Наносхемотехника. Шаблон. Отчет по Учебной практике (вид практики) (Ознакомительная практика) (тип практики)
 Скачать 89.77 Kb.
|
|
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Факультет базового телекоммуникационного образования Направление подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи Кафедра радиоэлектронных систем Отчет по Учебной практике (вид практики) (Ознакомительная практика) (тип практики) студента 2 курса группы ИКТр-03 ___________Симоновой Леи Сергеевны____________ (фамилия, имя, отчество) Место практики: ПГУТИ, кафедра РЭС (г. Самара, Л. Толстого, д.23) (указывается полное наименование структурного подразделения университета/профильной организации и ее структурного подразделения, а также их фактический адрес) Сроки прохождения практики с «27» июня 2022 г. по «24» июля 2022 г. Руководитель практики от ПГУТИ _________________________________ Доцент кафедры РЭС, к.т.н., Галочкин Владимир Андреевич (должность, ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество) Руководитель практики от профильной организации_________________ __________________________________________________________________ (должность, ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество) Самара, 2022 РЕЦЕНЗИЯ на отчет по учебной практике (вид практики) (Ознакомительная практика) (тип практики) Студента ________Симоновой Леи Сергеевны___________________ (Ф.И.О.) Рецензент - руководитель практики от ПГУТИ: Галочкин В.А. к.т.н., доцент кафедры РЭС. (Ф.И.О., степень, звание, должность руководителя практики от кафедры) В рецензии отражается соответствие отчета по практике утвержденному индивидуальному заданию, глубина проработки поставленных вопросов. Выявляются положительные стороны проделанной работы, а также ее недостатки.
Результат рецензирования: допущен/не допущен к защите Оценка: _______________________ _______________ Галочкин В.А. (подпись) (ФИО руководителя практики от ПГУТИ) «____» сентября 2022 г. Содержание СодержаниеВведение. Проблема развития электроники. 5 Технологии MEMS и NEMS 6 Появление и развитие MEMS и NEMS технологии. 6 Механокомпьютер. Механопамять. 7 Одноэлектронный механический транзистор 8 Заключение. Перспективы развития электроники. 10 Список использованных источников 13 Введение Цели практики: - закрепление и углубление теоретических знаний, полученных студентами при теоретическом обучении, подготовка их к изучению последующих специальных дисциплин и прохождению производственной практики; - знакомство с особенностями избранной специальности, с производством в целом и его структурными подразделениями; - обучение методам и приемам научных исследований, владение электронно-вычислительной техникой, ознакомление с научной организацией труда в производственных коллективах. - приобретение первых практических навыков в сфере будущей профессиональной деятельности. Задачи практики: первичное ознакомление с будущей профессиональной деятельностью и приобретение определенных навыков при работе с инфо-коммуникационным оборудованием и системами его защиты. Вопросы, подлежащие изучению:
При прохождении практики планируется формирование компетенций и индикаторов их достижения, предусмотренных основной профессиональной образовательной программой на основе ФГОС ВО по направлению подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи:
Введение Что такое электроника? Электроника – это наука, занимающаяся изучением взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитными полями, а также способов создания электронных приборов, в которых данное взаимодействие применяется для преобразования электромагнитной энергии, главным образом для передачи, хранения и обработки информации. Данная наука стремительно развивается с каждым днем, однако есть ряд препятствий, которые мешают прогрессу. Одна из основных проблем развития электроники связана с требованием увеличения объема обрабатываемой информации управляющими и вычислительными системами с одновременным уменьшением их габаритов. В настоящее время решить эту проблему пытаются посредством: 1. Разработки приборов сверхвысоких частот и лазеров с высоким коэффициентом полезного действия, использующиеся для энергетического воздействия на вещество, а также направленной передачи энергии. 2. Создания электронных приборов, которые функционируют в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных систем передачи информации и линий оптической связи. 3. Разработки средств и принципов стереоскопического телевидения, обладающие большей информативностью по сравнению с обычным. 4. Перехода от планарной технологии интегральных схем к объемной и использовании сочетания разнообразных свойств твердого тела в одном приборе. 5. Расширения функций интегральных схем, например, переход от микропроцессора к мини электронно-вычислительной машине на одном кристалле. 6. Использования электронно-лучевой и лазерной коммутации. 7. Разработки запоминающих устройств, емкость которых достигает нескольких гигабайт на одном кристалле. 8. Использования сверхпроводников, устройств оптической связи, оптоэлектронных преобразователей в интегральных схемах. 9. Увеличения интеграции на одном кристалле нескольких миллионов транзисторов, размер которых менее 1 мкм на основе использования достижений наноэлектроники и молекулярной электроники. 10. Создания полупроводниковых интегральных схем, которые обеспечивают минимальное время подключения. Технологии MEMS и NEMS Появление и развитие MEMS и NEMS-технологий стало следующим шагом на пути эволюции полупроводниковой техники. Появление и развитие и MEMS NEMS технологий MEMS-технология расшифровывается как микроэлектромеханические системы - это концепция создания электронных компонентов, которая стала популярной в последнее время благодаря повышающейся степени миниатюризации. МЭМС представляет собой технологию, которая позволяет миниатюризировать механические структуры и полностью интегрировать их с электрическими схемами, что приводит к одному физическому устройству, которое на самом деле больше похоже на систему, где «система» определяет, что механические компоненты и электрические компоненты работают вместе для реализации желаемой функциональности. Соответственно, NEMS-технология использует наноэлектромеханические системы. (http://digitrode.ru/articles/1684-chto-takoe-mems-tehnologii-i-mems-komponenty.html) Часто под понятием MEMS понимают целое направление в современной нанотехнологии, которое имеет дело с дизайном, методиками синтеза, диагностики, моделирования и использования, в том числе коммерческого, микро- и наномеханических устройств. MEMS устройства способны выполнять различные функции, включая сенсорные и управляющие. Сегодня устройства на основе MEMS нашли свое практическое применение в ряде оптических систем, сенсорах автомобильных "подушек безопасности", CВЧ приборах, в струйных принтерах, проекционных дисплеях и многих других. (https://studfile.net/preview/7407876/page:10/) Сферы применения МЭМС (микроэлектромеханические системы): Военное применение (перемещающиеся системы, летательные аппараты, адаптивные оптические приборы, интегрированные жидкостные системы, оптические переключатели и согласующие устройства и т.д.); Робототехнические применения MEMS; Микроаналитические системы(биочипы); Матричные биочипы; Капиллярные биочипы; Компоненты проб-платформ; Микроаналитический чип. Это могут быть: Миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера; Микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров; Микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину; Микророботы; Микродатчики и исполнительные устройства; Аналитические микролаборатории на чипе. MEMS представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на кремниевой подложке. Их размеры могут быть меньше спичечной головки, и поэтому использование МЭМС позволит резко уменьшить массу и объем традиционной электронной техники, а также значительно снизить ее стоимость. (Галочкин, В.А. Нанотехнологии и наноэлектроника, с.300) Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в 1959 году. Но для превращения MEMS из любопытных лабораторных “игрушек” в реальные изделия, пользующиеся спросом на рынке, потребовалось целых 40 лет. Только в конце 90-х началось освоение промышленного производства MEMS, а сейчас MEMS широко используются в самых различных сферах человеческой деятельности: в телекоммуникациях, медицине, транспорте и т.д. MEMS-системы на сегодняшний день являются ключевым фактором в развитии нанотехнологий. Именно на базе таких систем планируется создание наноманипуляторов и нанороботов. Традиционный микропроцессор способен лишь на то, чтобы решать определенный алгоритм и выдавать тот или иной результат вычислений. Микроэлектромеханические же устройства способны не только обрабатывать определенные данные, но и выполнять некоторые движения, то есть выступать в роли микророботов. Некоторые из них производятся в мире многомиллионными тиражами, другие только разрабатываются и проходят испытания. По мнению специалистов, одной из ведущих фирм в области МСТ (Микро Системная Техника) "Integrated Sensing Systems", данная технология: «Это новая волна полупроводниковой революции. Технология-MEMS обеспечивают полупроводникам возможность «думать», «ощущать», взаимодействовать с внешним миром. С точки зрения инвесторов и промышленных аналитиков - MEMS в новом веке такой же ускоряющий развитие фактор, как микропроцессоры в 80-х и Интернет в 90-х.» NEMS устройства пока еще только исследуются в различных лабораториях. Их практическое использование и выход на рынок систем на их основе следует ожидать в ближайшие 5-10 лет. NEMS-системы, с помощью которых исследователи надеются создать механоэлектрическую память. Сфера применения NEMS - суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, преобразователи, датчики, вентили, клапаны, конденсаторы, резонаторы, генераторы и т.п. Механокомпьютер. Механопамять. Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь также используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания MEMS-устройств очень напоминает процедуру создания ИС (интегральная схема). И в той, и в другой имеется замечательная возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе. MEMS-технологии присущи осаждение материала, перенос изображений и удаление промежуточных слоев.Как правило, создание микромеханических изделий требует создания более толстых пленок, более глубокого травления, а сам технологический процесс имеет значительно больше этапов. (https://uchebnikfree.com/nanotehnologii_1484/poyavlenie-razvitie-mems-nems-67096.html) Как ни удивительно, но MEMS-системы могут выступать не только в роли сенсоров и «мускулов» микро- и нанороботов. Они также могут быть основой нанокомпьютеров. История создания компьютеров начинается в девятнадцатом веке с универсальной механической машины Чарльза Бэббиджа. В 1833 г. английский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Аналитическая машина Бэббиджа стала предшественницей и прообразом современных компьютеров и машин с программным управлением. Как ни странно, но она была полностью механической. И это не мешало ей выполнять простейшие арифметические и логические операции, а также хранить полученные результаты. Подобие машины Бэббиджа ученые собираются создать в наномасштабе, используя «NEMS-арифмометры». Эрик Дрекслер предложил проект механокомпьютера — компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последовательных движений системы стержней. Используя нанотехнологически измененные материалы (алмаз или сапфир), можно добиться высокой скорости распространения информации. Э. Дрекслер составил детальное описание подобного компьютера на основе механотранзисторов, причем размеры подобного устройства составят всего 400х400х400 нм. При этом его вычислительная мощность - 1016 операций в секунду, что можно приравнять к производительности современного персонального компьютера Penthium IV с тактовой частотой 1 ГГц. Если использовать эти наноустройства для хранения информации, то полученная механическая память будет выгоднее по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств. Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Процесс создания одного из прототипов логических ячеек механопамяти выполняется с помощью электронно-лучевой литографии: исследователи сделали «шаблон» для матрицы механических ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния. Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометровых размеров, которая при воздействии на ее концы высокочастотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) изгибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний («1» или «0»), что как раз нужно для хранения информации. Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь высокочастотных вибраций (в опытах — до 23,57 МГц). Эта частота отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризуются скоростью считывания информации в несколько сот килогерц. Одноэлектронный механический транзистор Объединение принципов механических и электронных вычислений позволит создать гибридные механоэлектрические NEMS-транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем. (Галочкин, В.А. Нанотехнологии и наноэлектроника, с.356) Одноэлектронный транзистор (англ. single electron transistor, SET) - трехэлектродный туннельный прибор, на эффекте кулоновской блокады, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью, соединенного с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, и имеющего емкостную связь с электродом затвора. Профессором Робертом Бланком из Висконсина (США) и его коллегой Домиником Шебли из Мюнхенского университета (Германия) создан принципиально новый электромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой», которая переносит отдельные электроны от истока к стоку. Ранее Бланк уже представлял рабочий электромеханический осциллятор, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации «механической руки» устройства (т.е. работать как транзистор).  Рис. 1. Наномеханический осциллятор Бланка В центре устройства — вибрирующий маятник, который был назван «электронным челноком», а журналистами - «механической рукой». Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник ко лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электродов G1, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которогоисследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD. Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator: слой кремния на слое изолятора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно-лучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм). В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах. Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника. Заключение. Перспективы развития электроники Современное состояние развития электроники заключается в переходе от микротехнологии к нанотехнологии. В настоящее время развитие электроники происходит по двум основным направлениям: Решение проблем с получением и использованием энергии. Решение проблем информационно-вычислительного обеспечения. Тенденция развития электронных приборов для создания информационно-вычислительных средств характеризуется непрерывной миниатюризацией приборов, повышением их быстродействия, снижением энергопотребления, повышением качества и надёжности, ростом массового промышленного выпуска, улучшением экономических показателей, снижением стоимости электронных приборов (точнее, стоимости процессов переработки информации). Все эти проблемы наиболее эффективно решаются в рамках микроэлектроники, которая за последние четверть века прошла путь от гибридных ИС до монолитных СБИС. К важным направлениям развития электроники также относится оптоэлектроника, открывающая перспективы создания объемных микросхем, обладающих быстродействием, а также приборов отображения для стереоскопического телевидения. Ожидается совершенствование твердотельных электронных устройств и приборов с кристаллической структурой, концентрация легирующих примесей в которой периодически изменяется. Такие приборы обладают уникальными оптическими и электрическими свойствами (эффективное усиление и генерирование колебаний, умножение частоты в оптическом и сверхвысокочастотном диапазоне). Научное сообщество вплотную приступило к изучению так называемого наномира. Многие процессы, характерные для наномира, происходят в условиях, далеких от равновесного состояния, а объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Нанотехнология является обширной областью новейших технологий, основанных на человеческих знаниях о природе объектов соответствующих размеров. В зависимости от того в каком измерении искомый объект содержит нанометровый размер, нанотехнологию можно подразделять на одномерную (тонкие пленки, в которых нанометровый размер имеет только толщина), двухмерную (структуры, полученные на тонких пленках и имеющие хотя бы один нанометровый размер в латеральной плоскости) и трехмерную (объекты, все три измерения в которых имеют нанометровую структуру - нанодисперсные частицы и объекты). К трехмерной нанотехнологии можно отнести также трехмерные структуры, имеющие микро- и макроскопические размеры, но тонкую объемную структуру, состоящую из наноразмерных частиц (например, пористые материалы, полученные методами золь-гель-технологии, или пористые стекла и кварцоиды). Поступательное развитие науки, техники и технологии позволило в последнее время практически перейти к освоению нано-метрового диапазона размеров объектов человеческой деятельности. Появилась и оформилась соответствующая наука - нанотехнология. Значительное внимание стало уделяться проблемам, возникающим при создании и исследовании наноразмерных структур в различных областях науки и техники. Развитие нанотехнологии и наноэлектроники взывает необходимость промышленного освоения нанометрового диапазона размеров элементов. Также предполагается активное развитие акустической электроники на объемных и поверхностных акустических волнах и твердотельной электроники. Их совместное развитие должно привести к появлению новых видов многофункциональных схем. Определенные надежды возлагаются на функциональную электронику, которая связана с изучением динамических неоднородностей. Использование в электронных устройствах и приборах структур с динамическими неоднородностями (солитонами, доменами и вихрями магнитного потока в сверхпроводниках) частично снимает ограничения, связанные с быстродействием и миниатюризацией, например, за счет увеличения эффективности связи или уменьшения выделения тепла. Таким образом, электроника является одной из самых динамично развивающихся междисциплинарных наук. Она использует самые последние достижения в области физики, химии, информатики и даже семантики. В отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. До настоящего времени рост функциональной сложности и быстродействия систем достигался увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, связанная с определяющим влиянием на физические процессы в наноструктурах квантовых эффектов (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты). Заключение Обобщенное описание выполненной во время практики работы: __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Перечень компетенций, сформированных в результате прохождения практики:
С какими проблемами Вы столкнулись во время практики_________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Предложения и пожелания по организации и содержанию практики________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Список использованных источников Галочкин, В.А. Наноэлектроника и наносхемотехника телекоммуникационных устройств /Монография/В.А. Галочкин – Самара: ФГБОУ ВО ПГУТИ, 2019 г – 346 с Галочкин, В.А. Нанотехнологии и наноэлектроника – основа знаний будущих специалистов в области телекоммуникаций и телевещания/В.А. Галочкин// Инфокоммуникационные технологии – 2014 – том 12- №3 – с. 85-90 https://studfile.net/preview/7407876/page:10/ http://digitrode.ru/articles/1684-chto-takoe-mems-tehnologii-i-mems-komponenty.html https://uchebnikfree.com/nanotehnologii_1484/poyavlenie-razvitie-mems-nems-67096.html | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||