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(lái)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(guó)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(wú)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(lái)所說(shuō)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(shuō)的“討好耳朵”或者“聽感好”；而對(duì)于奇次諧波來(lái)說(shuō)，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(shuō)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(lái)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(chǎng)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(guò)，通過(guò)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(cè)。在90納米時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問(wèn)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(guò)，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(zhǎng)光。光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)導(dǎo)致制造工藝更復(fù)雜，成本更高。波長(zhǎng)13.5納米的遠(yuǎn)紫外光被認(rèn)為是未來(lái)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(lái)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)題，Intel、IBM等公司可謂八仙過(guò)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(wèn)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(lái)解決漏電問(wèn)題；此外，還有鰭式場(chǎng)效電晶體技術(shù)借由增加絕緣層的表面積來(lái)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(zhǎng)大于7nm的時(shí)候一定程度上能有效解決漏電問(wèn)題。不過(guò)，在采用現(xiàn)有芯片材料的基礎(chǔ)上，晶體管柵長(zhǎng)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(lái)巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，尋找新的材料來(lái)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(shì)能為零。由于電子不易通過(guò)絕緣層，因此絕緣層就像一個(gè)壁壘，我們將它稱為勢(shì)壘。一個(gè)高度為U0、寬為a的勢(shì)壘，勢(shì)壘右邊有

8、一個(gè)電子，電子能量為E 。隧道效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解釋。因電子的能量小于區(qū)域中的勢(shì)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(lái)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(guò)勢(shì)壘的概率。該概率隨著勢(shì)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(lái)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(wú)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(wèn)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(guó)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(kù)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(cè)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(wú)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(lái)，