعادلی قرار دارند که هیچ‌کدام به تنهایی نمی‌توانند در الکترونیک نقش تعیین کننده‌ای ایفا کنند. گویا لازم بود برای پیشرفت طولی و عرضی الکترونیک موادی کشف می‌شد که نه رسانای کامل بودند و نه نارسانای کامل. چنین موادی قادر می‌بودند همه‌ی پهنای رسانایی تا نارسانایی الکترونیک را به مرحله‌ی بهره‌برداری برسانند. هنگامی که شما ماده‌ای داشته باشید که وقتی با ماده‌ی دیگری از نوع خودش در تماس قرار می‌گیرد و کل سیستم در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نه مانند یک رسانای کامل تمام الکترون‌های آزاد از یک طرف به طرف دیگر کشیده شود و نه مانند یک نارسانای کامل هیچ تغییری در موقعیت الکترون‌ها به وجود نیاید، بلکه الکترون‌های یکی تنها اندکی در ناحیه‌ی تماس به دیگری نفوذ کند، آن‌گاه در موقعیت مناسبی خواهید بود که با تمهیدات مناسب میزان این نفوذ را کنترل کنید یا در شرایطی آن نفوذ را آن‌قدر شدید کنید که مثلاً شکست حاصل شود و جریان کاملی بر قرار شود. تمهیدات دیگری نیز برای استفاده از این حالت تعادلیِ بدون افراطِ رسانش و تفریطِ نارسانش می‌توان اندیشید. این تمهیداتِ اندیشیده شده برای این نوع مواد است که منجر به ساخت بسیاری از قطعات اساسی الکترونیکی امروزه شده است، از جمله دیودها، ترانزیستورها، تراشه‌های الکترونیکی و مدارهای مجتمع و امثالهم.
مسأله‌ی دیگری گه به گسترش الکترونیک (حالت جامد) کمک کرد درگیری کوچک-ابعاد این علم است. در توضیح این مطلب باید بگوییم فاصله‌های تأثیری الکترون‌ها و اتم‌ها با یکدیگر در پدیده‌های الکترونیکی، مثلاً میزان نفوذ فوق‌الذکر در صفحه‌ی مرزی نیمه رساناها، از ابعادی در مرتبه‌ی طول موج‌های تابش‌های الکترومغناطیسی کاربردی در صنایع مختلف می‌باشند. این به این معناست که تأثیر این امواج در پدیده‌های موضوع الکترونیک حالت جامد قابل قیاس با خود تأثیرات الکترونیکی است و بنابراین می‌توان به نحو مناسب تمهیداتی اندیشید که از این تأثیرات به نحو کنترل شده‌ای در بسط الکترونیک استفاده کرد. این همان بسط قابل توجه تداخل الکترومغناطیسم و الکترونیک است که به وقوع پیوست و در حال گسترش می‌باشد و نقش عظیمی در مخابرات و پیشرفت روزافزون آن داشته است.
سؤالی که در اینجا مطرح می‌شود این است که آیا گسترش الکنرونیک حدی هم دارد یا نه؟ و به نظر می‌رسد پاسخ این باشد که گسترش الکترونیک به قابلیت نفوذ در آن بستگی دارد، به این معنا که هر چقدر بتوانیم در کوچک-مقیاسِ فواصل اتمی و دنیای انفرادی‌تر اتم‌ها و حتی الکترون‌ها عملاً وارد شویم و کنترل کارها را در دست بگیریم امکان بیشتری برای استفاده‌های عملی و بزرگ-مقیاس از این فرایندهای کنترل شده داریم. اما میزان این نفوذ ما به ابعاد اتم محدود می‌شود و آن زمان که تکنولوژی توانست به مهندسی این ابعاد بپردازد و از آن استفاده کند آن‌گاه قابل تصور است که میزان شتاب گسترش الکترونیک کاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد یافت، زیرا اگر مثلاً از دنیای دسته‌های هزار اتمی به دنیای دسته‌های صد اتمی وارد شدن پیشرفت بزرگی در الکترونیک است و همن‌طور ورود از دنیای دسته‌های صد اتمی به دسته‌های ده اتمی پیشرفت بزرگی است بالتبع ورود از دنیای ده اتمی‌ها به دنیای تک اتمی نیز پیشرفت در الکترونیک محسوب می‌شود اما دیگر دنیایی اتمی‌تر از دنیای تک اتمی برای پیشرفت الکترونیک وجود ندارد. افق‌های چنین حدی در تکنولوژی الکترونیک اکنون با توسعه‌ی روزافزون فن‌آوری نانو در حال هویدا شدن است.
/ج
