шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Луч от лазера первоначально попадает на дифракционную решетку, которая разделяет лазерный пучок на три отдельных луча: основной и два вспомогательных. Вспомогательные лучи «идут» справа и слева от основного луча и помогают (мы увидим ниже, как именно) ему удерживаться точно на дорожке записи. Затем этот «тройной» пучок попадает на разделительную призму, которая позволяет направить лучи, идущие от лазера, к поверхности диска, а отраженные от диска лучи – на фотодатчик. Обязательными элементами на этом этапе являются поляризаторы, которые в виде пленок наклеиваются на разделительную призму. Причем одна пленка наклеивается со стороны лазера (входной поляризатор), а другая — со стороны фотодатчика (выходной поляризатор). Поляризаторы делают скрещенными, чтобы свет, прошедший через входной поляризатор, не смог выйти через выходной. Таким способом добиваются, чтобы на фотодатчик не шел мощный свет от лазерного диода, который будет «забивать» отраженный от диска заметно ослабший пучок.

Предположим, что плоскость поляризации света, прошедшего входной поляризатор, совпадает с плоскостью рисунка (маленькая стрелка вверх на рис. VII.9). Дальше на пути пучка стоит

пластинка в четверть волны (пластинка ). Причем оптическая ось пластинки составляет с

плоскостью поляризации света. Поэтому выйдя из пластинки , свет окажется поляризованным по

кругу (см. [6]). Затем он отражается от зеркала на магнитных подвесах и «поворачивается» к диску. Дальше он направляется на коллиматор1 – небольшую закрепленную линзу – а после коллиматора попадает на фокусирующую линзу на магнитных подвесах. Магнитные подвесы изображены на рисунке в виде кружков и представляют собой маленькие электрические катушки. С их пом о- щью можно поворачивать зеркало и поднимать или опускать фокусирующую линзу относительно поверхности диска, другими словами – управлять положением пятна лазера на диске.

Рис. VII.10. Цилиндрическая линза.

Отраженный от поверхности диска свет вновь попадает на фокусирующую линзу и по той же самой траектории идет обратно. Как уже было сказано, он является поляризованным по кругу,

поэтому, когда он на обратном пути проходит через пластинку , он вновь становится плоско-

поляризованным. Плоскость поляризации будет составлять с осью пластинки, т.е. уже с первоначальной плоскостью поляризации (она теперь будет перпендикулярна плоскости рисунка). Дальше пучок попадает на разделительную призму, которая направляет пучок на фотодатчик. Со стороны фотоприемника, напомним, на призму наклеен выходной поляризатор. Но так как плоскость поляризации теперь повернулась на 90°, то свет без проблем проходит на фотодатчик, перед которым установлена дополнительная цилиндрическая линза1 (рис. VII.10). Особенностью цилиндрической линзы является то, что параллельный пучок лучей, проходящих через нее, в точке фокусируется в линию, параллельную оси линзы, а в некоторой точке – в другую линию, перпендикулярную оси линзы. Посередине между этими линиями лучи фокусируются в круглое пятно.

1 Коллиматором называют устройство, ко торое преобразует расхо дящиеся световые лучи в пара л- лельный пучок. В качестве ко ллиматора может выступать обыкновенная линза .

1 Цилиндрической называется линза, ко торая состоит из о дной или из дву х цилиндрических (а не сферических) повер хностей (рис. VII.10)

111

На пути в эру нанотехнологий…

Рис. VII.11. Схема фото датчика.

Фотоприемник состоит из трех основных частей (рис. VII.11). Одна часть предназначена для основного луча и сделана в виде четырехсекционного полупроводникового фотодиода. Две другие части, расположенные по бокам, предназначены для вспомогательных лучей и сделаны в виде обыкновенных односекционных фотодиодов. Если лазерный луч сфокусирован точно на поверхности компакт-диска, то отраженный луч на четырехсекционном фотодиоде имеет форму кру-

га. Соответственно, разностный сигнал от четных и нечетных секций равен нулю. Если луч сфокусирован перед или за поверхностью диска, то отраженный луч имеет на фотодиоде форму эллипса. Разностный сигнал теперь будет отличен от нуля. Эти сигналы обрабатываются в специальном процессоре, который затем посылает управляющий сигнал на магнитные подвесы фокусирующей линзы. Линза будет опускаться или подниматься до тех пор, пока разностный сигнал не станет снова равным нулю.

Рис. VII.12. Движение основного и вспомогательных лучей по треку.

И, наконец, как же боковые лучи помогают основному идти точно по дорожке? Когда основной луч «скользит» по треку (рис. VII.12), вспомогательные лучи «скользят» рядом с ним в промежутках между дорожками. При этом на односекционные фотодиоды почти постоянно поступает свет, отраженный от диска. Как только основной луч начинает отклоняться от информ а- ционной дорожки, отраженный свет вспомогательных лучей начнет пульсировать, так как они теперь будут попадать на питы. Сигналы от односекционных фотодиодов обрабатываются в том же процессоре. Он, в свою очередь, посылает управляющий сигнал на магнитные подвесы зеркала, которое поворачивается таким образом, чтобы основной луч вновь «стал» на дорожку.

112

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

VIII. FLASH-ПАМЯТЬ

Что такое flash-память?

Если у Вас дома есть компьютер, то, скорее всего, у Вас также есть переносное запоминающее устройство, которым Вы пользуетесь едва ли не каждый день. Имя этому устройству – «флэшка». Флэшки сегодня на пике популярности, поэтому объяснять кому-либо, что они из себя представляют, не нужно. В разнообразии запоминающих устройств, работающих на основе flashпамяти, можете убедиться сами, положив рядом flash-карты из Вашего телефона, фотоаппарата, MP3-плеера, принтера… и обычную флэшку с USB разъемом.

Появлением на свет flash-памяти человечество обязано Фуджио Масуока — японскому исследователю, ныне профессору университета города Сендай. В начале 80-х годов прошлого столетия Масуока работал на одном из предприятий Toshiba, разрабатывавшем различные типы памяти. Надо сказать, изобретение flash-памяти не являлось главным делом Масуока – скорее побочным продуктом его работы. Поэтому в начале 80-х компания довольно долго не проявляла особого интереса к новому виду памяти. Реальным стимулом для начала серьезных разработок стало сенсационное выступление Масуока на конференции в Сан-Хосе, в 1984 году. Оно стало поворотным моментом в истории flash-памяти.

Flash-память можно определить как особый вид энергонезависимой перезаписываемой по-

лупроводниковой памяти. Энергонезависимая – так как не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи). Перезаписываемая – понятно: допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных. И, наконец, самым важным достоинством этого вида памяти является то обстоятельство, что она не содержит механически движущихся частей (как обычные жесткие диски или CD), а построена на основе интегральных микросхем. В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка flash-памяти не содержит конденсаторов, а состоит всего-навсего из одного транзистора. Правда транзистор этот не простой – мало того, что он полевой, так он еще и с плавающим затвором! Не спешите расстраиваться, если Вам это ни о чем не говорит. Весь наш дальнейший разговор пойдет именно об этих замысловатых приборах. Начнем мы, как всегда, несколько издалека.

Знакомьтесь – полевой транзистор

Как он устроен?

Схема самого простого полевого транзистора показана на рис. VIII.1. Пластинка из полупроводника, например n-типа, имеет на противоположных концах электроды и подключена к источнику напряжения . Цепь с этим источником называется управляемой или выходной. В эту цепь также включено нагрузочное сопротивление . Вдоль транзистора проходит ток основных носителей, который называют выходным. В нашем случае это электронный ток. К p-области подходит третий электрод, который образует так называемую управляющую или входную цепь. Эта

цепь питается от источника , который создает на p-n-переходе транзистора обратное напряжение.

Как Вы помните из главы I, если к p-n-переходу подключить обратное напряжение, то толщина запирающего (обедненного носителями) слоя, увеличится. Таким образом, изменяя вход-

ное напряжение , мы изменяем толщину запирающего слоя на p-n-переходе транзистора (на рис. VIII.1 этот слой ограничен штриховыми линиями). Тем самым мы меняем поперечное сечение области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом. Кстати говоря, полевые транзисторы иногда еще называют канальными.

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). По каналу носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Управляющий электрод, с помощью которого регулируют площадь поперечного сечения канала, называют

управляющим затвором или просто затвором (З).

113

На пути в эру нанотехнологий…

Рис. VIII.1. Схема включения по левого транзистора с p-n-перехо дом и каналом n-типа .

Необычная форма запирающего слоя (еще раз посмотрите на область, ограниченную пунктирной линией на рис. VIII.1) объясняется тем, что вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, соответственно ближе к стоку обратное напряжение p-n-перехода увеличивается, и толщина запирающего слоя получается больше.

Если увеличить напряжение затвор-исток ( ), то запирающий слой p-n-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Таким образом, увеличивается

сопротивление канала, а протекающий через него выходной ток (его еще называют током стока) становится меньше. При некотором запирающем напряжении площадь поперечного сечения станет равной нулю и ток будет очень маленьким. Казалось бы, что при запирающем напряжении ток стока должен обращаться в нуль, однако не нужно забывать, что в обедненной области тоже существуют носители заряда, просто их там мало. Поэтому и ток через обедненную область

Классификация полевых транзисторов

Вообще говоря, на практике используют несколько более сложные схемы полевых транз и- сторов по сравнению со схемой, изображенной на рис. VIII.1. На рис. VIII.2 изображены самые распространенные из них. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно можно разделить на две группы. Первую образуют так называемые транзисторы с управляющим р-n-переходом (рис. VIII.2а), вторую — транзисторы с управлением посредством изолиро-

ванного электрода (затвора) (рис. VIII.2б).

Рис. VIII.2. Схемы полевых транзисторов: (а) – с управляющим p-n-переходом, (б) – с управлением посредством изолированного затвора.

114

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) – это полевой транзистор, затвор которого отделен от канала p-n-переходом, включенным в обратном направлении. Транзистор, изображенный на рис. VIII.1, и есть ПТУП.

Как видите (рис. VIII.2а), области истока и стока делают с повышенной проводимостью (в данном случае n+-типа) чтобы уменьшить падение напряжения и, соответственно, потерю мощности в этих областях. Сильнолегированные области соединены тонким слоем слаболегированного полупроводника n-типа, который выступает в роли канала. Всю эту структуру помещают на подложку из полупроводника p-типа, и на нее, в свою очередь, наносят управляющий электрод – затвор.

Сразу заметим, что транзистор (а) можно, конечно же, изготовить «наоборот»: подложку сделать из полупроводника n-типа, а области под электродами и канал из полупроводника p-типа (p+- и p-типа, если быть точным). От этого принципиально ничего не изменится, надо будет только поменять полярность электродов. По электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом.

Принцип работы транзистора с управляющим p-n-переходом мы с Вами рассмотрели – он такой же, как и у транзистора, изображенного на рис. VIII.1. Управляющее напряжение на затворе изменяет толщину запирающего слоя в p-n-переходе, меняя соответствующим образом ток в канале.

Полевой транзистор с изолированным затвором (рис. VIII.2б) — это полевой транзистор, затвор которого отделен от канала слоем диэлектрика.

Здесь, как и в предыдущем случае, в кристалле полупроводника, который является подложкой, создают две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости – исток и сток. На эти области нанесены металлические электроды. Между сильнолегированными областями нет встроенного канала (он здесь будет реализовываться, как вы увидите, за счет эффекта поля). Поверхность между истоком и стоком покрыта тонким слоем (ме-

нее нм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси крем ния SiO2. Наконец, на слой диэлектрика наносят металлический электрод – затвор. Такую структуру металл- диэлектрик-полупроводник еще называют МДП-транзистором. Если мысленно убрать оттуда сток и исток, то мы получим уже знакомый нам МДП-конденсатор.

Рис. VIII.3. (а) – М НОП-транзистор, (б) – МДП-транзистор с плавающим затвором.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. На рис. VIII.2б изображен МДП-транзистор с индуцированным каналом. Чтобы не загромождать повествование, транзистор со встроенным каналом мы рассматривать не будем.

Принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом очень прост. Сквозь слой диэлектрика в полупроводник, как Вы уже знаете, проникает электрическое поле. При правильно выбранном знаке потенциала на затворе – мы с Вами уже рассматривали этот эффект на примере МОП-конденсатора – это поле «оттесняет» основные носители вглубь полупров одника. Таким образом, под затвором образуется обедненная основными носителями область (рис. VIII.2б), богатая, в свою очередь, неосновными носителями. При определенном потенциале под затвором образуется тонкий слой (на рис. VIII.2б он ограничен пунктирной линией), концентрация неосновных но-

115

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

толстый (порядка нм) слой нитрида кремния Si3N4 (отсюда и название: металл-нитрид-окисел- полупроводник – МНОП). На рис. VIII.4а изображена зонная диаграмма МНОП-транзистора. При подаче на затвор положительного напряжения уменьшается толщина потенциального барьера (он становится треугольным) и электроны за счет туннельного эффекта могут пройти сквозь тонкий слой SiO2 и попасть во второй слой диэлектрика (рис. VIII.4б). Нитрид кремния имеет в запрещенной зоне ловушки для электронов, поэтому, попав в Si3N4, электроны могут длительное время оставаться там даже после выключения электрического поля. При подаче на затвор отрицательного напряжения вновь меняется толщина барьера, и происходит туннелирование электронов из ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника (рис. VIII.4в). В итоге мы получаем

энергонезависимую ячейку памяти, способную хранить бит информации.

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП-транзистор. Схема его показана на рис. VIII.3б. Здесь между двумя диэлектрическими слоями SiO2 находится небольшой участок полупроводника n-типа. Этот участок как раз и называется плавающим затвором, и именно на нем хранятся электроны, которые за счет туннельного эффекта проходят сквозь тонкий диэлектрический слой. Зонная диаграмма МДП-транзистора с плавающим затвором показана рис. VIII.5а.

Рис. VIII.5б поясняет механизм записи информационного заряда путем туннелирования электронов из полупроводника на плавающий затвор. После снятия напряжения с затвора (рис. VIII.5в) электроны остаются на нем, хотя возможно частичное растекание электронов. Подавая на затвор напряжение различной величины, можно хранить на нем разное количество заряда. Такая многоуровневая ячейка уже может хранить больше одного бита информации.

Как работает flash-память?

Flash-память хранит информацию в массиве МДП-транзисторов с плавающим затвором. Название этого вида полупроводниковой памяти было предложено разработчиками компании Toshiba. В переводе с английского «flash» означает «вспышка, сверкание». Однако это не значит, что процесс записи или стирания информации в ячейку памяти напоминает вспышку. Дело в том, что процесс стирания информации происходит, что называется, «in a flash» – «в мгновение ока» – по этой причине, как многие считают, Масуока и дал такое название своему изобретению.

В целом, организация (или архитектура) flash-памяти из огромного числа транзисторов достаточно трудна, поэтому мы только упомянем две самые распространенные архитектуры: NOR

и NAND.

Рис. VIII.6. Схема ячейки flash-памяти.

В основе работы flash-памяти с архитектурой типа NOR лежит логический элемент ИЛИНЕ (NOT-OR – сокращенно NOR). В этом типе архитектуры к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. В основе NAND архитектуры лежит элемент И-НЕ (NOT-AND – сокращенно NAND). Здесь транзисторы соединены иначе, в результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. В NOR архитектуре возможна побитная запись информации, тогда как в NAND запись и считывание осуществляется небольшими блоками (наподобие кластеров жесткого диска). Правда, благодаря этому, скорость записи и считывания информации в NAND архитектуре выше, чем в NOR.

Давайте теперь посмотрим, какие процессы происходят в ячейке flash-памяти – в транзисторе – при записи, стирании и чтении информации (см. рис. VIII.6). При записи информации подают нужное напряжение на сток и управляющий затвор, и электроны туннелируют сквозь тонкий диэлектрический слой и переходят на плавающий затвор. При стирании информации соответствующее напряжение подают на исток и на управляющий затвор, и электроны «уходят» с плава ю- щего затвора. Предположим, что на плавающем затворе нет заряда. Тогда, если на управляющий

117

На пути в эру нанотехнологий…

затвор подать положительный потенциал, то под затвором появляется индуцированный n-канал и в нем возникнет ток. Если же на плавающем затворе есть заряд, то он будет компенсировать поле, подаваемое на управляющий затвор, и n-канал появляться не будет. Соответственно, не будет и тока. Вот они: «единичка» и «нолик». Так происходит считывание информации.

Глаза «разбегаются»!

На сегодняшний день существует много типов flash-карт и почти все они широко используются во многих современных устройствах. Вот список некоторых из них: MMC, RS-MMC, DV- RS-MMC, MMCmicro, SD Card, SDHC, miniSD, microSD, MS Duo, Memory Stick Micro (M2) и др.

Рассмотрим чуть подробнее самые распространенные.

Карточка в формате MMC (MultiMedia Card) имеет размер мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC обладает хорошей совместимостью с устройствами самого различного типа. Карта памяти RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card) вдвое короче

стандартной карты MMC. Ее размеры составляют мм, а вес — около г. Все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. Карты памяти DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card) отличаются пониженным энергопотреблением. Мобильные телефоны с такими карточками могут работать чуть дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-

MMC: мм. Миниатюрная карта памяти MMCmicro имеет размеры мм и используется во многих мобильных устройствах. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

Стандарт SD Card (Secure Digital Card) является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (

мм). Основное отличие от MMC – повышенная защита информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство станда р- тов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC. Карты miniSD (Mini Secure

Digita l Card) отличаются меньшими размерами мм. И, наконец, microSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент (2009 год) самыми компактными съемными

устройствами flash-памяти ( мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т.п.

И все-таки самыми распространенными и популярными являются сегодня USB flashнакопители (сокращенно UFD, или, как мы привыкли говорить, – «флэшки»). UFD являются удобными накопителями информации, использующими flash-память для хранения данных. Удобство заключается в том, что они подключаются к компьютеру или другому считывающему устройству через стандартный разъем USB (это Вы и так знаете). «Флэшки» получили большую популярность в 2000-е годы из-за компактности, легкости перезаписывания файлов и большого объема памяти (от Мб до Гб).

Кто главный?

Возможно, Вы уже задавались вопросом : когда же flash-память заменит шумные жесткие диски. Надо сказать, что такая тенденция только «наклевывается», и переход от стандартных ма г- нитных дисков к винчестеру на flash-памяти будет возможен лишь в будущем. Здесь есть несколько причин.

Количество циклов стирание-запись у flash-памяти ограничено: одна ячейка может выдер-

жать от до циклов. Правда, с этой проблемой достаточно успешно борются установкой специального контроллера в чип flash-памяти. Контроллер регулирует равномерное рас-

пределение циклов по имеющимся ячейкам, благодаря чему добиваются практически % утилизации. Чтобы оценить, представьте, что на «флэшку» объемом Мб можно в итоге записать

примерно Гб.

Важным преимуществом flash-памяти перед жесткими дисками является отсутствие головок чтения/записи, а также других движущихся частей, которые имеют свойство выходить из строя. И все же, как это ни странно, скорость записи информации на жесткий диск выше, чем на «флэшку». Поэтому сложные и разнообразные операции, выполняемые в компьютере с участием винчестера, будут в случае его замены еще более затруднены и замедленны. Кроме того, в резуль-

118

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

тате скачка напряжения в сети, либо из-за сбоя контролера может произойти быстрое стирание всех ячеек памяти. Восстановление данных в этом случае невозможно.

И, наконец, существует еще одна причина, по которой жесткий диск пока находится на лидирующей позиции. «Цена гигабайта» у flash-памяти значительно выше, и это чрезвычайно затрудняет конкуренцию. Однако аналитики считают, что достаточно скоро цена flash-памяти сильно упадет, и она быстро заменит жесткие диски.

Когда это произойдет, автоматически будут достигнуты дополнительные преимущества. Во-первых, flash-память гораздо компактнее и легче, что сделает ноутбуки более приятными в использовании. Во-вторых, из-за отсутствия движущихся частей «флэшки» гораздо экономнее расходуют электроэнергию, поэтому старая батарейка в ноутбуке сможет работать примерно на

% дольше.

Альтернативные технологии полевых транзисторов

Последнее время интенсивные исследования ведутся в области углеродных наноматериалов. Наиболее интересными и перспективными объектами здесь являются углеродные нанотрубки и графен. Первые были открыты в 1991 году в лаборатории японской фирмы «NEC» Сумио Иидзимой, графен впервые получен в 2004 году русскими учеными (работающими, правда, в Великобритании) Константином Новоселовым и Андреем Геймом. К слову сказать, за свое открытие Гейм и Новоселов уже в 2010 году (т.е. всего через шесть лет после своего открытия) получили Нобелевскую премию.

Рис. VIII.7. Мо дель графена.

Графен представляет собой моноатомный (толщиной в один атом) слой атомов углерода, образующих шестиугольную сетку, в вершинах которой находятся атомы C (рис. VIII.7). На самом деле каждый, в каком-то смысле, «видел» графен. Графитовый стержень карандаша состоит из чешуек, которые, отслаиваясь, остаются на бумаге, когда мы пишем. Вот эти чешуйки и состоят из слоев графена. Заслуга Новоселова и Гейма, однако, состоит не в том, что они открыли новую аллотропную модификацию углерода (публикации о графене и методе его получения датируются чуть ли не 1932 годом), но они научились получать графеновые листы большой площади.

Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой полый бесшовный цилиндр, стенки которого состоят из сетки шестиугольников. В вершинах каждого шестиугольника находится атом углерода (рис. VIII.8). УНТ можно условно представить в виде свернутых графеновых плос-

костей. По сути, нанотрубка – это огромная молекула, состоящая из упорядоченных особым образом атомов углерода. Нанотрубки обладают уникальными химическими, электрическими, механическими и магнитными свойствами. Так, УНТ могут быть использованы в качестве сверхтонких проводов, способных пропускать громадные токи, при которых традиционная медная проволока просто расплавится и испарится. Интересным свойством УНТ является то, что в зависимости от строения нанотрубки могут проявлять либо свойства металла, либо полупроводника.

Что касается электрических свойств графена, то он является полуметаллом. Это означает, что удельная проводимость графена меньше, чем у обычных металлов, но в отличие от полупроводниковых материалов он не имеет запрещенной зоны. Однако если сделать из графена узкие (порядка 10 нм) полоски (их называют графеновыми нанолентами), то за счет квантоворазмерного эффекта возможно появление запрещенной зоны, ширина которой обратно пропорциональна поперечному размеру ленты.

Как вы уже, наверное, догадались, альтернативные технологии полевых транзисторов как раз связаны с применением описанных углеродных наноструктур. С помощью УНТ можно создать полевой транзистор, принцип действия которого полностью эквивалентен работе традиционного

119

На пути в эру нанотехнологий…

полевого транзистора, за исключением того, что каналом переноса носителей заряда является углеродная трубка. Транзистор изготавливают следующим образом. На кремниевую пластину наносят пару электродов – сток и исток, между которыми располагают нанотрубку. Сама пластина является затвором.

Рис. VIII.8. Мо дель дву хслойной углеродной нано трубки.

Скорость работы УНТ-транзистора намного превосходит быстродействие кремниевых транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в 1 ТГц, что в сотни раз быстрее, чем скорости современных компьютеров. Кроме того, теоретический предел для м и- ниатюризации кремниевых элементов составляет 12 нм. Для УНТ такого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать размеров молекулы! Уже созданы транзисторы размером 18×1 нм, которые, даже без существенной оптимизации технологии их изготовления, по многим параметрам работают не хуже кремниевых, гораздо больших по размерам. И это не предел миниатюризации! Также возможен синтез Y-образных нанотрубок, которые сами по себе уже могут выполнять функции транзистора, без каких-либо дополнительных элементов.

На основе графена можно построить квантовую точку, в которой при достаточно малых размерах можно наблюдать кулоновскую блокаду. Следовательно, открывается перспектива создания одноэлектронного транзистора, аналогичного тому, который был описан в главе II.

Стоит сказать, что графен сегодня рассматривают как чрезвычайно перспективный мат е- риал, который может найти применение не только в электронике. Это замена углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников; замена кремния в транзисторах; внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности; датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы; более крепкий, прочный и легкий пластик; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов; более крепкие ветряные двигатели; более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты и многое другое.

От вспышки к многоножке

Несмотря на то, что «флэшки», казалось бы, только-только вступили в «свой век», начав вытеснять дисковые ОЗУ, многие признают ограниченность технологии.flash-памяти. Увеличение объемов памяти посредством уменьшения размеров транзистора уже не может быть реализовано. Инженеры и так уже переступили нанометровый рубеж – дальнейшая миниатюризация без качественно нового шага уже невозможна! Поэтом сейчас целый ряд компаний и исследовательских центров разрабатывают альтернативные решения проблемы надежного хранения и быстрой обработки информации.

Одним из таких альтернативных решений является технология Millipede, что, в переводе, означает «многоножка». Это животное, кстати говоря, является прототипом так называемой «нанопамяти» (nanostorage), разрабатываемой в корпорации IBM. У этой памяти колоссальный по-

120