Войти
Наносхемы - это электрические цепи, работающие в нанометровом масштабе. Это относится к квантовой сфере, где квантово-механические эффекты становятся очень важными. Один нанометр равен 10 метрам или ряду из 10 атомов водорода. С такими постепенно уменьшающимися схемами на компьютерной микросхеме можно разместить больше. Это позволяет выполнять более быстрые и сложные функции с меньшим энергопотреблением. Наносхемы состоят из трех основных компонентов. Это транзисторы, межсоединения и архитектура, все они изготовлены в нанометровом масштабе.
Было высказано множество предложений по реализации наносхем в различных формах. К ним относятся нанопроволоки, одноэлектронные транзисторы, клеточные автоматы на квантовых точках и наноуровневые перекрестные защелки. Однако, вероятно, более близкие подходы будут включать использование наноматериалов для улучшения полевых МОП-транзисторов (полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник). В настоящее время они составляют основу большинства аналоговых и цифровых схем, масштабирование которых руководствуется законом Мура. Обзорная статья, посвященная конструкции MOSFET и ее будущему, была опубликована в 2004 году, в которой сравниваются различные геометрии MOSFET при уменьшении масштаба, и отмечается, что полевые транзисторы с вертикальным каналом круглого сечения оптимальны для уменьшения масштаба. Эта конфигурация может быть реализована с высокой плотностью при использовании вертикальных полупроводниковых цилиндрических каналов с наноразмерными диаметрами, и Infineon Technologies и Samsung начали исследования и разработки в этом направлении, в результате чего были получены некоторые основные патенты, использующие нанопроволоки и углеродные нанотрубки в конструкциях MOSFET. В альтернативном подходе Nanosys использует процессы осаждения и выравнивания на основе раствора для создания рисунка из предварительно изготовленных массивов нанопроволок на подложке, которые служат в качестве бокового канала полевого транзистора. Несмотря на то, что они не обладают такой же масштабируемостью, как полевые транзисторы с одной нанопроволокой, использование предварительно изготовленных нескольких нанопроволок для канала повышает надежность и снижает производственные затраты, поскольку процессы печати большого объема могут использоваться для нанесения нанопроволок при более низкой температуре, чем традиционные процедуры изготовления. Кроме того, из-за более низкой температуры осаждения более широкий спектр материалов, таких как полимеры, может быть использован в качестве несущей подложки для транзисторов, открывающих двери для гибких электронных приложений, таких как электронная бумага, гибкие плоские дисплеи и солнечные элементы большой площади.
Одной из самых фундаментальных концепций для понимания наноцепей является формулировка закона Мура. Эта концепция возникла, когда соучредитель Intel Гордон Мур заинтересовался стоимостью транзисторов и попытался разместить больше на одном кристалле. В нем говорится, что количество транзисторов, которые могут быть изготовлены на кремниевой интегральной схеме - и, следовательно, вычислительные возможности такой схемы - удваиваются каждые 18–24 месяца. Чем больше транзисторов можно уместить в схеме, тем больше вычислительных возможностей будет у компьютера. Вот почему ученые и инженеры работают вместе над созданием этих наносхем, чтобы все больше и больше транзисторов могло уместиться на микросхеме. Несмотря на то, насколько хорошо это может звучать, возникает много проблем, когда так много транзисторов упаковано вместе. Из-за того, что схемы настолько крошечные, у них, как правило, больше проблем, чем у более крупных схем, в частности тепла - количество мощности, приложенной к меньшей площади поверхности, затрудняет отвод тепла, это избыточное тепло вызовет ошибки и может разрушить микросхему. Схемы в наномасштабе более чувствительны к изменениям температуры, космическим лучам и электромагнитным помехам, чем современные схемы. По мере того как в микросхеме помещается все больше транзисторов, такие явления, как паразитные сигналы на микросхеме, необходимость рассеивания тепла от стольких плотно упакованных устройств, туннелирование через изоляционные барьеры из-за небольшого размера и трудности изготовления будут останавливать или сильно замедлять прогресс.. Наступит время, когда затраты на создание схем еще меньше будут слишком высоки, а скорость компьютеров достигнет максимума. По этой причине многие ученые считают, что закон Мура не будет действовать вечно и скоро достигнет своего пика, поскольку закон Мура в значительной степени основан на вычислительных преимуществах, вызванных усовершенствованием технологий микролитографического травления.
В производстве этих наноцепей задействовано множество аспектов. Первая часть их организации начинается с транзисторов. На данный момент большая часть электроники использует кремниевые транзисторы. Транзисторы являются неотъемлемой частью схем, поскольку они контролируют поток электричества и преобразуют слабые электрические сигналы в сильные. Они также управляют электрическим током, поскольку могут его выключить или даже усилить сигналы. В схемах теперь используется кремний в качестве транзистора, потому что его можно легко переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Однако в наноэлектронике транзисторы могут быть органическими молекулами или наноразмерными неорганическими структурами. Полупроводники, которые являются частью транзисторов, также состоят из органических молекул в нано-состоянии.
Второй аспект организации наноцепи - это межсоединение. Это включает в себя логические и математические операции и провода, соединяющие транзисторы вместе, что делает это возможным. В наноцепях нанотрубки и другие провода шириной до одного нанометра используются для соединения транзисторов. Нанопроволоки производятся из углеродных нанотрубок в течение нескольких лет. Еще несколько лет назад для создания схемы были собраны транзисторы и нанопровода. Однако ученым удалось создать нанопроволоку с транзисторами в ней. В 2004 году пионер нанотехнологий из Гарвардского университета Чарльз Либер и его команда создали нанопроволоку - в 10 000 раз тоньше листа бумаги - которая содержит цепочку транзисторов. По сути, транзисторы и нанопроволоки уже предварительно смонтированы, чтобы исключить сложную задачу попытки соединить транзисторы вместе с нанопроводами.
Последняя часть организации наносистемы - это архитектура. Это было объяснено как общий способ соединения транзисторов, так что схема может подключаться к компьютеру или другой системе и работать независимо от деталей нижнего уровня. Поскольку наносхемы настолько малы, они обречены на ошибки и дефекты. Ученые изобрели способ обойти это. Их архитектура объединяет схемы, которые имеют избыточные логические вентили и межсоединения, с возможностью реконфигурировать структуры на нескольких уровнях на кристалле. Резервирование позволяет схеме выявлять проблемы и реконфигурировать себя, чтобы схема могла избежать дополнительных проблем. Это также допускает ошибки в логическом элементе и при этом обеспечивает его правильную работу, не давая ошибочного результата.
В 1960 году египетский инженер Мохамед Аталла и корейский инженер Давон Кан в Bell Labs изготовил первый MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с оксидом затвора толщиной 100 нм вместе с затвор длиной 20 мкм. В 1962 году Аталла и Канг изготовили нанослой -основание переход металл-полупроводник (M – S-переход) транзистор, в котором использовалось золото ( Au) тонкие пленки толщиной 10 нм.
В 1987 году иранский инженер Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый МОП-транзистор с толщиной оксида затвора 10 нм с использованием технологии вольфрамового -затворного многозатворного МОП-транзистора включен масштабирование ниже 20 нм длина затвора, начиная с FinFET (плавниковый полевой транзистор), трехмерного непланарного МОП-транзистора с двумя затворами. FinFET возник в результате исследования Дай Хисамото в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. В Калифорнийском университете в Беркли устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Хисамото и TSMC <Ченмин Ху и другие международные исследователи, включая Цу-Чжэ Кинг Лю, Джеффри Бокор, Хидеки Такеучи, К. Асано, Якуб Кедзерск, Сюэцзюэ Хуанг, Леланд Чанг, Ник Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET до техпроцесса 17 нм в 1998 году, а затем 15 нм в 2001 году. В 2002 году команда, в которую входили Ю, Чанг, Ахмед, Ху, Лю, Бокор и Табери изготовили устройство FinFET 10 нм.
В 2005 году индийские физики Прабхакар Бандару и Аппарао М. Рао из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самый маленький в мире транзистор на основе быть полностью изготовленным из углеродных нанотрубок. Он был предназначен для использования в наноцепях. Нанотрубки представляют собой свернутые листы атомов углерода, которые более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса. В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab Center разработала MOSFET 3 нм, самый маленький в мире наноэлектронное устройство, основанное на технологии FinFET с универсальным затвором (GAA).
Обычно в схемах используются транзисторы на основе кремния , но углеродные нанотрубки предназначен для замены тех. Транзистор имеет две разные ветви, которые встречаются в одной точке, что придает ему Y-образную форму. Ток может течь по обеим ветвям и контролируется третьей ветвью, которая включает или выключает напряжение. Этот новый прорыв теперь может позволить наноцепям полностью сохранить свое название, поскольку они могут быть полностью сделаны из нанотрубок. До этого открытия в логических схемах использовались нанотрубки, но требовались металлические затворы для управления потоком электрического тока.
. Возможно, наибольшее потенциальное применение наносхем связано с компьютерами и электроникой. Ученые и инженеры всегда стремятся сделать компьютеры быстрее. Некоторые думают, что в ближайшем будущем мы могли бы увидеть гибриды микро- и нано-: кремния с наноядром - возможно, компьютерной памятью высокой плотности, которая сохраняет свое содержимое навсегда. В отличие от традиционного проектирования схем, которое переходит от чертежа к фотографическому рисунку и микросхему, проектирование наноцепи, вероятно, начнется с микросхемы - случайного нагромождения целых 1024 компонентов и проводов, не все из которых даже будут работать, - и постепенно превратится в полезное устройство. Вместо использования традиционного подхода сверху вниз, скорее всего, вскоре придется принять подход снизу вверх из-за огромных размеров этих наносхем. Не все в схеме, вероятно, будет работать, потому что на наноуровне наносхемы будут более дефектными и неисправными из-за своей компактности. Ученые и инженеры создали все основные компоненты наносхем, такие как транзисторы, логические вентили и диоды. Все они были построены из органических молекул, углеродных нанотрубок и полупроводников с нанопроволокой. Осталось только найти способ устранить ошибки, которые возникают в таком маленьком устройстве, и наносхемы станут средством всей электроники. Однако в конечном итоге будет предел того, насколько маленькими могут стать наносхемы, и компьютеры и электроника достигнут своих равновесных скоростей.
