Blockdit Logo (Mobile)
อาจวรงค์ จันทมาศ
•
15 ก.ย. 2021 เวลา 09:47 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
การลอดอุโมงค์เชิงควอนตัม
สู่เทคโนโลยี Flash memory และ tunnel diode
2
หนึ่งในปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดที่สุดทางฟิสิกส์ คือ การที่อนุภาคอย่างอิเล็กตรอน สามารถพุ่งทะลุกำแพงพลังงานศักย์ค่าสูงมากๆได้ เรียกว่า ปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ (tunneling effect) เปรียบได้กับการกลิ้งลูกบอลให้ข้ามภูเขา แม้จะออกแรงเพียงเบาๆก็มีโอกาสที่ลูกบอลจะทะลุไปอยู่อีกฟากของภูเขาได้ ปรากฏการณ์นี้ถูกอธิบายและคำนวณโอกาสการทะลุผ่านได้อย่างถูกต้องชัดเจน ด้วยการมองว่าอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติเป็นคลื่นที่ทะลุผ่านกำแพงศักย์ตามสมการคลื่นของชโรดิงเจอร์
4
แต่หลายคนอาจจะไม่รู้ว่าปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์นั้น นอกจากจะน่าสนใจสำหรับนักฟิสิกส์แล้ว มันยังถูกนำไปประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้กันเป็นประจำด้วย นั่นคือ หน่วยความจำแบบแฟลช (Flash memory)
2
การออกแบบให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บันทึกข้อมูลได้ตามที่ต้องการเป็นหนึ่งในโจทย์ที่ท้าทายให้เหล่านักฟิสิกส์ วิศวกร จนถึงนักวัสดุศาสตร์ พัฒนากันมาจนถึงทุกวันนี้
1
คอมพิวเตอร์ตามบ้านที่เราใช้งานกันเก็บข้อมูลระยะยาวไว้ในฮาร์ดไดร์ฟ (hard drive) ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็ก การบันทึกและลบข้อมูลในฮาร์ดไดร์ฟใช้กลไกที่ชิ้นส่วนอุปกรณ์มีการหมุนและเคลื่อนที่ แต่อุปกรณ์พกพาขนาดเล็กอย่างยูเอสบีแฟลชไดร์ฟ (USB flash drive) หรือ เมมโมรีการ์ดของกล้องถ่ายรูป นั้นไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวได้ การบันทึกและลบข้อมูลจึงต้องใช้กลไกทางอิเล็กทรอนิกส์ ที่เรียกว่า หน่วยความจำแบบแฟลช นั่นเอง
อุปกรณ์ที่ใช้หน่วยความจำแบบแฟลช
ปัญหาหนึ่งของการบันทึกข้อมูลทางดิจิตัล คือ ถ้าอุปกรณ์ไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้า ความจำที่บันทึกไว้จะหายไป หลักการทำงานกว้างๆของหน่วยความจำแบบแฟลชแก้ปัญหานี้ด้วยการการนำวัสดุที่ทำหน้าที่เก็บความจำ (Floating gate) ไปหุ้มด้วยฉนวนไฟฟ้าโดยรอบ ข้อมูลดิจิตัลจะถูกเก็บไว้ในรูปการมีอยู่ของอิเล็กตรอน ดังนั้นเมื่อทำการส่งอิเล็กตรอนเข้าไปในวัสดุเก็บข้อมูลเพื่อเขียนข้อมูลแล้ว อิเล็กตรอนจะหลุดออกมาไม่ได้ เพราะมันถูกหุ้มไว้โดยรอบด้วยฉนวนไฟฟ้าที่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่าน
ส่วนที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูล (Floating gate) ถูกหุ้มด้วยฉนวนไฟฟ้า
มาถึงตรงนี้หลายคนอาจจะสงสัยว่า ถ้าอิเล็กตรอนหลุดออกมาไม่ได้ แล้วตอนเขียนข้อมูลจะส่งอิเล็กตรอนผ่านฉนวนไฟฟ้าเข้าไปได้อย่างไร?
คำตอบคือ ด้านหนึ่งของฉนวนไฟฟ้าที่หุ้มวัสดุบันทึกข้อมูลไว้จะบางมากกว่าด้านอื่นๆ สำหรับอิเล็กตรอน ฉนวนบางๆนี้คือ กำแพงศักย์ที่อิเล็กตรอนปกติไม่สามารถผ่านไปได้ แต่เมื่อต้องการเขียนข้อมูล ศักย์ไฟฟ้าจะถูกใส่เข้าไปในระบบทำให้กำแพงศักย์เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปและอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานที่เปลี่ยนแปลงจนมีโอกาสทะลุผ่านได้ด้วยปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ เมื่อเขียนหรือลบข้อมูลเรียบร้อยแล้ว กำแพงศักย์กลับมาอยู่ในรูปแบบเดิม ทำให้อิเล็กตรอนไม่สามารถทะลุกลับออกมาได้อีก ทั้งหมดนี้คือ หลักการคร่าวๆของหน่วยความจำแบบแฟลช
3
(ภาพซ้าย) อิเล็กตรอนทะลุฉนวนไม่ได้ (ภาพขวา) เมื่อใส่ศักย์ไฟฟ้า กำแพงศักย์บางลงจนอิเล็กตรอนทะลุได้
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกอย่างที่มีหลักการทำงานอาศัยปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ คือ Zener diode และ Tunnel diode
ไดโอดเป็นอุปกรณ์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เหมือนสวิตซ์เปิดปิดวงจร หรือจะมองว่าไดโอดเป็นก๊อกน้ำที่ควบคุมการไหลของไฟฟ้าก็ได้ โดยไดโอดนั้นมีหลากหลายชนิด มันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านหรือไม่ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่แตกต่างกันไปนำมาซึ่งการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ตามที่ต้องการได้
Zener diode และ Tunnel diode นั้นอาศัยหลักการคล้ายกันคือ เมื่อความต่างศักย์เกิดการเปลี่ยนแปลงถึงจุดหนึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนเกิดปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ จนกระแสไฟฟ้าสามารถไหลในวงจรได้ และมีการนำไปใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนได้หลายอย่าง
Zener diode(บน) และ Tunnel diode (ล่าง)
จะเห็นได้ว่าการประยุกต์ใช้ไปสร้างเทคโนโลยีสมัยใหม่นั้นคงไม่มีทางจะเกิดขึ้นได้ หากปราศจากซึ่งความเข้าใจพื้นฐานในธรรมชาติในระดับพื้นฐานอย่างลึกซึ้ง
* Zener diode ถูกตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ Clarence Zener ผู้ค้นพบปรากฏการณ์ Zener effect ที่เกิดขึ้นใน Zener diode ส่วน Tunnel diode ถูกสร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น Reona Esaki ผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1973
โฆษณา