納電子學(xué)完整版本

納電子學(xué)：信息技術(shù)的未來郭宇鋒南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院微電子技術(shù)系目錄微電子學(xué)面臨的問題奇妙的納米尺寸效應(yīng)納電子器件納電子系統(tǒng)目錄微電子學(xué)面臨的問題奇妙的納米尺寸效應(yīng)納電子器件納電子系統(tǒng)微電子技術(shù)基本規(guī)律Moore定律集成電路的集成度每18個月翻一番。Electronics（1965.4.19）Intel微處理器的發(fā)展歷程微電子技術(shù)基本規(guī)律等比例縮小定律為保持晶體管的性能，晶體管的尺寸縮小應(yīng)當(dāng)遵循等比例縮小原則。一個晶體管所包含的原子個數(shù)1960年的1020個，到2010年將減少到103個。集成電路的scaledown19601970198019902000201020201019107103108皮焦耳10-8皮焦耳每位信息的原子數(shù)每個邏輯運算的能量微電子器件的特征時間和結(jié)構(gòu)埃1nm10nm100nm1um10um10-1510-1410-1310-1210-1110-10能帶圖失效量子效應(yīng)傳輸?shù)牟灰?guī)則性突變結(jié)各種IC耗盡層德拜長度平均自由程電子波分子原子1ps尺寸特征時間/s芯片特征尺寸的發(fā)展19801990200020100.010.0030.030.10.313ASICs第一代VLSI系統(tǒng)創(chuàng)新的VLSI系統(tǒng)先進技術(shù)MOS晶體管MOS晶體管的極限量子電子器件（QED）年尺寸/um功耗與延遲100nW1uW10uW100uW1mW10mW100fs1ps10ps100ps1ns10nsTTL100mW100nsECLIII-IVHBTMESFETHFETCMOS低功耗高速SETRTD0.1aJ1aJ10aJ100aJ1fJ10fJ功耗/門Pd延遲td當(dāng)前技術(shù)區(qū)域當(dāng)前技術(shù)局限的區(qū)域熱學(xué)限制的區(qū)域超出經(jīng)典物理限制的區(qū)域最小晶體管尺寸的限制為防止柵氧隧道擊穿：tox>3nm為防止柵氧電擊穿：Vg<0.3V為確保反型溝道形成：Na=1018cm-3為防止源漏耗盡區(qū)相連，Lch＝30nm晶體管面積應(yīng)至少等于溝道面積的8倍：

A＝0.72×10-10cm－21根頭發(fā)的截面積上可放置4000個晶體管1cm2面積上可容納140億個晶體管。溝道內(nèi)約有107個硅原子，100個摻雜分子。工作時溝道內(nèi)約有150個電子。功耗Ws≈600kT(根據(jù)熱力學(xué)理論，處理一位信息的極限能量為2ln2kT＝1.5kT)N+PSourse源極N+Gate柵極Drain漏極目錄微電子學(xué)面臨的問題奇妙的納米尺寸效應(yīng)納電子器件納電子系統(tǒng)奇妙的納米尺度效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，目前研制的量子共振隧穿晶體管RTD就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。小尺寸效應(yīng)特殊的光學(xué)性質(zhì)：消光性特殊的熱學(xué)性質(zhì)：熔點降低特殊的磁學(xué)性質(zhì):高矯頑力特殊的力學(xué)性質(zhì):高強度、高韌性特殊的電學(xué)性質(zhì):電導(dǎo)、介電特性、壓電效應(yīng)等表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積／體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分數(shù)將會顯著地增加。對直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計，當(dāng)尺寸小于0.1微米時，其表面原子百分數(shù)激劇增長，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100米2，這時的表面效應(yīng)將不容忽略。

比如納米衣服納米檢測細胞、蛋白質(zhì)、毒素和DNA檢測靈敏度可達10-18M納米檢測單細胞BPT含量檢測的納米光纖傳感器進行細胞穿刺和檢測，最低檢出限10-21mol納米刻蝕納米級中國地圖，刻線粗細為10納米

世界上最小的唐詩（10微米×10微米）

人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪目錄微電子學(xué)面臨的問題奇妙的納米尺寸效應(yīng)納電子器件納電子系統(tǒng)納電子器件單電子晶體管SED分子晶體管碳納米晶體管單電子晶體管由兩個極薄的絕緣層夾一個小島（庫侖島，尺寸小于10nm）組成。當(dāng)加在柵上的電壓變化引起庫侖島中電荷變化量不到一個電子的電荷，則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個電子電荷的變化時。源漏之間有電流通過。

GSD有機分子場效應(yīng)晶體管該技術(shù)利用了分子之間可自由組合的化學(xué)特性，晶體管電極之間的距離僅為1納米到2個納米，是目前世界最小的晶體管。同時具有制造簡單，造價低廉的優(yōu)點。

納電子器件單電子晶體管SED分子晶體管碳納米晶體管

碳納米管是由多個碳原子六方點陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長度為幾至幾十微米。碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。

碳納米管1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注

[Nature(1991)]具有極好的可彎折性具有極好的可扭曲性。碳納米管的強度比鋼高100多倍，楊氏模量估計可高達5TPa，這是目前可制備出的具有最高比強度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認為是未來的“超級纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強材料。碳納米管的主要形狀CVD法生長的碳納米管SEM照片碳納米管器件——分子結(jié)T形和Y形結(jié)碳納米管器件——PN結(jié)P+N結(jié)P+N＋結(jié)碳納米管器件——FET晶體管碳納米管器件——FET晶體管2001年7月6日出版的美國《科學(xué)》報道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。，它只允許單獨的電子在一定電壓下通過。此晶體管只有1納米寬、20納米長，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的500分之一。碳納米管器件——RAM當(dāng)懸在上面的碳納米管與下面的碳納米管分開時，結(jié)點的電阻非常高，即OFF態(tài)；而當(dāng)懸在上面的碳納米管與下面的碳納米管在結(jié)點接觸時，結(jié)點的電阻會減小幾個數(shù)量級，即ON態(tài)。通過瞬間地對碳納米管充電，使兩個碳納米管之間產(chǎn)生靜電吸引或排斥力，從而使這個結(jié)點雙穩(wěn)態(tài)器件開關(guān)于ON態(tài)和OFF態(tài)之間。在集成系統(tǒng)中，電極僅與上下兩套碳納米管的一端相連。因此，陣列中的每一個結(jié)點都可以用地址(n,m)標志出來，可以通過測量結(jié)點的電阻來讀出結(jié)點處于的狀態(tài)，并且可以通過對(n,m)兩個相應(yīng)的電極施以電壓脈沖來控制結(jié)點(n,m)的開關(guān)。這提供了一種制造高集成度的快速的可尋址的非揮發(fā)性RAM的方法。懸掛的十字交叉單壁碳納米管陣列QuantumDots(量子點)目錄微電子學(xué)面臨的問題奇妙的納米尺寸效應(yīng)納電子器件納電子系統(tǒng)納電子系統(tǒng)量子單元自動機量子計算機DNA計算機納電子系統(tǒng)量子單元自動機量子計算機DNA計算機量子單元自動機的元胞Cell兩種基本單元0100相鄰Cell的四種狀態(tài)011011低能量高能量高能量低能量量子單元自動機的元胞Cell00對角Cell的四種狀態(tài)011011高能量低能量低能量高能量量子單元自動機線輸入輸出信號傳輸11輸入輸出非門101000與門輸出輸入A輸入B1000或門輸出輸入A輸入B量子單元自動機即不依賴于金屬等互連線，也不依賴于電子電流，從而具有非常低的功耗！全加器納電子系統(tǒng)量子單元自動機量子計算機DNA計算機信息的代價朗道原理——信息的擦除必然伴隨著熱量的釋放。朗道信息的代價傳統(tǒng)邏輯門的不可逆性。

A&B=0，A+B=1？傳統(tǒng)邏輯門會損失一部分信息，使原來不相同的選擇變得不可區(qū)分。也即信息的擦除。故傳統(tǒng)邏輯門的運算必須付出朗道熱力學(xué)代價，不可利用的能量以熱的形式耗散。這是傳統(tǒng)計算機所不能解決的問題。量子計算機一種采用基于量子力學(xué)的深層次的計算模式的計算機。這一模式只由物質(zhì)世界中一個原子的行為所決定，而不是像傳統(tǒng)的二進制計算機那樣將信息分為0和1，用晶體管的開與關(guān)來處理這些信息。量子計算機以量子力學(xué)建立邏輯體系，與量子計算機有關(guān)的量子力學(xué)的原理，即量子狀態(tài)的主要性質(zhì)包括：

●狀態(tài)疊加●干涉性

●糾纏

●不可復(fù)制性與不確定性●狀態(tài)變化這些性質(zhì)使得量子計算不傳統(tǒng)計算機中的布爾計算有非常大的區(qū)別。其中，最重要的是量子狀態(tài)的疊加性使得大規(guī)模的量子并行存儲成為可行。量子比特在量子計算機中，運算的基本單元是量子比特（q-bit），它的基本狀態(tài)是兩種狀態(tài)的疊加。激發(fā)態(tài)基態(tài)核子時間間隔t光脈沖頻率

電子State|0>State|1>量子比特規(guī)定原子在基態(tài)時記為|0〉，在激發(fā)態(tài)時原子的狀態(tài)記為|1〉。原子除了保持上述兩種狀態(tài)之外，還可以處于兩種態(tài)的線性疊加，記為

|φ〉=a|1〉+b|0〉

a和b分別代表原子處于兩種態(tài)的幾率幅

量子寄存器存儲一系列量子比特的體系稱為量子寄存器假如有一個由三個比特構(gòu)成的寄存器在經(jīng)典計算機中，可以表示0~7共8個數(shù)，并且在某一時刻，只能表示其中的一個數(shù)

000001010011100101110111量子寄存器3個量子比特的系統(tǒng)可以同時表示8個傳統(tǒng)狀態(tài)量子門在經(jīng)典計算機中，邏輯判斷是按真值表進行任何邏輯運算均可以歸類于3項基本的布爾操作：非（NOT），與（AND），或（OR）這些基本的邏輯運算稱為門量子門與經(jīng)典計算機的門相對應(yīng)的，量子計算機中的量子門由幺正變換實施。量子門的真值表較經(jīng)典的真值表要廣泛得多。量子門是實現(xiàn)量子并行計算的基石。

量子門異或（XOR）門及其對應(yīng)操作量子網(wǎng)路將量子門按某種方式連接，構(gòu)成量子網(wǎng)路，以進行復(fù)雜的運算。

利用XOR門與轉(zhuǎn)動門構(gòu)成的Toffolli門量子網(wǎng)路K-位寄存器上作分離（快速）傅立葉變換的量子網(wǎng)路shor算法1994年，PeterShor提出利用量子計算機將大數(shù)的質(zhì)因子分解從NP問題簡化為P問題。1000位的大數(shù)質(zhì)因子分解：傳統(tǒng)的計算機：1025年量子計算機：幾分之一秒。Shor算法使雙密鑰系統(tǒng)土崩瓦解（如RSA算法），是量子計算機理論的里程碑。核自旋量子計算機

以五分子為硬件的NMR量子計算機量子字節(jié)日前，澳大利亞科學(xué)家在量子科學(xué)方面獲得了重大的突破，成功的實現(xiàn)了首個用8個鈣離子組成的量子字節(jié)（QuantumByte）。美國伊利諾大學(xué)香檳分校的科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)了一種解出算法結(jié)果的奇特方法，通過量子計算和量子盤查，在不運行算法的情況下就能得出結(jié)果。研究人員使用一個基于光學(xué)的量子計算機首次向人展示了“反事實計算”，即計算機在不運行的情況下也能推斷出答案相關(guān)的信息。路仍然很遠雖然迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。人類探詢未來，探索科技的腳步從未停息。什么是DNA計算機？

與電子計算機以二進制的0和1兩數(shù)字進行數(shù)據(jù)存儲不同，DNA計算機通過組成DNA分子的A,G,C,T四種核苷酸的排列來編碼信息，特定的生物酶可充當(dāng)“軟件”，使DNA分子完成某種生物化學(xué)反應(yīng)，從一種基因代碼（即反應(yīng)前的輸入數(shù)據(jù)）變?yōu)榱硪环N基因代（即反應(yīng)后的輸出數(shù)據(jù)）。

納電子系統(tǒng)量子單元自動機量子計算機DNA計算機

DNA計算機的特色運算量大

在一個試管中可以含有約1萬個DNA片段，而每一個DNA片段都可以作為一個微型的處理器。據(jù)估計，一臺DNA計算機幾天的運算量，便可以超過世界上所有電子計算機運算量的總和。DNA計算機的特色能耗低DNA計算機擁有如此驚人的運算量，但能耗卻非常低。每1019次操作才消耗1J能量。只有一臺電子計算機的十億分之一。2001年以色列魏茨曼研究所的科學(xué)家研制成功世界上第一臺DNA計算機（器），運算速度約為每秒十億次。

2002年2月，日本開發(fā)出全球第一臺能夠進行基因診斷的DNA計算機（器）。世界上第一臺DNA計算機DNA計算機的應(yīng)用假設(shè)你走進一個有100萬輛汽車的車行，想買一輛稱心的車。你向銷售員提出了一大堆條件，如“想買一輛4座和自動檔的”，“敞蓬和天藍色的”寶馬車等等，加起來多達24項。在整個車行中，能滿足你所有條件的車只有一輛。從理論上說，銷售員必須一輛輛費勁地找。傳統(tǒng)的電子計算機采用的就是這種串行計算的辦法來求解。NP完全3-SAT問題DNA計算機的應(yīng)用解決步驟：首先利用DNA片段編碼了100萬種可能的答案，后將其逐一通過不同容器，每個容器都放入了代表24個限制條件之一的DNA。每通過一個容器，滿足特定限制條件的DNA分子經(jīng)反應(yīng)后被