纳电子学完整版本

纳电子学：信息技术的未来郭宇锋南京邮电大学光电工程学院微电子技术系目录微电子学面临的问题奇妙的纳米尺寸效应纳电子器件纳电子系统目录微电子学面临的问题奇妙的纳米尺寸效应纳电子器件纳电子系统微电子技术基本规律Moore定律集成电路的集成度每18个月翻一番。Electronics（1965.4.19）Intel微处理器的发展历程微电子技术基本规律等比例缩小定律为保持晶体管的性能，晶体管的尺寸缩小应当遵循等比例缩小原则。一个晶体管所包含的原子个数1960年的1020个，到2010年将减少到103个。集成电路的scaledown19601970198019902000201020201019107103108皮焦耳10-8皮焦耳每位信息的原子数每个逻辑运算的能量微电子器件的特征时间和结构埃1nm10nm100nm1um10um10-1510-1410-1310-1210-1110-10能带图失效量子效应传输的不规则性突变结各种IC耗尽层德拜长度平均自由程电子波分子原子1ps尺寸特征时间/s芯片特征尺寸的发展19801990200020100.010.0030.030.10.313ASICs第一代VLSI系统创新的VLSI系统先进技术MOS晶体管MOS晶体管的极限量子电子器件（QED）年尺寸/um功耗与延迟100nW1uW10uW100uW1mW10mW100fs1ps10ps100ps1ns10nsTTL100mW100nsECLIII-IVHBTMESFETHFETCMOS低功耗高速SETRTD0.1aJ1aJ10aJ100aJ1fJ10fJ功耗/门Pd延迟td当前技术区域当前技术局限的区域热学限制的区域超出经典物理限制的区域最小晶体管尺寸的限制为防止栅氧隧道击穿：tox>3nm为防止栅氧电击穿：Vg<0.3V为确保反型沟道形成：Na=1018cm-3为防止源漏耗尽区相连，Lch＝30nm晶体管面积应至少等于沟道面积的8倍：

A＝0.72×10-10cm－21根头发的截面积上可放置4000个晶体管1cm2面积上可容纳140亿个晶体管。沟道内约有107个硅原子，100个掺杂分子。工作时沟道内约有150个电子。功耗Ws≈600kT(根据热力学理论，处理一位信息的极限能量为2ln2kT＝1.5kT)N+PSourse源极N+Gate栅极Drain漏极目录微电子学面临的问题奇妙的纳米尺寸效应纳电子器件纳电子系统奇妙的纳米尺度效应宏观量子隧道效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，目前研制的量子共振隧穿晶体管RTD就是利用量子效应制成的新一代器件。小尺寸效应特殊的光学性质：消光性特殊的热学性质：熔点降低特殊的磁学性质:高矫顽力特殊的力学性质:高强度、高韧性特殊的电学性质:电导、介电特性、压电效应等表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。

比如纳米衣服纳米检测细胞、蛋白质、毒素和DNA检测灵敏度可达10-18M纳米检测单细胞BPT含量检测的纳米光纤传感器进行细胞穿刺和检测，最低检出限10-21mol纳米刻蚀纳米级中国地图，刻线粗细为10纳米

世界上最小的唐诗（10微米×10微米）

人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮目录微电子学面临的问题奇妙的纳米尺寸效应纳电子器件纳电子系统纳电子器件单电子晶体管SED分子晶体管碳纳米晶体管单电子晶体管由两个极薄的绝缘层夹一个小岛（库仑岛，尺寸小于10nm）组成。当加在栅上的电压变化引起库仑岛中电荷变化量不到一个电子的电荷，则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时。源漏之间有电流通过。

GSD有机分子场效应晶体管该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2个纳米，是目前世界最小的晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。

纳电子器件单电子晶体管SED分子晶体管碳纳米晶体管

碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。

碳纳米管1991年日本NEC公司饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注

[Nature(1991)]具有极好的可弯折性具有极好的可扭曲性。碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5TPa，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。碳纳米管的主要形状CVD法生长的碳纳米管SEM照片碳纳米管器件——分子结T形和Y形结碳纳米管器件——PN结P+N结P+N＋结碳纳米管器件——FET晶体管碳纳米管器件——FET晶体管2001年7月6日出版的美国《科学》报道，荷兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下有效工作的单电子纳米碳管晶体管。，它只允许单独的电子在一定电压下通过。此晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分之一。碳纳米管器件——RAM当悬在上面的碳纳米管与下面的碳纳米管分开时，结点的电阻非常高，即OFF态；而当悬在上面的碳纳米管与下面的碳纳米管在结点接触时，结点的电阻会减小几个数量级，即ON态。通过瞬间地对碳纳米管充电，使两个碳纳米管之间产生静电吸引或排斥力，从而使这个结点双稳态器件开关于ON态和OFF态之间。在集成系统中，电极仅与上下两套碳纳米管的一端相连。因此，阵列中的每一个结点都可以用地址(n,m)标志出来，可以通过测量结点的电阻来读出结点处于的状态，并且可以通过对(n,m)两个相应的电极施以电压脉冲来控制结点(n,m)的开关。这提供了一种制造高集成度的快速的可寻址的非挥发性RAM的方法。悬挂的十字交叉单壁碳纳米管阵列QuantumDots(量子点)目录微电子学面临的问题奇妙的纳米尺寸效应纳电子器件纳电子系统纳电子系统量子单元自动机量子计算机DNA计算机纳电子系统量子单元自动机量子计算机DNA计算机量子单元自动机的元胞Cell两种基本单元0100相邻Cell的四种状态011011低能量高能量高能量低能量量子单元自动机的元胞Cell00对角Cell的四种状态011011高能量低能量低能量高能量量子单元自动机线输入输出信号传输11输入输出非门101000与门输出输入A输入B1000或门输出输入A输入B量子单元自动机即不依赖于金属等互连线，也不依赖于电子电流，从而具有非常低的功耗！全加器纳电子系统量子单元自动机量子计算机DNA计算机信息的代价朗道原理——信息的擦除必然伴随着热量的释放。朗道信息的代价传统逻辑门的不可逆性。

A&B=0，A+B=1？传统逻辑门会损失一部分信息，使原来不相同的选择变得不可区分。也即信息的擦除。故传统逻辑门的运算必须付出朗道热力学代价，不可利用的能量以热的形式耗散。这是传统计算机所不能解决的问题。量子计算机一种采用基于量子力学的深层次的计算模式的计算机。这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这些信息。量子计算机以量子力学建立逻辑体系，与量子计算机有关的量子力学的原理，即量子状态的主要性质包括：

●状态叠加●干涉性

●纠缠

●不可复制性与不确定性●状态变化这些性质使得量子计算不传统计算机中的布尔计算有非常大的区别。其中，最重要的是量子状态的叠加性使得大规模的量子并行存储成为可行。量子比特在量子计算机中，运算的基本单元是量子比特（q-bit），它的基本状态是两种状态的叠加。激发态基态核子时间间隔t光脉冲频率

电子State|0>State|1>量子比特规定原子在基态时记为|0〉，在激发态时原子的状态记为|1〉。原子除了保持上述两种状态之外，还可以处于两种态的线性叠加，记为

|φ〉=a|1〉+b|0〉

a和b分别代表原子处于两种态的几率幅

量子寄存器存储一系列量子比特的体系称为量子寄存器假如有一个由三个比特构成的寄存器在经典计算机中，可以表示0~7共8个数，并且在某一时刻，只能表示其中的一个数

000001010011100101110111量子寄存器3个量子比特的系统可以同时表示8个传统状态量子门在经典计算机中，逻辑判断是按真值表进行任何逻辑运算均可以归类于3项基本的布尔操作：非（NOT），与（AND），或（OR）这些基本的逻辑运算称为门量子门与经典计算机的门相对应的，量子计算机中的量子门由幺正变换实施。量子门的真值表较经典的真值表要广泛得多。量子门是实现量子并行计算的基石。

量子门异或（XOR）门及其对应操作量子网路将量子门按某种方式连接，构成量子网路，以进行复杂的运算。

利用XOR门与转动门构成的Toffolli门量子网路K-位寄存器上作分离（快速）傅立叶变换的量子网路shor算法1994年，PeterShor提出利用量子计算机将大数的质因子分解从NP问题简化为P问题。1000位的大数质因子分解：传统的计算机：1025年量子计算机：几分之一秒。Shor算法使双密钥系统土崩瓦解（如RSA算法），是量子计算机理论的里程碑。核自旋量子计算机

以五分子为硬件的NMR量子计算机量子字节日前，澳大利亚科学家在量子科学方面获得了重大的突破，成功的实现了首个用8个钙离子组成的量子字节（QuantumByte）。美国伊利诺大学香槟分校的科学家最近发现了一种解出算法结果的奇特方法，通过量子计算和量子盘查，在不运行算法的情况下就能得出结果。研究人员使用一个基于光学的量子计算机首次向人展示了“反事实计算”，即计算机在不运行的情况下也能推断出答案相关的信息。路仍然很远虽然迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。人类探询未来，探索科技的脚步从未停息。什么是DNA计算机？

与电子计算机以二进制的0和1两数字进行数据存储不同，DNA计算机通过组成DNA分子的A,G,C,T四种核苷酸的排列来编码信息，特定的生物酶可充当“软件”，使DNA分子完成某种生物化学反应，从一种基因代码（即反应前的输入数据）变为另一种基因代（即反应后的输出数据）。

纳电子系统量子单元自动机量子计算机DNA计算机

DNA计算机的特色运算量大

在一个试管中可以含有约1万个DNA片段，而每一个DNA片段都可以作为一个微型的处理器。据估计，一台DNA计算机几天的运算量，便可以超过世界上所有电子计算机运算量的总和。DNA计算机的特色能耗低DNA计算机拥有如此惊人的运算量，但能耗却非常低。每1019次操作才消耗1J能量。只有一台电子计算机的十亿分之一。2001年以色列魏茨曼研究所的科学家研制成功世界上第一台DNA计算机（器），运算速度约为每秒十亿次。

2002年2月，日本开发出全球第一台能够进行基因诊断的DNA计算机（器）。世界上第一台DNA计算机DNA计算机的应用假设你走进一个有100万辆汽车的车行，想买一辆称心的车。你向销售员提出了一大堆条件，如“想买一辆4座和自动档的”，“敞蓬和天蓝色的”宝马车等等，加起来多达24项。在整个车行中，能满足你所有条件的车只有一辆。从理论上说，销售员必须一辆辆费劲地找。传统的电子计算机采用的就是这种串行计算的办法来求解。NP完全3-SAT问题DNA计算机的应用解决步骤：首先利用DNA片段编码了100万种可能的答案，后将其逐一通过不同容器，每个容器都放入了代表24个限制条件之一的DNA。每通过一个容器，满足特定限制条件的DNA分子经反应后被