ГЛАВА 10 НАНОЕЛЕКТРОНІКА І ФУНКЦІОНАЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА

Загальні положення. Можливості наноелектроніки та функціональної електроніки

Основні тенденції розвитку мікроелектроніки з моменту її зародження і до теперішнього часу пов'язані зі збільшенням ступеня інтеграції і швидкодії ІС. Однак такі тенденції мають певні межі, обумовлені можливостями технології, а також обмеженнями, пов'язаними з фізичними та електричними принципами перетворення інформації та енергії, закладеними в роботу сучасних ІС. Для подолання цих труднощів в технології починають широко застосовуватися рентгенівська і лазерна літографії, які дозволяють отримати дозвіл при створенні елементів з розмірами менше 10 нм (1 нм = 10 9 м = 10 _3 мкм). У США прогнозується, що в найближчі десять років будуть створені МДМ-транзистори з шириною затвора в 20 нм. Розроблені технології дозволяють розмістити на кристалі 109 елементів. Зменшення елементів до розмірів порядку декількох десятків, нехай навіть сотень, періодів кристалічної решітки кристала ІС істотно змінює фізичні процеси (основи) роботи приладів в ІС. При таких характерних розмірах починають проявлятися і переважати хвильові властивості електронів, що переміщаються через структуровані бар'єри, що існують в кристалічній решітці. Розміри цих бар'єрів виявляються одного порядку з довжиною хвилі де Бройля для електрона Х Д = Н / ти , де Л - постійна Планка, т - маса електрона, і - швидкість його руху.

Через прояви хвильових властивостей в нанорозмірних елементах основними фізичними процесами, якими обумовлений перенесення носіїв, є інтерференція і дифракція електронних хвиль , квантові енергетичні обмеження при русі носіїв заряду, пов'язані з малими розмірами об'єкта, і туннелирование електронів через просторово вузькі потенційні бар'єри. Всі перераховані ефекти і складають базу наноелектроніки , що представляє черговий етап і напрям розвитку мікроелектроніки.

Функціональна електроніка, функціональна мікроелектроніка , молекулярна електроніка - різні назви ще одного перспективного напрямку мікроелектроніки, яке пов'язане з отриманням безперервних комбінованих середовищ з заданими властивостями для створення різних електронних приладів на основі використання фізичних принципів і явищ, що дозволяють отримати компоненти зі складним функціональним схемотехническим призначенням.

На відміну від ІС, де використовується технологічна інтеграція, в функціональної електроніці не існує простих елементів типу діодів, транзисторів, резисторів і т. Д.

Інтегральні схеми в найближчі роки досягнуть своїх граничних (критичних) параметрів, обумовлених фізичними обмеженнями та можливостями технології. З'являться ІС з топологічними нормами порядку 0,1 мкм; швидкість зовнішнього обміну інформацією обмежиться 3 ГГц через проблеми межсоединений, хоча частотний діапазон транзисторів буде істотно вище; щільність упаковки буде на рівні 10 10 ел / см 2 (елементів / см 2 ), а для мікропроцесорів - 2 * 10®ел / см 2 . Такі параметри ІС вже зараз недостатні для багатьох систем оперативного розпізнавання образів, штучного інтелекту, для розробки пристроїв паралельної обробки інформації і т. Д. Розробники ІС активно шукають способи подолання технологічних і фізичних бар'єрів. Один з напрямків базується на розробці тривимірних ІС. На цьому шляху необхідно подолати такі труднощі: вирішити проблему взаємних перешкод елементів, розробити методи проектування схем зі складною тривимірною топологією, забезпечити низьку ціну, порівнянну з планарнимі ІС. Однак і в тривимірній електроніці проблема межсоединений теж не може бути вирішена повністю, а часом навіть ускладнюється.

Будь-яка мікросхема - це сукупність дуже великого числа штучно створених за рахунок технологічних процесів локалізованих статичних неоднорідностей в кристалі напівпровідника (області емітера, колектора, бази транзистора, резистор, ізолюючі області і т. Д.), Які з'єднують між собою відповідно до схемотехническими рішеннями, що дозволяють обробляти, зберігати і генерувати інформацію. У сімдесятих роках минулого століття виникла ідея

використовувати в мікроелектроніці динамічні неоднорідності і фізичні принципи інтеграції не тільки числа елементів, але числа функцій, які виконуються електронним приладом, що і є завданням функціональної електроніки.

До динамічних неоднорідностей відносяться ансамблі заряджених частинок, домени (електричні і магнітні), хвильові неоднорідності (поверхневі акустичні хвилі, магнітні статичні хвилі) і ряд інших.

Залежно від типу використовуваного середовища, тієї чи іншої комбінації фізичних полів або явищ розрізняють такі напрямки в функціональної електроніці, як функціональна акустоелектроніка , функціональна магнітоелектроніки , функціональна оптоелектроніка , функціональна діелектрична електроніка , молекулярна електроніка (молетроніка ) і т. Д.

У кремнієвих, арсенід-галієвих ІС та інших пристроях, побудованих на основі схемотехнічних принципів, інформаційні сигнали передаються частинами по лініях межсоединений, що погіршує стійкість і надійність виробів. У пристроях функціональної електроніки корисні сигнали обробляються не частинами (не по байтам), а одномоментно, одночасно по всій структурі. При цьому існує можливість створення пристроїв, в яких можна обробляти одночасно як аналогові, так і цифрові сигнали, що дозволяє досягти швидкості передачі і обробки інформації більше 10 15 операцій в секунду.

Межсоединения в сучасних ІС займають до 60% площі кристала, що призводить до наявності великих значень паразитних параметрів (ємностей, хвильових опорів, дефектів і т. Д.), Які, природно, погіршують характеристики ІС, особливо частотні. У функціональній електроніці межсоединения відіграють незначну, допоміжну роль.

Для всіх пристроїв функціональної електроніки можна виділити ряд характерних елементів і явищ, до яких можна віднести:

  • 1) динамічні неоднорідності певного типу (поверхневі акустичні хвилі (ПАР), зарядові пакети в приладах із зарядним зв'язком (ПЗС), магнітостатіческіе хвилі (МСВ));
  • 2) контінуальниє середовища, в якості яких найчастіше виступають кристалічні тверді тіла, але перспективні також різного роду полімери та біологічні середовища;
  • 3) генератори динамічних неоднорідностей, що забезпечують їх введення в інформаційний канал;
  • 4) пристрої управління динамічними неоднорідностями;
  • 5) детектори виведення і зчитування інформації, що перетворюють закладену в динамічних неоднородностях інформацію в двійковий код, що дозволяє використовувати добре розвинені методи її цифрової обробки.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >