นาโนอิเล็กทรอนิกส์ " ไมโครชิพ "

ชื่อผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
  • ชูพันธุ์ เลิดภาต

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

ไม่มี

สถาบันการศึกษาที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

ไม่มี

ระดับการศึกษา

โครงงานในระดับการศึกษาอื่นๆ

หมวดวิชา

โครงงานในสาขาวิชาคอมพิวเตอร์

วันที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

05 เมษายน 2555

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

ประวัติของวงการอิเล็กทรอนิกส์ บทนำ ปัจจุบันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ได้มีการพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว และในปัจจุบันได้มีเทคโนโลยีที่เล็กมากในชื่อ นาโน ซึ่งจะมีการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆให้มีขนาดเล็กซึ่งจะเป็นการปฏิวัติวงการเทคโนโลยี ในบทบาทของนาโนเทคโนโลยีที่กำลังจะเข้าไปปรับเปลี่ยนทิศทาง และพัฒนาศาสตร์ของอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งกำลังจะเดินทางมาถึงจุดอับ ไม่สามารถพัฒนาต่อไปได้ ตามที่ กอร์ดอน มัวร์ ผู้ก่อตั้งบริษัทอินเล็กทรอนิกส์ล่าวไว้ว่า "จำนวนของทรานซิสเตอร์ซึ่งบรรจุอยู่บนแผ่นวงจรรวม หรือ ไมโครชิพ นี้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18 เดือน" คำกล่าวอันสร้างชื่อแก่เขาในฐานะกฎของมัวร์ (Moore's Law) ซึ่งได้รับการยอมรับ และเป็นแรงกดดันให้วงการผลิตชิพสามารถพัฒนาชิพ ให้มีความเร็วสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว จนทำให้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่ซื้อมาใหม่มีอันต้องล้าสมัยไปทุกๆ ปีครึ่งเช่นเดียวกัน แต่กฎของมัวร์นี้กำลังจะถูกสั่นคลอน การเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ลงไปบนชิพด้วยการย่อขนาดของวงจรกำลังจะมาถึงขีดจำกัด การพัฒนาการที่สำคัญของวงการอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1940 หลังจากที่หลอดสุญญากาศแสดงบทบาท ในฐานะอุปกรณ์ควบคุมในเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลายมาร่วม 3 ทศวรรษ โดยโอลห์ (Russell Shoemake Ohl) ค้นพบว่าผลึกซิลิกอนสามารถจะนำมาสร้างเป็นอุปกรณ์ไดโอดได้ ซึ่งนำไปสู่การคิดค้นทรานซิสเตอร์ของ ชอคลี (William Bradford Schockley) แบรตเทน (Walter H. Brattain) และ บาร์ดีน (John Bardeen) ในปี ค.ศ. 1948 หลังจากนั้นอุปกรณ์พวกสารกึ่งตัวนำได้เริ่มเข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศ ทำให้เครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีขนาดเล็กลงและราคาถูกลงมากต่อมาได้มีแนวคิด ที่จะทำให้อุปกรณ์ รวมทั้งวงจร ถูกยุบรวมเข้าไปบนสารกึ่งตัวนำที่เป็นชิ้นเดียว และแล้ว ในปี ค.ศ. 1959 เออร์นี (Jean Hoerni) และ นอยซ์ (Robert Noyce) ก็สามารถพัฒนาแผงวงจรรวมดังกล่าว (Integrated Circuit หรือ IC) ได้สำเร็จ และเพียงปีเดียวเท่านั้นแผงวงจรรวมดังกล่าวก็เข้าไปแทนที่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบแยกส่วนถึง 90% เลยที่เดียว ในช่วงต้นๆ ของทศวรรษ 1960 นั้น วงจรรวมยังไม่มีความซับซ้อนมาก โดยอาจมีทรานซิสเตอร์ประมาณ 20 200 ตัวต่อแผ่นชิพหนึ่งแผ่น และเพิ่มขึ้นมาเป็น 200 5000 ตัวในช่วงปี 1970 ปัจจุบันนี้เรามีแผงวงจรรวมที่มีทรานซิสเตอร์นับล้านตัวเลยทีเดียว มาตรฐานเทคนิค การผลิตชิพนั้นเริ่มต้นโดยการนำทรายมาแยกเอาซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ระดับ 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ นั่นก็คือในหนึ่งพันล้านอะตอมนั้น จะมีอะตอมของธาตุอื่นปลอมปนมาได้ไม่เกินหนึ่งอะตอมเท่านั้น โดยปล่อยให้ซิลิกอนตกผลึกเป็นแท่งกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 6 ถึง 8 นิ้ว จากนั้นนำแท่งซิลิกอนมาฝานออกเป็นแผ่นกลมบางๆ ที่มีความหนาขนาด 0.002 นิ้ว ที่เรียกว่าแผ่นเวเฟอร์ (wafer) ขั้นตอนต่อไปก็คือ ทำให้ผิวของเวเฟอร์นั้นอยู่ในรูปของออกไซด์เป็นฉนวนไฟฟ้า เป็นตัวควบคุมสนามไฟฟ้า เป็นตัวป้องกันการโดพ (dope) ขั้นตอนต่อไปจึงต้องทำการขจัดชั้นของออกไซด์ออกไปในบริเวณที่จะใช้งาน วิธีนี้เรียกว่าวิธีสร้างลายวงจรด้วยแสง (Photolithography) โดยนำแผ่นเวเฟอร์มาเคลือบด้วยสารเคมีที่ไวต่อแสง โดยสารเคมีดังกล่าวจะละลายในตัวทำละลายได้ดีหากโดน ส่วนบริเวณที่ไม่โดนแสงก็ยังคงมีชั้นออกไซด์นั้นอยู่ ดังนั้นการทำ Photolithography หลายๆ ครั้ง ก็จะสามารถสร้างลายวงจรที่มีความซับซ้อนได้ เมื่อได้แผ่นเวเฟอร์ที่มีลายวงจรมาแล้ว แผ่นเวเฟอร์จะถูกนำมาโดพด้วยสิ่งแปลกปลอมเพื่อให้ซิลิกอนมีสมบัตินำไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้เสมือนกับสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เล็กๆ ภายในแผ่น เวเฟอร์ จากนั้นจะเคลือบแผ่นเวเฟอร์ในบางบริเวณด้วยฟิล์ม คล้ายกับการต่อสายไฟให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบนแผ่นเวเฟอร์เชื่อมโยงกัน จากนั้นนำแผ่นเวเฟอร์ไปตัดเป็นชิ้นเล็กๆ ที่มีวงจรรวมอยู่และประกอบเป็นชิพ แผ่นเวเฟอร์หนึ่งแผ่นจะสามารถสร้างชิพได้เป็นจำนวนนับร้อยเลยทีเดียว นับตั้งแต่มีการคิดค้นแผงวงจรรวมไอซีขึ้น ก็ได้มีความพยายามที่จะเพิ่มจำนวนของทรานซิสเตอร์ในแผงวงจรรวม วิธีการหนึ่งที่ได้ผลดีคือการย่อขนาดของทรานซิสเตอร์ให้เล็กลง จากที่เคยมีขนาดของทรานซิสเตอร์ในระดับมิลลิเมตร ทุกวันนี้เรามีทรานซิสเตอร์ในขนาดเพียง 0.13 ไมโครเมตร และมีความพยายามเป็นอย่างมากที่จะย่อขนาดของวงจรลงไปที่ระดับ 0.1และ 0.05 ไมโครเมตร แต่ขณะนี้กลับยังไม่มีใครทราบว่าโฉมหน้าของไมโครเทคโนโลยีระดับ 0.05 ไมครอนจะมีลักษณะเป็นอย่างไร ทำให้เป็นที่วิตกกังวลแก่สมาคมผู้ประกอบการสารกึ่งตัวนำในอเมริกาเป็นอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์หลายๆ คนถึงกับสรุปว่า อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์อาจจะไม่สามารถทำงานได้ในระดับต่ำกว่า 0.05 ไมครอน หรือไม่การประกอบชิพที่ระดับดังกล่าว อาจมีราคาแพงเสียจนพัฒนาการของวงการชิพอาจจะต้องล่าช้าไปอีกจนกระทั่งมีคนเรียกจุดอับนี้ว่า กำแพง 0.05 ไมครอน (0.05 micron barrier) การทำงาน การทำงานทรานซิสเตอร์ เริ่มจากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลของเรา ส่วนที่เป็นสมองของมันคือ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ซึ่งมันก็ประกอบไปด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และสวิตช์ และเกต (gate) ต่างๆ ที่ทำหน้าที่ทางตรรกะ เช่น AND OR และ NOT ซึ่งเกตทางตรรกะเหล่านี้ก็ประกอบขึ้นจากทรานซิสเตอร์หลายๆ ตัว ดังนั้นแทบจะกล่าวได้ว่าทรานซิสเตอร์ก็คือองค์ประกอบพื้นฐาน (building block) ของชิพคอมพิวเตอร์เลยทีเดียว ทรานซิสเตอร์สามารถทำหน้าที่ได้ทั้งในฐานะสวิตช์ สามารถกำหนดสถานะทางตรรกะของวงจรเป็น เปิด และ ปิด ได้ และยังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณอีกด้วย พื้นฐานการทำงานของทรานซิสเตอร์จะใช้สนามไฟฟ้าในการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า (Field Effect Transistor) ปัญหาของทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กในระดับ 0.01ไมครอนจะมี 3 ประการคือ 1.จะทำให้ source และ drain เขยิบเข้ามาใกล้กันมากขึ้น จนสนามศักย์ของเกตจะควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนได้ยากขึ้น เพราะอิเล็กตรอนจะไหลได้เองง่ายขึ้น จนอาจจะไม่ต้องพึ่งสนามศักย์จากเกต 2. ปรกติทรานซิสเตอร์จะต้องมีสนามไฟฟ้าช่วยควบคุมการไหลของกระแส โดยขนาดของสนามไฟฟ้านี้จะต้องมีขนาดมากพอ ที่จะไม่ถูกบดบังจากสัญญาณรบกวน ในเมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดที่ลดลงมาก ทำให้สนามไฟฟ้ากระทำกับระยะทางที่ลดลง เป็นผลทำให้ความเข้มข้นของสนามไฟฟ้ามากขึ้น ซึ่งอาจทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปมากจนควบคุมไม่ได้ 3. เกี่ยวกับความสามารถของอิเล็กตรอนในการหายตัวข้ามกำแพงที่กั้น (Tunnelling) โดยที่อิเล็กตรอนสามารถที่จะลอดจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งของกำแพงศักย์ได้ โดยไม่จำเป็นต้องกระโดดข้ามกำแพงหากกำแพงมีความหนาที่ไม่มากนัก เมื่อจำนวนของทรานซิสเตอร์มีมากขึ้นในพื้นที่ๆลดลง ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวก็จะมาอยู่ใกล้กันมากขึ้น โอกาสที่อิเล็กตรอนในทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งๆจะลอดไปรบกวนการทำงานของทรานซิสเตอร์ตัวอื่นๆก็จะมีมากขึ้น หรืออิเล็กตรอนอาจจะลอดผ่านแผ่นฉนวนออกไซด์ที่กั้นระหว่างช่องเดินทางของอิเล็กตรอน (channel) กับเกตได้ การใช้งาน ในอนาคตข้างหน้านั้นอุปกรณ์หรือจักรกลต่างๆจะมีขนาดเล็ก อุปกรณ์เหล่านั้นได้รับการเรียกขานต่างๆ กันเช่น หุ่นยนต์นาโน (Nanorobot) จักรกลนาโน (Nanomachine) จักรกลโมเลกุล (Molecular Machine) อุปกรณ์เหล่านั้นจะต้องมีหน่วยควบคุม หรือหน่วยประมวลผลซึ่งเป็นส่วนสมองของจักรกลนาโน จึงมีความคิดว่าน่าจะมีการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ขึ้นมาเพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ หรือจักรกลเหล่านั้น นาโนคอมพิวเตอร์นี้ต่างจากคอมพิวเตอร์ธรรมดาอย่างที่เราเข้าใจกัน เช่นคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ ที่ทำงานโดยการปฏิสัมพันธ์กับประสาทสัมผัสของมนุษย์โดยตรง เช่นมีส่วนรับข้อมูลเข้าเป็นคีย์บอร์ด มีส่วนแสดงผลเป็นมอนิเตอร์ แต่นาโนคอมพิวเตอร์จะมีการรับข้อมูลเข้าทางเซนเซอร์ มีการแสดงผลออกเป็นสัญญาณหรือการทำงานกับจักรกลนาโน ทั้งนี้นาโนคอมพิวเตอร์จะมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับอุปกรณ์ที่ทำงานมากกว่ากับมนุษย์ การพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลจะมีประโยชน์ต่อการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ รวมทั้งยังมีประโยชน์ต่อการพัฒนาคอมพิวเตอร์รูปแบบเดิมเช่น คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะด้วย ด้วยความรู้ ณ ปัจจุบัน เรามองทิศทางการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ออกเป็น 4 สายคือ 1.Electronic Nanocomputer นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ 2.Biochemical or Chemical Nanocomputer นาโนคอมพิวเตอร์เชิงเคมี 3.Mechanical Nanocomputer คอมพิวเตอร์เชิงกล 4.Quantum Nanocomputer ควอนตัมนาโนคอมพิวเตอร์ สำหรับนาโนคอมพิวเตอร์ทั้ง 4 ประเภทข้างต้นนี้ นักวิจัยส่วนใหญ่ได้ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับ Electronic Nanocomputer นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์มีพื้นฐานการทำงานคล้ายกับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันคือทำงานจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แต่นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่อาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำนวนมหึมาอย่างที่เป็นอยู่ในคอมพิวเตอร์ปัจจุบัน แต่จะใช้อิเล็กตรอนตัวเดียวหรือมากกว่านั้น ซึ่งจะทำงานโดยอาศัยประโยชน์จากผลของควอนตัม (Quantum Effect) ซึ่งเป็นอุปสรรคของคอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบันแต่กลับเป็นกลไกให้นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ทำงาน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ของนาโนคอมพิวเตอร์แบบนี้จึงต้องมีขนาดเล็กในระดับโมเลกุลเกิดเป็นคำใหม่ขึ้นมาว่า อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลเพราะเหตุที่ว่าความเป็นไปได้ของนาโนคอมพิวเตอร์ประเภทนี้มีสูงที่สุด ประกอบกับมีโครงสร้างพื้นฐานที่รองรับการทำวิจัยนี้ได้มากกว่า ผู้วิจัยในกลุ่มดังกล่าวได้ใช้ระเบียบวิธีการคานวณทางกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อหาโครงสร้างเชิงอิเล็กตรอน รายงานวิจัยดังกล่าวพบว่ายังมี หลายๆจุดในงานวิจัยดังกล่าวที่ยังบกพร่องและสามารถจะปรับปรุงให้มีคุณภาพสูงขึ้น เช่นคุณภาพของโมเดลที่ใช้ยังต่าเกินไปและการแปลความหมายของตัวเลขที่ได้จากการคานวณไปเป็นความหมายทางกายภาพยังไม่ค่อยถูกต้องนัก หากถามว่าทำไมนักวิจัยกลุ่มดังกล่าวซึ่งอยู่ในหน่วยงานระดับโลกจึงยอมปล่อยให้รายงานที่ดูเหมือนยังมีข้อบกพร่องออกมาสู่สาธารณะ คำตอบชัดๆอาจแจงได้เป็น 2 ประการ 1.งานดังกล่าวเป็นการเสนอต้นแบบของสถาปัตยกรรมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล ที่ยังไม่เคยมีใครเสนอมาก่อน กลุ่มผู้เขียนเหล่านั้นต้องการกระตุ้นให้เกิดการตื่นตัวในการศึกษารายละเอียดปลีกย่อยต่างๆโดยนักวิจัยกลุ่มอื่นๆต่อไป ไม่ได้มุ่งที่ความถูกต้องของผลที่ได้โดยตรงซึ่งเพิ่งจะอยู่ในขั้นต้นเท่านั้น 2.กลุ่มวิจัยดังกล่าวเกิดขึ้นมาจากการรวมตัวของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์เป็นหลัก ยังขาดความเข้าใจในระเบียบวิธีการคานวณกลศาสตร์ควอนตัมอย่างถ่องแท้ และนี่ก็เป็นช่องทางหนึ่งที่นักวิจัยไทย โดยเฉพาะนักฟิสิกส์ควอนตัมจะสามารถเข้าไปมีส่วนร่วมในการออกแบบสถาปัตยกรรมนี้ ซึ่งในขณะนี้กลุ่มวิจัยนาโนเทคโนโลยีและโมเลกุลาร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มหาวิทยาลัยมหิดล ก็กาลังทาวิจัยในเรื่องดังกล่าว บทสรุป การปฏิวัติดังกล่าวนี้คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใน 10 ปีนี้ เพื่อให้มีเทคโนโลยีใหม่เกิดขึ้นทดแทนก่อนอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะไปถึงจุดอับ จริงๆแล้วการที่จะไปสู่เป้าหมายดังกล่าวนั้นถือว่าเป็นวิสัยทัศน์ระยะยาว เพราะว่ายังไม่มีใครรู้ว่ารูปแบบที่อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลสุดท้าย จะมีหน้าตาเป็นอย่างไร จึงได้มีการรวมตัวของนักวิจัยที่ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และจัดตั้งเป็นกลุ่มวิจัยนาโนเทคโนโลยีและโมเลกุลอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นด้วยทัศนคติที่ว่า "หากเราจะทำอิเล็กทรอนิกส์แบบเก่าๆ เราแข่งกับเค้าไม่ได้แน่เพราะเค้าเริ่มกันมา 30 กว่าปีแล้ว แต่ถ้าหากเราทำอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลนั้น ทุกคนเริ่มหัดเดินเหมือนกันหมด เรายังมีโอกาสทำอะไรได้บ้าง" โดยทางกลุ่มประกอบด้วยนักฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ นักโพลิเมอร์ผู้มีความสามารถด้านการสังเคราะห์วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ นักวิทยาศาสตร์เชิงคำนวณที่สามารถออกแบบและโมเดลวัสดุด้วยคอมพิวเตอร์ และนักทฤษฎีที่เชี่ยวชาญทางด้านผลของควอนตัม งานวิจัยตามหัวข้อนี้เป็นโครงการต่อเนื่องระยะยาวมากกว่า 10 ปี ซึ่งจริงๆแล้วน่าจะทำไปจนตลอดชีวิตนักวิจัยเสียด้วยซ้ำ เนื่องจากงานทางอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลนั้นจะไปสอดคล้องกับการพัฒนานาโนเทคโนโลยีโดยตรง และเรื่องนาโนเทคโนโลยีนี้ก็เป็นที่คาดกันว่าจะครอบครองพื้นที่ในการทำวิจัยส่วนใหญ่ของศตวรรษที่ 21 นาโนเทคโนโลยี หรือ เทคโนโลยีในการควบคุมและผลิตสรรพสิ่งด้วยความแม่นยำระดับอะตอมนี้กำลังคืบคลานเข้ามาสู่ชีวิตประจำวันของเราอย่างรวดเร็ว บทบาทหนึ่งที่จะเห็นได้ชัดในอนาคตก็คือการเข้ามาแก้ปัญหาที่เป็นจุดตีบตันของวงการอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ในนามของ "นาโนอิเล็กทรอนิกส์" รัฐบาลของประเทศอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์อย่าง สหรัฐอเมริกา ไต้หวัน เกาหลีใต้ และ ญี่ปุ่น ล้วนสนับสนุนให้นักวิจัยสาขานี้เร่งรีบทำงานเพื่อเป็นเจ้าของเทคโนโลยีนี้ สำหรับประเทศไทยนั้น หากเราไม่ได้มุ่งหวังที่จะเก็บตกเทคโนโลยีเก่าอย่างไมโครอิเล็กทรอนิกส์แต่เพียงอย่างเดียวแล้ว เราก็คงจะต้องเริ่มทำอะไรก่อนที่ทุกอย่างจะสายเกินไป และหน่วยงานสนับสนุนการวิจัยของประเทศก็คงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องกำหนดวิสัยทัศน์ในเรื่องนี้อย่างจริงจัง