Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

“Закон Мура - замечательный пример
экспоненциального роста. На то, чтобы добиться от
компьютера быстродействия в 1 МГц, у человек
чества ушло 90 лет. Сегодня же мы добавляем по
1 МГц каждый день”

Рэй Курцвейл

СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2. Развитие полупроводниковой электроники. . 5
2.1 Электропроводность. . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Диод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Транзистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Микросхемы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5 Проводящие полимеры. . . . . . . . . . . . . . . 6
3. МЭМС и НЭМС . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 7
3.1 Появление и развитие МЭМС . . . . . . . . 7
3.2 Сенсоры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
3.3 Наноэлектроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.4 Наномоторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5. Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Сокращения
ИС – интегральная схема.
CMOS – комплементарный металл-оксид-полупроводник.

DUV – Deep Ultra Violet.
EUV – Extreme Ultra Violet.
МЭМС – микроэлектромеханические системы.
НЭМС – наноэлектромеханические системы.

Введение
Большое количество достижений то в одной, то в другой области во второй половине XX века стало применение полупроводников. Главная особенность полупроводников состоит в том, что их физические свойства сильно зависят от внешних воздействий. Бурное развитие полупроводниковой электроники началось с изобретением сначала точечного (1948г.), а затем и плоскостного (1951г) транзистора – основы любой современной микросхемы. Чтобы понять принцип работы транзистора, надо рассмотреть ряд физических процессов, протекающих в полупроводниках. Для начала рассмотрим суть электропроводности, то есть способности различных веществ проводить ток.

2. Развитие полупроводниковой электроники
2.1 Электропроводность

Атомы в кристаллической решетке металлов упакованы очень плотно, каждый атом может быть непосредственно связан с 12-ю соседними. Поэтому электроны внешних оболочек атомов (валентные электроны) оказываются “свободными” и не участвуют в межатомных взаимодействиях. Высокая концентрация свободных электронов определяет высокую проводимость металлов. Для полупроводников характерна ковалентная связь между атомами. В “чистом виде” кристалл, например Германия, представляет собой диэлектрик. Чтобы получить свободные связи можно его нагреть. Когда разорванная связь перемещается по кристаллу, то движется и созданный ею некомпенсированный положительный заряд. Такая проводимость называется собственной проводимостью. Второй способ – введение примесей, донорных или акцепторных. Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно-дырочных переходах.

2.2 Диод

Способность p-n-перехода пропускать ток только в одном направлении используется в приборах, которые называются
полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл с одним типом проводимости вплавляют капельки материала с другим типом проводимости. Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

2.3 Транзистор

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n-переходами называются транзисторами, на их работе основаны все логические микросхемы. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p и n–p–n. В CMOS логике транзистор включен так, что нулевое или положительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. Соединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ" (рис. 1).

Рис. 1. Схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа)

2.4 Микросхемы

Применение микросхем привело к революционным изменениям. Интегральная схема (ИС) – это система микроскопических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. Микросхема создается на поверхности пластины. В основе технологии лежит литография. Первый этап изготовления – подготовка подложки. Вырезают кристалл, очищают его и наносят химически стойкую пленку. Второй этап – фоторезист, играющий роль трафарета. Далее идет травление и экспонирование, результатом которых становиться удаление материала, не защищенного фоторезистом. Последний этап – процессы эпитаксии, диффузии и металлизации. Для увеличения производительности необходимо улучшать методы литографии (рис. 2). Благодаря переходу на DUV-литографию добились значительного прироста производительности. Сейчас активно развивается EUV-литография, обеспечивающая толщину линий проводников 70 нм.

Рис. 2. Схема оптической литографии

2.5 Проводящие полимеры

Полимеры - это огромные молекулы-цепочки, состоящие из большого числа многократно повторяющихся однотипных молекул-звеньев (мономеров). Меняя длину и переплетения цепочек, получают новые свойства полимеров. Полимеры можно выделить из растительного или животного сырья, а также с помощью процессов полимеризации и поликонденсации. Проводящие полимеры были открыты в 2000 году и открывали новые горизонты электроники. На проводящих электронах основана молекулярная электроника. Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы и диоды. полимеры позволят печатать любую ИС на простых компьютерных принтерах, используя особый химический раствор вместо чернил.

3. МЭМС И НЭМС
3.1 Появление и развитие МЭМС

МЭМС представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на кремниевой подложке. Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в 1959 году. Развитие МЭМС-аппаратуры может иметь такие же последствия для научно-технического прогресса, какие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники. Эрик Дрекслер предложил идею механокомпьютера. Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометровых размеров, которая при воздействии на ее концы высокочастотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) изгибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации. Преимущество идею также заключается в минимальном потреблении энергии. Объединение принципов механических и электронных вычислений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС-транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем. На сегодняшний день лучшее применение МЭМС – датчики или сенсоры.

3.2 Сенсоры

Сенсоры, или датчики - технические элементы, чувствительные к внешним воздействиям. Ультразвуковые сенсоры по принципу напоминают маленький локатор. Инфракрасные датчики срабатывают при попадании движущегося объекта, а пьезоэлектрические сенсоры обнаруживают механическое воздействие. Наносенсоры – элементы, действие которых рассчитано на наноразмерные эффекты. Классический нанорецептор - Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером. Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигурированные под определенные молекулы (рис. 3).

Рис. 3. Молекулярный сортирующий ротор

В 1998 году американские ученые из военного агентства DARPA выдвинули концепцию “умной пыли”. Суть ее заключается в том, чтобы разбрасывать с самолетов над зоной боевых действий тысячи крошечных сенсоров радиопередатчиков, которые незаметно для противника станут отслеживать все его перемещения и действия. Самыми плодотворными были разработки Intel. Поскольку объем памяти “пылинки”составляет лишь несколько килобайт, то для их совместной работы разработали специфическую “крошечную” операционную систему TinyOS, оперирующую файлами размером порядка 200 байт, и соответствующую систему баз данных TinyDB, проводящую внутрисетевую обработку данных. Сеть самоорганизовывалась по принципу: «Установить связь с ближайшим шлюзом». Благодаря таким качествам, как беспроводность, автономность, миниатюрность, множественность, надежность и относительно низкая стоимость, “умная пыль” уже стремительно находит применение в повседневной человеческой жизни. Помимо военных и полицейских приложений, самоорганизующиеся сенсорные сет могут использоваться и в мирных целях — от наблюдения за окружающей средой до присмотра за пожилыми людьми. Электронный нос – это мультисенсорная система для скоростного анализа состояния воздуха, имитирующая работу человеческого органа обоняния. Электронный язык - этот прибор распознает жидкости сложного состава по вкусу, то есть выполняет работу электронного дегустатора. В основе этой системы – массив сенсоров, методы распознавания образов и многомерной калибровки для обработки данных. Проект “Видеоочки” позволяет сделать систему проекции изображения прямо на сетчатку глаза. Этим создается иллюзия полноразмерного изображения.

3.3 Наноэлектроника

В связи с этим рассматриваются различные пути преодоления трудностей, связанных с нанометровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль электронов частично или полностью передана фотонам. Еще одна альтернатива – углеродная наноэлектроника, где ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным нанотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок является возможность управления их физико-химическими свойствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси. Третий способ получить два стабильных состояния “0” и “1” изучает наука спинтроника. Она использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента
квантовых частиц (рис. 4).

Рис. 4. Возможные направления ориентация спинов

Кроме того, есть направление развития нанотехники в сторону механических компьютеров. Механический нанокомпьютер мог бы стать быстрее современного элеткронного.

3.4 Наномоторы

Развитие нанотехники невозможно без наноразмерных двигателей. Источником энергии можжет служить гидролиз АТФ или лазер (рис. 5).

Рис. 5. Наномоторы на свете (слева) и АТФ (справа)
Существуют проекты по созданию нанодвигателей на основе молекулы ДНК, а также эффекта поверхностного натяжения. Существует ротор созданный на основе нанотрубки, использующий разницу в силах трения и ротор Дрекслера, состоящий из двух электродов статора: положительного и отрицательного, и диэлектрического ротора, в который включен ряд нанопроводников-электродов.

Заключение

Технический прогресс ХХ века во многом обязан созданию транзистора, который стал частью еще более сложного устройства интегральной схемы. Долгое время основным материалом считали кремний, но все изменилось после открытия проводящих полимеров. Сейчас этот полимер, благодаря дешевизне производства, находит все больше применения в электронике. Для перехода к более производительной технике необходимо развивать наноразмерную электронику МЭМС И НЭМС. Уже сейчас МЭМС находит широкую область применений. “Электронный нос”, “электронный язык”, “умная пыль” и “видеоочки“ открывают новые возможности во всех сферах жизни. Особенное внимание стоит уделять нанодвигателям, лежащим в основе дальнейшего развития нанотехнологий.

Используемая литература

1. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом. М.- 2005

2. Wikipedia.ru 8 апреля 2010 My WebPage

3. Nanometr.ru 18 декабря 2008 My WebPage

Источник: http://Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом. М.- 2005