ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ. Δρ. Δ. Λαμπάκης (1 ο σειρά διαφανειών)

Σχετικά έγγραφα
ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΙΙ ΓΙΩΡΓΟΣ ΤΣΙΓΑΡΙΔΑΣ

ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΓΙΩΡΓΟΣ ΤΣΙΓΑΡΙΔΑΣ.

ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ

Ερωτήσεις θεωρίας Σημειώσεις στο τρανζίστορ MOSFET

Ημιαγωγοί και Νανοηλεκτρονική

Χαρακτηρισμός και μοντέλα τρανζίστορ λεπτών υμενίων βιομηχανικής παραγωγής: Τεχνολογία μικροκρυσταλλικού πυριτίου χαμηλής θερμοκρασίας

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

. Να βρεθεί η Ψ(x,t).

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. Δρ. Δ. Λαμπάκης (8 η σειρά διαφανειών)

Μοντέρνα Φυσική. Κβαντική Θεωρία. Ατομική Φυσική. Μοριακή Φυσική. Πυρηνική Φυσική. Φασματοσκοπία

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

John Bardeen, William Schockley, Walter Bratain, Bell Labs τρανζίστορ σημειακής επαφής Γερμανίου, Bell Labs

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Αγωγιμότητα σε ημιαγωγούς

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ηλεκτρικό Ρεύμα Μέρος 1 ο

Διάλεξη 9: Στατιστική Φυσική

«Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων σε FPGA» Εαρινό εξάμηνο

Κυκλωμάτων» Χειμερινό εξάμηνο

ηλεκτρικό ρεύμα ampere

Φυσική για Μηχανικούς

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Επαφές μετάλλου ημιαγωγού

Θέµατα που θα καλυφθούν

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Στατιστική Φυσική Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Διάλεξη 2. Ηλεκτροτεχνία Ι. Κυκλώματα συνεχούς και Ηλεκτρομαγνητισμός. Α. Δροσόπουλος

Φυσική για Μηχανικούς

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd stvrentzou@gmail.com

Νανοηλεκτρονικές Διατάξεις Π. Φωτόπουλος ΠΑΔΑ

Οι περισσότεροι μονοτοιχωματικοί νανοσωλήνες έχουν διάμετρο περί του 1 νανομέτρου (υπενθυμίζεται ότι 1nm = 10 Å).

7.a. Οι δεσμοί στα στερεά

1.1 Ηλεκτρονικές ιδιότητες των στερεών. Μονωτές και αγωγοί

Κεφάλαια (από το βιβλίο Serway-Jewett) και αναρτημένες παρουσιάσεις

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ

ΧΡΟΝΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ Γεωργία Πελέκη, Έλντα Μπάλι Τζαφέρι Τζένη, Αλεξία Παπαδοπούλου, Ντοριλέιν Γκαρσία

Κεφάλαιο 6: Δυναμικός Ηλεκτρισμός

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ. Εργαστήριο Φυσικής IΙ. Μελέτη της απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου με χρήση υπολογιστή. 1. Σκοπός. 2. Σύντομο θεωρητικό μέρος

Βασικές αρχές ηµιαγωγών και τρανζίστορ MOS. Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική

Εισαγωγή στους Υπολογιστές

Φαινόμενα μεταφοράς σε ηλεκτρονικές διατάξεις. Από την εξίσωση του Boltzmann στις εξισώσεις ολίσθησης-διάχυσης

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Κ ΚΑΙ Η ΗΛΕΚΡΙΚΗ ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΣΕ ΚΑΛΟ ΜΟΝΩΤΗ ΕIΝΑΙ ΤΗΣ ΤΑΞΗΣ

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ

Κεφάλαιο 3 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 2

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΑ Υλικα 3ο μεροσ. Θεωρητικη αναλυση

Κυματική φύση της ύλης: ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ. Φωτόνια: ενέργεια E = hf = hc/λ (όπου h = σταθερά Planck) Κυματική φύση των σωματιδίων της ύλης:

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

Ένωση Ελλήνων Φυσικών ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ B Λυκείου

ηλεκτρικό ρεύµα ampere

Αρχιτεκτονική υπολογιστών

ΟΜΟΣΠΟΝ ΙΑ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΩΝ ΦΡΟΝΤΙΣΤΩΝ ΕΛΛΑ ΟΣ (Ο.Ε.Φ.Ε.) ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ 2015 Β ΦΑΣΗ

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. Ενότητα 10: ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ

Ανάστροφη πόλωση της επαφής p n

Ανάστροφη πόλωση της επαφής p n

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ 2.1 ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ

Φυσική για Μηχανικούς

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. Δρ. Δ. Λαμπάκης (10 η σειρά διαφανειών)

Μετά το τέλος της µελέτης του 1ου κεφαλαίου, ο µαθητής θα πρέπει να είναι σε θέση:

ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Αγωγιμότητα σε ημιαγωγούς

Ξεκινώντας από την εξίσωση Poisson για το δυναμικό V στο στατικό ηλεκτρικό πεδίο:

SUPER THERM ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜAΤΩΝ ΜΕ ΔΙΟΔΟ GUNN

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. Δρ. Δ. Λαμπάκης (11 η σειρά διαφανειών)

4. Θερμότητα & Ψύξη ΚΜ Η/Υ

ΑΣΚΗΣΗ 7 Μέτρηση ωμικής αντίστασης και χαρακτηριστικής καμπύλης διόδου

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ. Δρ. Δ. Λαμπάκης (7 η σειρά διαφανειών)

Δομή ενεργειακών ζωνών

Φυσική για Μηχανικούς

PLANCK 1900 Προκειμένου να εξηγήσει την ακτινοβολία του μέλανος σώματος αναγκάστηκε να υποθέσει ότι η ακτινοβολία εκπέμπεται σε κβάντα ενέργειας που

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζουμε την προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ή γενικότερα των φορτισμένων σωματιδίων.

Κεφάλαιο 37 Αρχική Κβαντική Θεωρία και Μοντέλα για το Άτομο. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

γ ρ α π τ ή ε ξ έ τ α σ η σ τ ο μ ά θ η μ α Φ Υ Σ Ι Κ Η Γ Ε Ν Ι Κ Η Σ Π Α Ι Δ Ε Ι Α Σ B Λ Υ Κ Ε Ι Ο Υ

«ΜΕΛΕΤΗ ΙΑΤΑΞΕΩΝ ΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ ΓΙΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ»

κυματικής συνάρτησης (Ψ) κυματική συνάρτηση

Σχεδίαση CMOS Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Ασκήσεις Φασµατοσκοπίας

KΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΕ ΜΙΑ ΔΙΑΣΤΑΣΗ

Ορθή πόλωση της επαφής p n

Οι ηµιαγωγοι αποτελουν την πλεον χρησιµη κατηγορια υλικων απο ολα τα στερεα για εφαρµογες στα ηλεκτρονικα.

Σημειώσεις κεφαλαίου 16 Αρχές επικοινωνίας με ήχο και εικόνα

ΠΟΙΑ ΥΛΙΚΑ ΕΙΝΑΙ ΚΑΛΟΙ ΚΑΙ ΠΟΙΑ ΚΑΚΟΙ ΑΓΩΓΟΙ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ

Περιοχή φορτίων χώρου

ΑΤΟΜΙΚΑ ΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ

Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική Η/Υ

2 Μετάδοση θερμότητας με εξαναγκασμένη μεταφορά

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 1 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ. Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης

Φωτοδίοδος. 1.Σκοπός της άσκησης. 2.Θεωρητικό μέρος

Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ & ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ

Ασκήσεις 2 ου Κεφαλαίου, Νόμος του Gauss

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Αγωγιμότητα σε ημιαγωγούς

Φυσική ΙΙΙ. Ενότητα 4: Ηλεκτρικά Κυκλώματα. Γεώργιος Βούλγαρης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Αρχές φωτοβολταϊκών διατάξεων

4. Παρατηρείστε το ίχνος ενός ηλεκτρονίου (click here to select an electron

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΗΥ-121: Ηλεκτρονικά Κυκλώματα Γιώργος Δημητρακόπουλος. Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων

Μάθηµα 1ο Μέρος 1ο. Ανάλυση Κυκλωµάτων DC ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ

Δ1. Δ2. Δ3. Δ4. Λύση Δ1. Δ2. Δ3. Δ4.

Transcript:

ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Δρ. Δ. Λαμπάκης (1 ο σειρά διαφανειών)

Η σύγχρονη τεχνολογία χαρακτηρίζεται από την έμφαση που δίνει στη ελαχιστοποίηση των διαστάσεων (σμίκρυνσηminiaturization). Χαρακτηριστικό παράδειγμα: τα ηλεκτρονικά. Αξιόλογη τεχνολογική πρόοδος έχει προέλθει από μειώσεις στο μέγεθος των τρανζίστορ, αυξάνοντας έτσι τον αριθμό των τρανζίστορ ανά τσιπ (chip). Με περισσότερα τρανζίστορ ανά chip, σχεδιαστές είναι σε θέση να δημιουργήσουν πιο εξελιγμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuits). Τα τελευταία 35 χρόνια, οι μηχανικοί αύξησαν την πολυπλοκότητα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κατά >5 τάξεις μεγέθους. Αυτό το αξιοπρόσεκτο επίτευγμα έχει μεταμορφώσει την κοινωνία. Ακόμη και στις περισσότερες μηχανικές κατασκευές της σύγχρονης τεχνολογίας, η μισή τους αξία είναι στα ηλεκτρονικά (π.χ. το αυτοκίνητο).

Gordon Moore (συνιδρυτής της Intel): Η ιστορία της βιομηχανίας δείχνει σταθερή αύξηση της πολυπλοκότητας. Νόμος Moore: δηλώνει ότι η πολυπλοκότητα ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος, σε σχέση με το ελάχιστο δυνατό κόστος, θα διπλασιάζεται κάθε περίπου 18 μήνες. Όμως, η τάση δείχνει διπλασιασμό κάθε δύο χρόνια, περίπου, και όχι 18 μήνες όπως είχε αρχικά προβλεφθεί από τον Gordon Moore.

Ο αριθμός των τρανζίστορ σε επεξεργαστές Intel ως συνάρτηση του χρόνου.

Τhe International Technology Roadmap for Semiconductors, ή απλώς the roadmap (οδικός χάρτης), προβλέπει τις σημαντικές τάσεις στη βιομηχανία. Ο «οδικός χάρτης» ενημερώνεται κάθε λίγα χρόνια και συνοψίζονται σε μια ημιλογαριθμική γραφική παράσταση τα κρίσιμα χαρακτηριστικά μεγέθη στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα

Ο οδικός χάρτης προβλέπει ότι τα χαρακτηριστικά μεγέθη θα προσεγγίσουν τα ~10 nm το 2020.

H κεντρική μονάδα επεξεργασίας (Central Processing Unit - CPU) της Intel του Pentium D, έχει μήκος πύλη των 65 nm. Σύμφωνα με τον οδικό χάρτη, τα χαρακτηριστικά μεγέθη σε επεξεργαστές αναμένεται να προσεγγίσουν τις μοριακές κλίμακες (<10 nm) εντός ~10 ετών. Αλλά οι εκθετικές τάσεις δεν μπορούν να συνεχιστούν επ 'άπειρον

Ήδη, στους επεξεργαστές (CPU) έχουν αρχίσει να εμφανίζονται αμυδρές ενδείξεις από τα θεμελιώδη εμπόδια καθώς πλησιάζουμε σε μικρότερες κλίμακες μήκους. Έχει γίνει όλο και πιο δύσκολο να εμποδίσουμε τη θερμότητα που παράγεται από την λειτουργία του CPU σε υψηλή ταχύτητα. Όσο περισσότερα τρανζίστορ περιέχονται πλέον σε τσιπ, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ισχύος (θερμότητα) που πρέπει να εμποδίσουμε.

Στις μέρες μας, η πυκνότητα ισχύος των σύγχρονων επεξεργαστών είναι περίπου 150 W/cm 2 Αναμενόμενες τάσεις στην κατανάλωσης ισχύος του CPU, σύμφωνα με τον οδικό χάρτη. Σημείωση 1: η πυκνότητα ισχύος στην επιφάνεια του ήλιου είναι περίπου 6000 W/cm 2 Σημείωση 2: Ο ήλιος ακτινοβολεί αυτή την ισχύ με θέρμανσή του, που φτάνει έως 6000 K

Ωστόσο, οι επεξεργαστές (CPUs) πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασία δωματίου, περίπου. Το θερμικό φορτίο των CPUs έχει ωθήσει τους συμβατικούς ανεμιστήρες ψύξης (air cooling) στα όρια της πρακτικότητας. Πέρα από την ψύξη με αέρα είναι η ψύξη με νερό (water cooling), η οποία, με μεγαλύτερη δαπάνη, είναι ικανή να απομακρύνει εκατοντάδες Watts από τσιπ μεγέθους 1cm 2. Όμως, πέρα από την ψύξη του νερού, δεν υπάρχει καμία γνωστή και φθηνή λύση.

Η κατανάλωση ισχύος είναι το πιο ορατό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η βιομηχανία ηλεκτρονικών σήμερα. Αλλά, καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές προσεγγίζουν την μοριακή κλίμακα, η παραδοσιακή αντίληψη μας για τις ηλεκτρονικές συσκευές θα πρέπει επίσης να αναθεωρηθεί. Τα κλασικά πρότυπα για τη συμπεριφορά των συσκευών πρέπει να εγκαταλειφθούν.

Π.χ. πολλά ηλεκτρόνια στα σύγχρονα τρανζίστορ φαίνεται ότι ταξιδεύουν "βαλλιστικά" δηλαδή δεν συγκρούονται με κανένα από τα συστατικά του καναλιού πυριτίου. Το «κατώφλι» βαλλιστικής συμπεριφοράς εμφανίζεται για μήκη καναλιού της τάξης των 50nm, περίπου.

Αυτές οι βαλλιστικές συσκευές δεν μπορούν να αναλυθούν με τη χρήση συμβατικών μοντέλων τρανζίστορ. Για να προετοιμαστούμε για την επόμενη γενιά των ηλεκτρονικών συσκευών, πρέπει να διδαχτούμε τη θεωρία του ρεύματος, της τάσης και της αντίστασης σε ατομική κλίμακα.

Το κβαντικό σωμάτιο (The Quantum Particle) Αρχικά, θα πρέπει να γίνει η εισαγωγή των βασικών «εργαλείων» για την περιγραφή των ηλεκτρονίων σε νανοσυσκευές-νανοδιατάξεις. Στα πρώτα τρανζίστορ, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αντιμετωπίζονται ως καθαρά σωμάτια σημείου. Αλλά στην νανοηλεκτρονική, η θέση, η ενέργεια και η ορμή ενός ηλεκτρονίου πρέπει να περιγράφονται με βάση τις πιθανότητες.

Το κβαντικό σωμάτιο (The Quantum Particle) Θα πρέπει επίσης να εξεταστούν τις κυματικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων, και να συμπεριληφθούν οι πληροφορίες φάσης στις περιγραφές του ηλεκτρονίου Aναπαράσταση ενός ηλεκτρονίου, γνωστή ως κυματοπακέτο (wavepacket). Η θέση του ηλεκτρονίου περιγράφεται στη 1 διάσταση και η πυκνότητα πιθανότητας της θέσης είναι μια Γκαουσιανή (Gaussian). Το μιγαδικό επίπεδο περιέχει την πληροφορία φάσης.

Το κβαντικό σωμάτιο (The Quantum Particle) Απαραίτητες είναι επίσης οι βασικές αρχές της Κβαντομηχανικής Θα πρέπει ακόμη να βρεθεί η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου μέσα σε ένα ελκτικό κιβωτιόμορφο (box-shaped) δυναμικό, γνωστό και ως "τετραγωνικό φρέαρ".

Το κβαντικό σωμάτιο σε ένα «κουτί» (The Quantum Particle in a box) Για την περίπτωση «Το κβαντικό σωμάτιο σε ένα κουτί», θα εφαρμοστεί τη λύση σε αυτήν την περίπτωση του τετραγωνικού δυναμικού, και θα γίνει η εισαγωγή του απλούστερου μοντέλου του ενός ηλεκτρονίου σε έναν αγωγό, το επονομαζόμενο μοντέλο «σωμάτιο σε κουτί» ( particle in a box model ). Ο αγωγός διαμορφώνεται ως ένα ομοιογενές «κουτί».

Το κβαντικό σωμάτιο σε ένα «κουτί» (The Quantum Particle in a box) Ακόμη, εισάγεται η έννοια της πυκνότητας καταστάσεων, ώστε να μπορούμε να μετράμε τα ηλεκτρόνια σε αγωγούς. Αυτός ο υπολογισμός θα διενεργηθεί για: τις «κβαντικές τελείες» ( quantum dots ), οι οποίες είναι σημειακά σωμάτια, που είναι, επίσης, γνωστές ως 0- διαστάσεων αγωγοί, τα «κβαντικά καλώδια (σύρματα)» ( quantum wires ), τα οποία είναι ιδανικοί 1-διαστάσεων αγωγοί, τα «κβαντικά φρέατα» ( quantum wells ) τα οποία είναι 2- διαστάσεων αγωγοί, και τα συμβατικά 3-διαστάσεων υλικά (bulk materials).

Το κβαντικό σωμάτιο σε ένα «κουτί» (The Quantum Particle in a box) Η προσέγγιση σωματίου σε κουτί και αγωγοί διαφόρων διαστάσεων.

Διατάξεις Κβαντικής Τελείας δύο Τερματικών (Two Terminal Quantum Dot Devices) Εδώ, εξετάζουμε τη ροή του ρεύματος μέσω των αγωγών 0- διαστάσεων. Στο διπλανό σχήμα βλέπουμε μια διάταξη δύο τερματικών, με έναν μοριακό αγωγό. Υπό δυναμικό πολώσεως σε αυτό το μόριο, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από το υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (Ηighest Οccupied Μolecular Οrbital - HOMO).

Διατάξεις Κβαντικού Καλωδίου δύο Τερματικών (Two Terminal Quantum Wire Devices) To μοντέλο αυτό εξηγεί την αγωγιμότητα μέσω νανοκαλωδίων (νανοσυρμάτων). Εδώ, γίνεται η εισαγωγή της "βαλλιστικής" μεταφοράς (μεταγωγής) ( ballistic transport) - όπου το ηλεκτρόνιο δεν συγκρούεται με κανένα από τα συστατικά του αγωγού. Θα πρέπει να δειχτεί ότι για τα νανοκαλωδία η αγωγιμότητα είναι κβαντισμένη. Στην πραγματικότητα, η αντίσταση ενός νανοκαλωδίου με απειροστά μικρή διατομή ( 0) δεν μπορεί να είναι μικρότερη από 12,9 ΚΩ. Ακόμη, θα πρέπει να εξηγηθεί γιατί αυτή η αντίσταση είναι ανεξάρτητη από το μήκος του νανοκαλωδίου. Τέλος, θα πρέπει να εξηγηθεί η προέλευση του νόμου του Ohm και τα «κλασικά» μοντέλα μεταφοράς φορτίου.

Διατάξεις Κβαντικού Καλωδίου δύο Τερματικών (Two Terminal Quantum Wire Devices) To παρακάτω διάγραμμα που εξηγεί την αγωγιμότητα φορτίου μέσω ενός νανοκαλωδίου. Η αριστερή επαφή δίνει (διαχέει) τα ηλεκτρόνια. Η αντίσταση του σύρματος υπολογίζεται να είναι 12,9 kω και ανεξάρτητη από το μήκος του καλωδίου.

Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors) Εδώ, θα πρέπει να αναπτυχθεί η θεωρία για αυτήν την σημαντικότατη εφαρμογή. Θα πρέπει να γίνει διερεύνηση των τρανζίστορ διαφορετικών διαστάσεων και να συγκριθούν οι επιδόσεις των «βαλλιστικών» και των συμβατικών τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Θα πρέπει ακόμη να δειχτεί ότι τα συμβατικά μοντέλα των τρανζίστορ αποτυγχάνουν σε νανοκλίμακα.

Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors) Υπάρχουν τρεις τρόποι λειτουργίας σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου νανοκαλωδίου. Σε τρόπο λειτουργίας subthreshold («υπό-κατώφλι») μόνο θερμικά διεγερμένα ηλεκτρονία από την πηγή μπορεί να καταλάβουν ενεργειακές καταστάσεις στο κανάλι. Στη γραμμική περιοχή (linear), ο αριθμός των διαθέσιμων ενεργειακών καταστάσειων για αγωγιμότητα στο κανάλι αυξάνει με το δυναμικό πόλωσης πηγής-απαγωγού. Σε κορεσμό (saturation), ο αριθμός των διαθέσιμων ενεργειακών καταστάσεων του καναλιών είναι ανεξάρτητη από το δυναμικό πόλωσης πηγής-απαγωγού, αλλά εξαρτάται από το δυναμικό πόλωσης της πύλης.

Η ηλεκτρονική δομή των υλικών (Electronic Structure of Materials) Η ηλεκτρονική δομή των υλικών επιστρέφει στο πρόβλημα του υπολογισμού της πυκνότητας καταστάσεων και επεκτείνεται στο απλό μοντέλο του σωματίου σε ένα κουτί. Εδώ, θα πρέπει να εξετάσουμε τις ηλεκτρονικές ιδιότητες μεμονωμένων μορίων, καθώς και υλικών που παρουσιάζουν περιοδικότητα. Θα πρέπει να γίνουν υπολογισμοί για τα αρχετυπικά υλικά 1 και 2 - διαστάσεων, συμπεριλαμβανομένων του πολυακετυλενίου, του γραφενίου και των νανοσωλήνων άνθρακα. Τέλος, θα πρέπει να εξηγηθεί ο σχηματισμός των ζωνών ενέργειας, καθώς και η προέλευση των μετάλλων, μονωτών και ημιαγωγών.

Η ηλεκτρονική δομή των υλικών (Electronic Structure of Materials) Στο σχήμα φαίνεται η δομή ζωνών του γραφενίου. Υπάρχουν δύο επιφάνειες που άπτονται 6 διακριτών σημείων, που αντιστοιχούν σε 3 διαφορετικές κατευθύνσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσα σε ένα «φύλλο» γραφενίου (graphene sheet). Κατά μήκος αυτών των κατευθύνσεων το γραφένιο συμπεριφέρεται όπως ένα μέταλλο. Κατά μήκος των άλλων κατευθύνσεων αγωγιμότητας, το γραφένιο συμπεριφέρεται ως μονωτής.

Θεμελιώδη Όρια Υπολογισμών (Fundamental Limits in Computation) Τέλος, πρέπει να γίνει ένα βήμα πίσω και να εξεταστεί η μεγάλη (σε κλίμακα) εικόνα των ηλεκτρονικών. Θα πρέπει να επανεξεταστεί το πρόβλημα της κατανάλωσης ισχύος, και να συζητηθούν πιθανά θεμελιώδη όρια θερμοδυναμικής στον υπολογισμό. Θα πρέπει ακόμη να γίνει εισαγωγή και εν συντομία ανάλυση των εννοιών για «αναστρέψιμο» υπολογισμό χωρίς διάχυση (dissipation-less reversible computing).

Θεμελιώδη Όρια Υπολογισμών (Fundamental Limits in Computation) Π.χ., η πύλη Fredkin είναι ένα αναστρέψιμο λογικό στοιχείο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η δομική μονάδα για αυθαίρετα λογικά κυκλώματα. Το σήμα Α μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανταλλαγή των σημάτων Β και C. Επειδή η είσοδος και η έξοδος της πύλης περιέχουν τον ίδιο αριθμό bits, δε χάνεται καμία πληροφορία, και ως εκ τούτου η πύλη είναι, κατ 'αρχήν, χωρίς διάχυση (dissipation-less).

Βιβλιογραφία Marc Baldo, Introduction to Nanoelectronics, MIT OpenCourse Ware Publication May 2011. International vocabulary of metrology Basic and general concepts and associated terms (VIM) JCGM_200_2012 (www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/ JCGM_200_2012.pdf) Solenoidal field. A.B. Ivanov (originator), Encyclopedia of Mathematics. URL: http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?t itle=solenoidal_field&oldid=19139