Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Презентацию подготовили студенты 21302 группы:
Алёшин А
Круглов А
Для классических компьютеров исключительно
важной является проблема уменьшения
рассеиваемой энергии в процессе вычислительных
операций. МДП полевые транзисторы с
изолированным затвором не расходуют входную
мощность при управлении током во вторичной
цепи. В этом их принципиальное отличие от
биполярных транзисторов и основное
преимущество для повышения степени упаковки и
интеграции при конструировании СБИС.
Кроме этого, оказывается, что используя пару
комплементарных (дополняющих) p- и n-канальных
МДП-транзисторов, можно практически свести к
нулю и рассеиваемую выходную мощность.
Действительно, для последовательно соединенных
КМОП-транзисторов при подаче напряжения в
активном режиме один из них всегда открыт, а
другой – закрыт. Поэтому ток в выходной цепи в
статическом режиме не протекает, а мощность
выделяется только при переключениях
транзисторов из одного состояния в другое.
Полевые приборы со структурой металл –
диэлектрик – полупроводник в силу
универсальности характеристик нашли широкое
применение в интегральных схемах (ИС).
Одна из основных задач микроэлектроники
заключается в повышении степени интеграции и
быстродействия интегральных схем.
Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения
геометрических размеров каждого элемента в схемах
проявляется тенденция к увеличению числа элементов в
схеме. Если в начале 1960-х годов число элементов в схеме
составляло десятки, то в начале 2000-х годов число
элементов в схеме составляет сотни миллионов. Обращает
на себя внимание тот факт, что в настоящее время плотность
упаковки приближается к пределу, обусловленному
физическими ограничениями.
Минимальную длину канала ограничивает эффект,
связанный со смыканием областей истока и стока
при приложении напряжения к стоку VDS.
Поскольку ширина lоб p-n перехода, смещенного в
обратном направлении, равна:
На рисунке показана
зависимость напряжения
пробоя такого перехода от
легирующей концентрации в
подложке.
Известно, что существующие физические ограничения на
микроминиатюризацию полевых и биполярных приборов
с использованием p-n переходов, являются серьезным
препятствием на пути развития традиционной
микроэлектроники и, как следствие, вычислительной
техники, базирующейся на принципах булевой алгебры.
Современная технология на базе оптической, электронной
и рентгеновской литографии, сфокусированных ионных
пучков позволяет получать структуры с планарными
размерами менее 100 нм, а методы молекулярной
эпитаксии обеспечивают уверенный контроль по составу
и толщине слоев в 1–10 нм. Переход к другой элементной
базе дает возможность продвижения в область малых
горизонтальных размеров, вплоть до структур,
построенных из отдельных атомов или молекул на основе
методов нанотехнологии с использованием сканирующего
туннельного микроскопа (СТМ) совместно с методами
химического синтеза и молекулярной биологии.
Для классических компьютеров исключительно важной
является проблема уменьшения рассеиваемой энергии в
процессе вычислительных операций.
Для квантовых компьютеров используется принцип
построения на логически и термодинамически обратимых
вентилях. При этом энергия будет рассеиваться только при
вводе и выводе информации на периферийных
устройствах
Базисом для квантовых вычислений являются
двухуровневые квантовые элементы, получившие
название кубитов (quantum bits). Поскольку законы
квантовой физики на микроскопическом уровне
являются линейными и обратимыми, то и
соответствующие квантовые логические устройства
оказываются также логически и термодинамически
обратимыми.
Схема квантового обратимого компьютера,
состоящего из элементов с двумя состояниями в
качестве «вычислительного» базиса была
предложена Фейнманом. В настоящее время идет
активный поиск элементной базы для физических
устройств, которые могут играть роль кубитов.
Одним из перспективных вариантов являются полупроводниковые
квантовые компьютеры на основе ядерного магнитного резонанса
(ЯМР) с индивидуальным обращением к кубитам. На рисунке
приведена схема двух ячеек полупроводниковой структуры,
использующей изменение индивидуальных состояний ядерных
спинов донорных атомов фосфора, расположенных друг
относительно друга на расстояниях порядка 20 нм
Схема двух ячеек
полупроводниковой
структуры, использующей
изменение состояний
ядерных спинов:
Определение состояния электронного спина базируется на
анализе связи электрона с нейтральным и ионизованным
донором. Если энергия связи электрона с нейтральным
донором больше, чем энергия притяжения к соседнему
ионизированному донору (D+-состояние), то электрону
будет энергетически выгоднее находиться вблизи
нейтрального донора (D--состояние). Следовательно, оба
электрона в синглетном состоянии будут находиться в
окрестности одного из доноров. В результате произойдет
перенос заряда с одного донора на другой, что
предлагалось измерять с помощью высокочувствительных
одноэлектронных емкостных методов.
Наиболее подходящими устройствами для этого являются
одноэлектронные транзисторы.
На рисунке приведена схема высокочувствительного
электрометра на базе одноэлектронного транзистора и его
зонная диаграмма.
Другим перспективным вариантом являются
полупроводниковые квантовые компьютеры на квантовых
точках. Квантовая точка является в определенном
смысле аналогом атома и может иметь поляризацию,
обусловленную дополнительным электроном.
Квантовые точки, находясь в подзатворном диэлектрике
МДП-транзисторов, способны влиять на ток канала
транзистора. На рисунке приведена схема МДП транзистора с
кубитами из квантовых точек в подзатворном диэлектрике.
Схема МДП-транзистора с кубитами из квантовых
точек в подзатворном диэлектрике. G1, G2, …, GM
– индивидуальные затворы при кубитах. Все
кубиты находятся в состоянии с n = 1
Спасибо за внимание!