Современные физические технологии: микроэлектронная, наноэлектронная и лазерная

                                                                                             06098       

Российский Государственный

Аграрный Университет – МСХА

им. К.А.Тимирязева.

Калужский филиал.

Реферат по предмету:

«Концепции современного естествознания»

тема: «Современные физические технологии:

микроэлектронная, наноэлектронная

и лазерная».

Калуга 2006 г.

Содержание.

1.      Введение.

2.      Микроэлектронная технология.

3.      Наноэлектронная технология.

4.      Лазерная технология.

5.      Заключение.

6.      Список литературы.

1.      Введение.

 Многие жителей земли не знают, что такое микроэлектронная, ноноэлектронная и лазерная технологии. Кто-то слышал эти слова, но не представляют их истинного значения. Большинство людей пользуясь телевизором, музыкальным центром, DVD-плеером, компьютером не интересуется их устройством и принципом работы. Эти обыденные устройства не могли бы существовать без микросхем сделанных по микроэлектронной технологии. Современное развитие микроэлектроники фактически является нанотехнологией, поскольку достигнутые размеры компонентов вполне укладываются в указанные размеры. Нанометр – одна миллиардная метра. Десять атомов водорода составляют один нанометр. Булавочная головка имеет размер в миллион нанометров. Нанотэлектроника находится на данный момент в начале своего развития. В данном реферате будут рассмотрены эти современные технологии. Их основы и перспективы развития. А так же история истоков.

2.      Микроэлектронная технология.

В одном из интервью вскоре после получения Нобелевской премии Жорес Алферов[1] сказал: «Мне по-своему жаль новое поколение. Ведь, если разобраться, уже все открыто. Так что в новом веке вам будет делать нечего — так, частностями заниматься».

От этих слов одного из отцов современной полупроводниковой электроники становится немного жутко. Значит, предел уже положен и стена темнеет на горизонте? Через пару десятков лет прогресс человечества будет навсегда остановлен одним из незыблемых постулатов Вселенной. «Как навсегда? — спросите вы. — Пройдет сто лет, тысяча, и принципиально ничего не изменится? Ну нет! Не может такого быть!» Однако, как это ни грустно, там, где действительно достигнем физических пределов, мы не сможем продвинуться дальше ни на шаг. Мы бессильны перед законами природы, никакие наши приборы и опыты, молитвы и приказы не заставят их отступить ни на йоту. Уже в ближайшие годы святейшая догма мира высоких технологий — закон Мура. В 1965г соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный законом Мура, был скорректирован на 18 месяцев. В течение трех последних десятилетий закон Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотность транзисторов, но и производительность микропроцессоров удваивается каждые полтора года (об удвоении плотности транзисторов в процессорах каждые полтора года) станет просто занимательным историческим фактом. Полупроводниковые технологии отживают свое — сейчас очевидно, что частоту в 30-40 ГГц они не перешагнут никогда. Бешеная гонка за тактовой частотой заставит нас научиться считать на атомах и молекулах — это и станет концом эволюции нашей цивилизации. Современная физика жестко и однозначно говорит, что путешествовать к звездам или перемещаться в пространстве с помощью телепортации мы никогда не сможем, если в доступной нам части реальности мы и в самом деле уже открыли абсолютно все. Но у нас есть повод оставаться оптимистами: ведь ни один закон и постулат не запрещают появление принципиально нового знания!

3.      Наноэлектронная технология.

Любой из известных нам предметов — всего лишь скопление атомов в пространстве. И будет ли это алмаз или горстка пепла, булыжник или чип компьютера, труха или спелый плод, определяется только способом их упорядочивания. Расположение атомов друг относительно друга порождает такие понятия, как дешевое и драгоценное, обычное и уникальное, здоровое и больное. Наше умение упорядочивать атомы лежит в основе любой технологии. В процессе развития цивилизации люди учились управлять все меньшими и меньшими группами атомов. Мы прошли долгий путь от каменных наконечников для стрел до процессоров, умещающихся в игольном ушке. Но наши технологии все еще грубы, и пока мы вынуждены оперировать большими, плохо управляемыми группами атомов. По этой причине наши компьютеры глупы, машины непрерывно ломаются, молекулы в наших клетках неизбежно приходят в беспорядок, уносящий сначала здоровье, а затем и жизнь. Настоящий же прорыв в эволюции науки произойдет только тогда, когда мы научимся управлять отдельными атомами.

Технологии, которые работают на уровне отдельных атомов и молекул, называются нанотехнологиями (нанометр — это 10-9 м, одна миллиардная метра). Отцом этого перспективнейшего направления считается все тот же Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 г. историческую лекцию «Там, внизу, еще много места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами... Пока мы вынуждены пользоваться молекулярными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Технический уровень того времени, когда были произнесены эти пророческие слова, заставлял воспринимать их как очередную футуристическую сказку. Но в 1981 г. ученые Г. Бининг и Г. Рорер из швейцарского отделения IBM создали туннельный микроскоп, впервые позволивший взглянуть на обособленные молекулы и атомы. Однако исследователей ждал еще один приятный сюрприз: оказалось, что их детище способно не только «увидеть», но и «подцепить» отдельный атом и перенести его на другое место. За прошедшие с тех пор 20 лет нанотехнологии стали производственной реальностью, и уже сейчас мы можем создавать необходимые нам объекты, «монтируя» их на атомном уровне.

Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30—40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника.

В 1974 г. ведущие ученые фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер представили вещество, молекула которого обладала теми же свойствами, что и обычный диод. Пропуская ток в одном направлении, введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла быть усовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив две такие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера — основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство, имитируя состояния бита — 0 и 1, возможно с помощью света или электрического поля. Следуя описанной идее, химики синтезировали великое множество кандидатов на роль транзистора будущего.

Один из самых больших шагов в нанотехнологии был сделан в 1981году, когда появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип его работы напоминает процесс чтения незрячим человеком. Тонкий щуп с диаметром острия в несколько атомов сканирует над поверхностью и при наличии достаточно малого расстояния между щупом и поверхностью электрона «туннелирует». Вероятность этого обратно пропорциональна величине зазора, а значит, величина микротока будет зависеть от величины зазора. В итоге сканирование даёт картину рельефа поверхности (с помощью ЭВМ). Авторы изобретения получили нобелевскую премию.   

[1] АЛФЕРОВ, ЖОРЕС ИВАНОВИЧ Родился 15 марта 1930 в Витебске. С 1953 работает в С.- Петербургском Физико-техническом институте, с 1987 – в качестве директора. В 1959 защитил кандидатскую диссертацию, посвященную исследованию германиевых и кремниевых силовых выпрямителей. Первый непрерывный лазер на гетеропереходах был создан в лаборатории Алферова. Эта же лаборатория по праву гордится разработкой и созданием солнечных батарей, успешно примененных в 1986 на космической станции «Мир»: батареи проработали весь срок эксплуатации до 2001 без заметного снижения мощности.

                Технология конструирования полупроводниковых систем достигла такого уровня, что стало возможным задавать кристаллу практически любые параметры: в частности, если расположить запрещенные зоны определенным образом, то электроны проводимости в полупроводниках смогут перемещаться лишь в одной плоскости – получится так называемая «квантовая плоскость». Если расположить запрещенные зоны иначе, то электроны проводимости смогут перемещаться лишь в одном направлении – это «квантовая проволока»; можно и вовсе перекрыть возможности перемещения свободных электронов – получится «квантовая точка». Именно получением и исследованием свойств наноструктур пониженной размерности – квантовых проволок и квантовых точек – занимается сегодня Алферов.

                В 2000 Алферов получил Нобелевскую премию по физике «за достижения в электронике» совместно с американцами Дж.Килби и Г.Крёмером. Крёмер, как и Алферов, получил награду за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов (Алферов и Крёмер получили половину денежной премии), а Килби– за разработку идеологии и технологии создания микрочипов