Nanoelektronika a MEMS/NEMS Úvod. Nanoelektronika

Transkript

1 Úvod Nanoelektronika plynulý přechod z mikroelektroniky snaha o vyšší výpočetní výkon zmenšování + větší počet tranzistorů zvyšování frekvence nové zdroje energie nové směry: nositelná elektronika integrace s člověkem tisknutelná elektronika

2 Úvod Vlastnosti a omezení současné elektroniky generace: vakuová, diskrétní polovodičová, integrovaná polovodičová založená na využití polovodičů základem křemík(ová destička) dotování: typ P a N základem PN přechod izolační vrstvy z SiO 2 další druhy polovodičů návrat Ge ve formě SiGe planární technologie možné zdroje problémů ztrátový tepelný výkon dotování polovodičů spínací doby délka a počet vodičů prodlení, větší odpor (protože menší průřez) R = ρ l S

3 Úvod Základy výpočetní elektroniky Unipolární tranzistor základ současné CMOS technologie prochází jen jeden typ nosičů náboje proud mezi elektrodami S a D se ovládá napětím na elektrodě G často ve spínacím režimu: proud teče/neteče U g U s U d Gate Source Drain MOSFET

4 Úvod Základy výpočetní elektroniky Logické obvody pracují se dvěma logickými úrovněmi 0 a 1 základem Boolova algebra hradlo NOT logický invertor x převrací hodnotu hradlo AND logický součin x y výstup 1 pouze tehdy, jsou-li oba vstupy 1 hradlo OR logický součet x + y výstup 0 pouze tehdy, jsou-li oba vstupy 0 pozor na 1+1=1 různé technické realizace v elektronice poskládány z tranzistorů

5 Úvod Zajímavosti Mikrovakuová elektronika princip vakuových elektronek přenesený do pevné látky využívá polní emise z W sloupků klasické elektronky využívaly termoemisi ukázka triody

6 Úvod Zajímavosti Molekulové kaskády mechanické molekulové zařízení uspořádání molekul CO pomocí STM za nízkých teplot molekula tuneluje mezi sousedními vazebnými místy pohyb jedné molekuly CO na Cu(111) vyvolá pohyb druhé, atd. (jako kostky domina) molekulová kaskáda trimery mají tři uspořádání bent-line (chevron) přechází na symetrické (v minutách) princip operace molekuly se vhodně rozmístí spouštěcí molekula se přemístí STM první chevron chevron se rozpadne a vytvoří druhý atd. dopředný směr je doprovázen poklesem energie okrajové molekuly zvyšují rychlost možnost realizace logických operací rozpadlý stav je log. 0 AND: oba vstupy log. 1, jinak se nevytvoří chevron ve spoji i složité obvody (545 molekul)

7 Úvod Zajímavosti DNA počítače probíhají chemické reakce s DNA, které řeší nějaký problém masivní paralelizace, velká kapacita paměti data zakódována do posloupnosti Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin biochemické laboratorní techniky imitují aritmetické operace hustota informace (4 stavy) je 1 bit/nm 3, 1 litr asi bází DNA výpočty nejsou bezchybné je třeba vybrat správné řešení DNA musí být redundantní, přírodní většinou není aplikace: různé vyhledávací problémy, hledáme jeden řetězec v konkurenci se zrychlujícími PC nemusí uspět aplikace funkce f na neznámý fragment DNA použití PC by vyžadovalo sekvencování a digitalizaci vysoká energetická účinnost

8 Nanoelektronické výpočetní technologie Problémy s nano Adaptace pro nanosystémy velký počet velmi malých prvků problém s propojováním vodiči (adresace, programování apod.) vhodná lokální struktura prvek interaguje jen se svým okolím opakování stejného motivu velká chybovost mnoho prvků bude vadných nutná robustnost citlivost na okolní podmínky projevy kvantového světa např. tunelování žádoucí: PN přechod nahradí tunelovací nežádoucí: elektrony tečou kam nemají

9 Nanoelektronické výpočetní technologie Problémy s nano Speciální hradla vícehodnotová logika (viz DNA počítače) Fredkinova hradla běžná hradla vedou ke ztrátě informace spojení s entropií a disipací energie ohřev E = k B T log 2 I tři vstupy (u, x 1, x 2 ) a výstupy (v = u, y 1 = ux 1 + ux 2, y 2 = ux 1 + ux 2 ) použije se jen jeden žádoucí výstup, ostatní jdou do odpadu k ohřevu dojde až mimo hradlo ohřev významný u molekulárních procesů (obtížné chlazení) využití např. u = a, x 1 = b, x 2 = 0 získáme AND y 1 = ab většinová hradla výstup je roven převažující hodnotě na vstupu např. x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 1 dává y = 0 zároveň univerzální hradlo: je-li řídící signál 0, realizuje AND je-li řidící signál 1, realizuje OR důležité pro chybující nanosystémy

10 Nanoelektronické výpočetní technologie Vybrané technologie Molekulární elektronika cíl realizace zařízení jedinou molekulou vodivé mohou být násobné vazby prokládané jednoduchými, π oligomery vodivost souvisí s délkou G = G 0 e βl základem je tunelování nesymetrická molekula nesymetrická charakteristika dioda

11 Nanoelektronické výpočetní technologie Vybrané technologie Rezonanční tunelovací zařízení heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou záporný diferenciální odpor velice rychlé (THz/ps) InGaAs AlAs InGaAs InAs InGaAs AlAs InGaAs aplikace např. paměť Slovo 0 1 Paměťový uzel Bit

12 Nanoelektronické výpočetní technologie Vybrané technologie Jednoelektronová zařízení využití Coulombovy blokády průchod/udržení po jednom elektronu jednoelektronový tranzistor struktura velmi podobná MOSFETu proud protéká jen tehdy, je-li počet elektronů v ostrůvku polovinový proud osciluje v závislosti na U g Source Source U g Gate Island SET U g Gate Channel Drain Drain U d U d MOSFET

13 Nanoelektronické výpočetní technologie Vybrané technologie Kvantové celulární automaty (QCA) základní princip (Notre Dame) výpočty nevyužívají proud elektronů, ale polohu čtyři (5) kvantové tečky, režim coulombovské blokády dva elektrony, vzájemně se odpuzují dva vzájemně odlišné stavy logické stavy základní prvky: drát, invertor, rozvětvení pokročilé obvody: RS klopný obvod vyžaduje složité časování 1 0 drát invertor rozvětvení S 1 Q R 0 majoritní

14 Další aplikace nanoelektroniky Nanooptoelektronika Výstupní zařízení displej s nanotrubičkami (Motorola) i obyčejný zdroj světla také reproduktory

15 Další aplikace nanoelektroniky Nanooptoelektronika Optické zdroje a detektory jednofotonová dioda jednofotonový detektor

16 Další aplikace nanoelektroniky Energetika Generátory nanogenerátor z piezoelektrických materiálů poněkud makroskopický buzený AFM obecně získávání energie z prostředí

17 Mikroelektromechanické systémy Mikroelektromechanické systémy rozšíření polovodičové elektroniky o mechanický rozměr

18 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy z mikro- do nano-, ale opět změna vlastností