走進(jìn)納米與科學(xué)

1、物理與光電能源學(xué)部納米與電子真空電子管（電子管）Vacuum tube晶體管（微電子器件）Transistor納電子器件Nano electronic components目錄電子器件的總介紹Electronic components電子元器件的作用function信號(hào)的加工就是按信號(hào)的內(nèi)容來改變這些參量信號(hào)加工中最基本的是放大電子器件主要處理光、電信號(hào)光、電信號(hào)的主要參量是振幅、頻率和相位 三代電子器件Electronic device真空電子管晶體管（微電子器件）納電子器件逐漸被取代升級(jí)PART 01真空電子管 Vacuum tube1904-現(xiàn)在0102真空電子管Vacuum tube弗

2、萊明約翰安布羅斯（Fleming John Ambrose，18491945），英國電氣工程師、物理學(xué)家。弗萊明于1904年研制出一種能夠充當(dāng)交流電整流和無線電檢波的特殊“燈泡”，他把它叫做“熱離子閥”，這就是世界上第一只電子管，也是人們后來所說的“真空二極管”。電子管的尺寸介于幾到幾百厘米間。真空電子管Vacuum tube音色即聲音的特點(diǎn)，由聲音波形的諧波頻譜和包絡(luò)決定。聲音波形的基頻所產(chǎn)生的聽得最清楚的聲音稱為基音，各次諧波的微小振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音稱泛音。而在泛音當(dāng)中，唯有二次、三次諧波產(chǎn)生的泛音強(qiáng)度相對(duì)最大，直接影響到聽覺感受。人耳對(duì)于偶次諧波是歡迎的，基音的偶次諧波越多，表現(xiàn)出的聽覺感

3、受就越“柔和、溫暖、醇厚”，就是人們常說的“討好耳朵”或者“聽感好”；而對(duì)于奇次諧波來說，人耳則很排斥，基音的奇次諧波成分越多，表現(xiàn)的聽覺感受越“刺耳、生硬”，即我們常說的不耐聽。電子管所具有的特性，恰恰能迎合人耳的喜好，對(duì)聲音進(jìn)行許多修飾。因此，我們會(huì)更喜歡電子管音頻放大器的聲音，這就是俗稱的“膽味”。另外還有其他原因?yàn)槭裁匆繇懼须娮庸芨芟矚g？Why？PART 02晶體管Transistor1947-現(xiàn)在沃爾特布拉頓約翰巴丁威廉肖克萊晶體管Transistor1947年第一個(gè)可正常工作的晶體管被這三位科學(xué)家發(fā)明，1956年三人共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)的晶體管很大，甚至可以直接用手組裝。

4、摩爾定律縱坐標(biāo)為取對(duì)數(shù)后的數(shù)值微電子器件的摩爾定律為由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。嵌入式處理器集成電路的芯片.mm納米場效應(yīng)晶體管.nm印制電路板. cm集成電路中的晶體管.m摩爾定律指導(dǎo)下的細(xì)微化More small7nm將是晶體管的物理極限。早在00年代，集成電路上晶體管的線寬最小尺寸就進(jìn)入50納米的范圍，很明顯單純依靠縮小尺寸的做法正走到尾聲。不過，通過其他一些技術(shù)，芯片的發(fā)展仍然符合摩爾定律的預(yù)測。在90納米時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問世。在

5、45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。不過，這些新技術(shù)也已走到末路。用于芯片制造的光刻技術(shù)正面臨壓力。目前，14納米芯片在制造時(shí)使用的是193納米波長光。光的波長較長導(dǎo)致制造工藝更復(fù)雜，成本更高。波長13.5納米的遠(yuǎn)紫外光被認(rèn)為是未來的希望，但適用于芯片制造的遠(yuǎn)紫外光技術(shù)目前仍需要攻克工程難題。 越來越難的升級(jí)Hard！晶體管的尺寸早已進(jìn)入納米級(jí)7nm為什么是物理極限為什么7納米是晶體管物理極限Maybe縮短晶體管柵極的長度可以使CPU集成更多的晶體管或者有效減少晶體管的面積和功耗，并削減CPU的硅片成本。正是因此，CPU生產(chǎn)廠商不遺

6、余力地減小晶體管柵極寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數(shù)量。不過這種做法也會(huì)使電子移動(dòng)的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過晶體管通道的硅底板進(jìn)行的從負(fù)極流向正極的運(yùn)動(dòng)，也就是漏電。而且隨著芯片中晶體管數(shù)量增加，原本僅數(shù)個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄進(jìn)而導(dǎo)致泄漏更多電子，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。為了解決漏電問題，Intel、IBM等公司可謂八仙過海，各顯神通。比如Intel在其制造工藝中融合了高介電薄膜和金屬門集成電路以解決漏電問題；IBM開發(fā)出SOI技術(shù)在在源極和漏極埋下一層強(qiáng)電介質(zhì)膜來解決漏電問題；此外，還有鰭式場效電晶體技術(shù)借由增加絕緣層的表面積來增加電容值，

7、降低漏電流以達(dá)到防止發(fā)生電子躍遷的目的.上述做法在柵長大于7nm的時(shí)候一定程度上能有效解決漏電問題。不過，在采用現(xiàn)有芯片材料的基礎(chǔ)上，晶體管柵長一旦低于7nm，晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，為芯片的制造帶來巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，尋找新的材料來替代硅制作7nm以下的晶體管則是一個(gè)有效的解決之法。ABDefinition在兩塊金屬（或半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構(gòu)成一個(gè)稱為“結(jié)”的元件。設(shè)電子開始處在左邊的金屬中，可認(rèn)為電子是自由的，在金屬中的勢能為零。由于電子不易通過絕緣層，因此絕緣層就像一個(gè)壁壘，我們將它稱為勢壘。一個(gè)高度為U0、寬為a的勢壘，勢壘右邊有

8、一個(gè)電子，電子能量為E 。隧道效應(yīng)無法用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)來解釋。因電子的能量小于區(qū)域中的勢能值U0，若電子進(jìn)入?yún)^(qū)，就必然出現(xiàn)“負(fù)動(dòng)能”，這是不可能發(fā)生的。但用量子力學(xué)的觀點(diǎn)來看，電子具有波動(dòng)性，其運(yùn)動(dòng)用波函數(shù)描述，而波函數(shù)遵循薛定諤方程，從薛定諤方程的解就可以知道電子在各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率密度，從而能進(jìn)一步得出電子穿過勢壘的概率。該概率隨著勢壘寬度的增加而指數(shù)衰減58%185,258 View90%850,258 View隧穿效應(yīng)tunnel effect1、商業(yè)上：對(duì)于PC和手機(jī)、平板電腦的CPU、GPU而言，現(xiàn)在14nm/16nm的 制造工藝已經(jīng)能將性能和功耗方面的需求平衡的很好。民用是絕對(duì)夠

9、的。英特爾正在研發(fā)的10nm制程，根據(jù)Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。更進(jìn)一步的制程需要的資金更多，現(xiàn)在科技的進(jìn)步不能像之前帶來迅速而巨大的回報(bào)。2、技術(shù)上：因?yàn)榘l(fā)熱的原因，時(shí)鐘頻率無法進(jìn)一步提升，處理器性能的提升難以被利用。超微型晶體管的問題problemPART 03納電子器件Nano electronic components未出生？0102出現(xiàn)？Born？2016年，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打破了物理極限，將現(xiàn)有的最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，完成了計(jì)算技術(shù)界的一大突破。1nm晶體管由納米碳管和二硫化鉬（MoS2）制作而成。MoS2將擔(dān)起原本半導(dǎo)體

10、的職責(zé)，而納米碳管則負(fù)責(zé)控制邏輯門中電子的流向電導(dǎo)量子化：即電導(dǎo)或電阻是量子化的，不再遵循歐姆定律。庫倫堵塞現(xiàn)象：導(dǎo)體中納米隙小于電子自由程時(shí)，會(huì)發(fā)生電子隧穿，隧穿前后隙兩側(cè)電位發(fā)生變化。普適電導(dǎo)漲落：在電導(dǎo)與電壓關(guān)系測量中，發(fā)現(xiàn)每個(gè)樣品電導(dǎo)和電壓的漲落圖都是獨(dú)特的010203量子相干性04納電子器件的四種基本現(xiàn)象COMPANY SLOGUN TEXT HERE微電子和納電子器件對(duì)比COMPANY SLOGUN TEXT HERE納電子器件材料1、納米碳管(CNT)，管狀的納米級(jí)石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級(jí)管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面碳納米管有著眾多獨(dú)特的性質(zhì)，尤其是它的電學(xué)性質(zhì)10。近幾年來，