NEMS Úvod. Nanoelektronika

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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 SiO2 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 Sl

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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 Ug Ud

Us Gate Source

Drain

MOSFET

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Úvod Zajímavosti

Mikrovakuová elektronika

princip vakuových elektronek přenesený do pevné látky využívá polní emise z W sloupků klasické elektronky využívaly termoemisi

ukázka triody


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)


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/nm3 , 1 litr asi 1023 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

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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 = kB T log2 ∆I tři vstupy (u, x1 , x2 ) a výstupy (v = u, y1 = ux1 + ux2 , y2 = ux1 + ux2 ) 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, x1 = b, x2 = 0 získáme AND y1 = ab

většinová hradla výstup je roven převažující hodnotě na vstupu např. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 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

Nanoelektronika a MEMS/NEMS 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 = G0 e−βL základem je tunelování

nesymetrická molekula – nesymetrická charakteristika – dioda


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 Paměťový uzel Bit

0

1


Jednoelektronová zařízení využití Coulombovy blokády průchod/udržení po jednom elektronu jednoelektronový tranzistor

Ug Ud Gate Source

struktura velmi podobná MOSFETu proud protéká jen tehdy, je-li počet elektronů v ostrůvku polovinový proud osciluje v závislosti na Ug

Island

Drain

SET Ug Ud Gate Source

Channel

MOSFET

Drain


Kvantové celulární automaty (QCA) 1

0

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

drát

invertor

základní prvky: drát, invertor, rozvětvení pokročilé obvody: RS klopný obvod vyžaduje složité časování rozvětvení

S

1 Q

R

0

majoritní

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Další aplikace nanoelektroniky Nanooptoelektronika

Výstupní zařízení

displej s nanotrubičkami (Motorola)

i obyčejný zdroj světla také reproduktory

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Další aplikace nanoelektroniky Nanooptoelektronika

Optické zdroje a detektory jednofotonová dioda

jednofotonový detektor

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Další aplikace nanoelektroniky Energetika

Generátory

nanogenerátor z piezoelektrických materiálů poněkud makroskopický – buzený AFM

obecně získávání energie z prostředí

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Mikroelektromechanické systémy

Mikroelektromechanické systémy

rozšíření polovodičové elektroniky o mechanický „rozměr“

Nanoelektronika a MEMS/NEMS Mikroelektromechanické systémy

Nanoelektromechanické systémy

z mikro- do nano-, ale opět změna vlastností

NEMS Úvod. Nanoelektronika

Recommend Documents