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
18
Embed
Nanoelektronika - fyzika.upol.cz · data zakódována do posloupnosti Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin biochemické laboratorní techniky imitují aritmetické operace hustota informace
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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: