Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Nanoelektronika

plynulý přechod z mikroelektronikysnaha o vyšší výpočetní výkonzmenšování + větší počet tranzistorůzvyšování frekvencenové „zdroje“ energienové směry:

nositelná elektronikaintegrace s člověkemtisknutelná elektronika

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Vlastnosti a omezení současné elektroniky

generace: vakuová, diskrétní polovodičová, integrovaná polovodičovázaložená na využití polovodičů

základem křemík(ová destička)dotování: typ P a Nzákladem PN přechodizolační vrstvy z SiO2další druhy polovodičůnávrat Ge ve formě SiGe

planární technologiemožné zdroje problémů

ztrátový tepelný výkondotování polovodičůspínací dobydélka a počet vodičů – prodlení, větší odpor (protože menší průřez)R = ρ l

S

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Základy „výpočetní“ elektroniky

Unipolární tranzistor

základ současné CMOS technologieprochází jen jeden typ nosičů nábojeproud mezi elektrodami S a D se ovládá napětím na elektrodě Gčasto ve spínacím režimu: proud teče/neteče

Gate

DrainSource

Ud

Ug

MOSFET

Us

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Základy „výpočetní“ elektroniky

Logické obvody

pracují se dvěma logickými úrovněmi „0“ a „1“základem Boolova algebrahradlo NOT

logický invertor xpřevrací hodnotu

hradlo ANDlogický součin x · yvýstup „1“ pouze tehdy, jsou-li oba vstupy„1“

hradlo ORlogický součet x + yvýstup „0“ pouze tehdy, jsou-li oba vstupy„0“pozor na „1+1=1“

různé technické realizacev elektronice poskládány z tranzistorů

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Zajímavosti

Mikrovakuová elektronika

princip vakuových elektronek přenesený do pevné látkyvyužívá polní emise z W sloupků

klasické elektronky využívaly termoemisi

ukázka triody

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Zajímavosti

Molekulové kaskády

„mechanické“ molekulové zařízeníuspořádání molekul CO pomocí STM za nízkých teplotmolekula tuneluje mezi sousedními vazebnými místypohyb jedné molekuly CO na Cu(111) vyvolá pohyb druhé,atd. (jako kostky domina)→molekulová kaskádatrimery mají tři uspořádání

bent-line (chevron) přechází na symetrické (v minutách)princip operace

molekuly se vhodně rozmístíspouštěcí molekula se přemístí STM→ první chevronchevron se rozpadne a vytvoří druhý atd.dopředný směr je doprovázen poklesem energieokrajové molekuly zvyšují rychlost

možnost realizace logických operací„rozpadlý“ stav je log. 0AND: oba vstupy log. 1, jinak se nevytvoří chevron ve spojii složité obvody (545 molekul)

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Úvod

Zajímavosti

DNA počítače

probíhají chemické reakce s DNA, které řeší nějaký problémmasivní paralelizace, velká kapacita „paměti“

data zakódována do posloupnosti Adenin, Thymin, Cytosin, Guaninbiochemické laboratorní techniky imitují aritmetické operace

hustota informace (4 stavy) je 1 bit/nm3, 1 litr asi 1023 bází DNA„výpočty“ nejsou bezchybnéje třeba vybrat správné řešeníDNA musí být redundantní, přírodní většinou není

aplikace:různé vyhledávací problémy, hledáme jeden řetězec

v konkurenci se zrychlujícími PC nemusí uspětaplikace 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 prvkůproblém s propojováním vodiči (adresace, programování apod.)vhodná lokální struktura – prvek interaguje jen se svým okolímopakování stejného motivu

velká chybovostmnoho prvků bude vadnýchnutná robustnostcitlivost na okolní podmínky

projevy kvantového světanapř. tunelování

žádoucí: PN přechod nahradí tunelovacínežádoucí: 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 informacespojení s entropií a disipací energie – ohřev ∆E = kBT log2 ∆Itři 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 hradloohřev významný u molekulárních procesů (obtížné chlazení)využití např. u = a, x1 = b, x2 = 0 získáme AND y1 = ab

většinová hradlavýstup je roven převažující hodnotě na vstupunapř. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 1 dává y = 0zároveň univerzální hradlo:

je-li řídící signál 0, realizuje ANDje-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 molekulouvodivé mohou být násobné vazby prokládané jednoduchými, πoligomeryvodivost souvisí s délkou G = G0e−βL

základem je tunelování

nesymetrická molekula – nesymetrická charakteristika – dioda

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Nanoelektronické výpočetní technologie

Vybrané technologie

Rezonanční tunelovací zařízení

heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou InGaAs

InGaAs

InGaAs

InGaAs

AlAs

InAs

AlAs

záporný diferenciální odporvelice rychlé (THz/ps)

aplikace např. paměť

Paměťovýuzel

Slovo

Bit

0 1

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Nanoelektronické výpočetní technologie

Vybrané technologie

Jednoelektronová zařízení

využití Coulombovy blokády

Gate

DrainSource

Ud

Ug

Gate

DrainSource

Ud

Ug

Channel

MOSFET

Island

SET

průchod/udržení po jednom elektronujednoelektronový tranzistor

struktura velmi podobná MOSFETuproud protéká jen tehdy, je-li počet elektronův ostrůvku polovinovýproud osciluje v závislosti na Ug

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Nanoelektronické výpočetní technologie

Vybrané technologie

Kvantové celulární automaty (QCA)

základní princip (Notre Dame)

rozvětvení

majoritní

01

drát

invertor

výpočty nevyužívají proud elektronů, ale polohučtyři (5) kvantové tečky, režim coulombovské blokádydva elektrony, vzájemně se odpuzujídva vzájemně odlišné stavy – logické stavy

základní prvky: drát, invertor, rozvětvenípokročilé obvody: RS klopný obvod

vyžaduje složité časování

S

Q

1

0R

Nanoelektronika a MEMS/NEMS

Další aplikace nanoelektroniky

Nanooptoelektronika

Výstupní zařízení

displej s nanotrubičkami (Motorola)

i obyčejný zdroj světlataké 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 materiálůponěkud 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