Функционалды электроника

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ

 

 

 

Электроника кафедрасы

 

 

 

 

РАДИОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОНИКА  ЖӘНЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ НЕГІЗДЕРІ 1пәнінен

 

Семестрлік жұмыс №1

 

Тақырыбы: Функционалды электроника

 

 

 

 

 

 

Орындаған: БРк-11-03 тобының

студенті Ильяс Айдос

Сынақ кіташа № 113218

Қабылдаған: Құттыбаева А.Е.  

 

 

 

 

Алматы – 2013 жыл

Жоспары:

 

Кіріспе.....................................................................................................................3

Негізгі бөлім:

а) Электроника..................................................................................................4

б) Функционалдық электроника ....................................................................5

в) Сканерлеуші туннельдік микроскоп..........................................................6

Қорытынды...........................................................................................................10

Әдебиеттер тізімі..................................................................................................11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Электроникада функционалды электроника жеке ғылым саласы ретінде  өткен ХХ ғасырдың төртінші ширегінде  дамыды. Осы саланың дамуы физика мен электроника саласында жаңа ашылулардың ағынын алып келді. Ғалымдарға вакумдағы, қатты денедегі, иондағы және плазмадағы еркін электрондар, әр түрлі күйдегі байланысқан электрондар секілді дәстүрлі ақпараттық сигнал тасушылардан басқа да, электрондардан бөлек дүние бар екені анық болды. Бұндай тасушыларға әр түрлі ортадағы түрлі типтегі толқындарды, тағы да басқаларды жатқызуға болады. Олар динамикалық біртексіз деген атауға ие. Табиғатта көп кездеседі, ғалымдар олармен ертеректен таныс.

Күнделікті өмірімізде біз  табиғатта әр түрлі толқындармен кездесеміз, олар жоғары жиілікті, төменгі  жиілікті және әр отрада әр түрлі болады. Енді әлем ғалымдарының алдында осы тектес және басқа да ерекше дүниелерді тұрмыста, өндірісте пайдалану мақсаты тұрды.

Өткен ғасырдың жетпісінші жылдарының соңында Я. А. Федотов  және А. А. Васенков бастаған советтік бір топ зерттеушілер динамикалық  біртексіздерді электрондық құрылғыларда ақпараттық сигналдарды тасушы ретінде  қолдану олардың сапасын әлде қайда жоғарлатады деген қорытындыға  келді.  Бұл сала микроэлектроникада функционалды электроника деген  атауға ие болды.

Түрлі физикалық эффекттерді  бір құрылымға интеграциялауды  зерттеу функционалды электроника  міндеттерінің ішіндегі ең бастысы. Динамикалық тұрақсыздарды түрлі  физикалық табиғатына түрлі ортада зерттеу нәтижелері физикалық интеграциялаудың жаңа мүмкіндіктерін ашуда. Функционалды электроника дәстүрлі микроэлектрониканың  схемларын жоққа шығармайды. Керісінше, күрделі функционалды интегралданған жүиелер мен құрылғыларды жасай отырып, бірін – бірі толықтырып,  интегралды электроникада бұл екі сала да дамитын болады. Бірақ функционалды электроникада берілген функцияда құрылғылар мен құралдарды қалаған параметрлерде жасауға мүмкіндік беретін функционалды электрониканың бойында қолданылмаған динамикалық тұрақсыздар өте көп.

Міне осындай артықшылықтары бар функционалды электронка бүгінде  ғылым мен өндіріс саласының  барлық бағыттарында кеңінен қолданылады. Соның, функционалды электрониканың, кейбір артықшылықтарын осы жұмыста жан – жақты ашып қарауға тырысамын.

 

а) Электроника

Электроника – ғылым мен техниканың вакуумда, газда, сұйықта, қатты дене мен плазмада, сондай-ақ олардың бір-бірімен  жанасу шекарасында байқалатын электрондық және иондық құбылыстарды зерттеуге және оларды қолдануға арналған саласы. Оның физикалық электроника және техникалық электроника деп аталатын басты екі саласы бар. Физикалық электроника электрондық және иондық құбылыстарды, электрондық және иондық приборларды, құрылғылар мен қондырғыларды құрастыру принципін, электрондық және иондық приборлардың көмегімен электр энергиясын қабылдау, түрлендіру және беру принциптерін, электрондар мен иондар ағынының затқа әсер ету механизмін теориялық және тәжірибелік жолмен зерттейді. Техникалық (қолданылмалы) электроника электрондық және иондық приборларды, құрылғылар мен қондырғыларды ғылымда, өнеркәсіпте, байланыста, құрылыста, көлікте, тағы да басқа салаларда пайдаланудың теориясы мен практикасын қамтиды. Электроника пайда болмастан бұрын электр доғасы (1802), газдағы солғын разряд (1850), катод сәулелері (1859), тағы да басқалар ашылып, қыздыру шамы (1873) құрастырылды. Ғылым мен техниканың дербес саласы ретінде электроника тек 19 ғ-дың соңы мен 20 ғ-дың басында қалыптасты. Бұл кезеңде термоэлектрондық эмиссия (1883), фотоэлектрондық эмиссия (1889) құбылыстары ашылды, электронды сәулелік түтік (1897), вакуумдық диод (1904), вакуумдық триод (1907), кристалдық детектор (1900 – 05) жасалды. Радионың ойлап табылуы (1895) электрониканың одан әрі дамуына шешуші ықпал етті. Электрониканы адамның іс-әрекетінің әр алуан саласында пайдалану нәтижесінде ой еңбегі мен дене еңбегінің өнімділігін күрт арттыруға, өндірістің экономикалық көрсеткіштерін жақсартуға, басқа тәсілдермен орындалмайтын кейбір мәселелерді шешуге мүмкіндік берді. Техникалық электроника радиоэлектроника, өнеркәсіптік электроника, көліктік электроника, медициналық электроника, геологиялық электроника, ядролық электроника, және тағы да басқа жеке салаларға бөлінеді. Ал техникалық электрониканың құрылғылары мен жүйелері ақпараттық электроника (атқарушы тетікті технологиялық процесс пен биологиялық нысанды басқару, өлшеу, қадағалау мақсатында қажетті ақпаратты қабылдау, жинақтау, өңдеу, сақтау, беру мәселелеріне арналды), энергетикалық электроника (электр энергиясын өндіру, түрлендіру және беруге арналады) және технологиялық электроника (материалдарды не бұйымдарды механикалық, термиялық, тағы да басқа өңдеу мақсатында затқа электромагниттік өрістің не бөлшектер ағынының тікелей әсер етуіне арналады) болып 3 класқа ажыратылады.

 

б) Функционалдық электроника 

Функционалдық электроника — бір қатты дене көлемінде әр түрлі сызбатехникалық функцияларды интеграциялау үшін және осындай интеграциясы бар электрондық құрылғыларды жасау үшін қатты орталардағы әр түрлі физикалық құбылыстарды пайдаланудың мәселелерін қамтитын қатты денелі электроника бағыттарының бірі. Өлшемдерін мүмкіндігінше кішірейтумен, сондай-ақ электрлі қосылған дискреттік элементтердің санын көбейтіп, нығыздалу тығыздығын арттыруға негізделген дәстүрлі микроэлектроникадан айырмашылығы — функционалдық электроникада, әдетте, нақты бір немесе басқа функцияны орындайтын элементтердің тобын бөліп көрсетуге болмайды және мұнда берілген функцияны орындауға мүмкіндік беретін ортаның қасиеттері пайдаланылады. Осы функционалдық электрониканың негізгі саласы болып табылатын бірқатар бағыттарын қарастырып өтсем.

Функционалды  акустоэлектроника – электромагниттік өрістермен және конденсацияланған орталардағы өткізгіштік электрондар мен акустикалық толқындардың өзара әрекеттесуін зерттеуге байланысты дамыған электроника саласы, сондай-ақ осы құбылыстар негізінде жұмыс істейтін акустоэлектрондық құрылғыларды жасаумен шұғылданады. Акустоэлектроника электрониканың жеке бөлімі ретінде 20-ғасырдың 60-жылдарында кадмий сульфиді кристалында ыққан өткізгіштік электрондар мен акустикалық толқындардың күшейтілу құбылысының ашылуына байланысты қарқынды зерттеулер басталғанда пайда болды. Акустоэлектрониканың шапшаң дамуы радиоэлектрондық аппаратураға арналған радио сигналдарды өндеудің қарапайым, сенімді және өте шағын құрылғыларын жасау қажеттігінен туындады. Акустоэлектроника құрылғыларының кемегімен сигналдарды уақыт бойынша түрлендіру (сигналдарды тежеу, олардың ұзақтығын өзгерту), жиілік және фаза бойынша жиілік пен спектрді түрлендіру, фаза ығысуы, амплитуда бойынша түрлендіру (күшейту, модуляция), сондай-ақ бұдан да күрделі функционалдық түрлендірулер (интегралдау, кодалау және декодалау, сигналдар корреляциясы және т.б.) іске асырылады.

Функционалды  диэлектрикалық электроника – функционалды электрониканың жеке салаларының бірі, активті диэлектриктегі құбылыстарды және эффектерді, сонымен бірге динамикалық тұрақсыздарды қолданып құрылғылар мен құралдар жасауды, ақпараттарды электрлік, магниттік және электромагниттік ортадан қорғаудың жолдарын зерттейді. 

Функционалды  жартылайөткізгіштік электроника – ақпараттарды сақтауға және түрлендіруге арналған құрылғылар мен құралдар жасауға бағытталған, физикалық өрістерде динамикалық тұрақсыздардың жартылайөткізгіштік орталармен байланысын зерттейтін функционалды электрониканың жеке салаларының бірі болып саналады.

Функционалды  магнитэлектроника – магнитөткізгіштік орталардағы  магнитэлектрондық эффектердің және пайда болуларды, магнитэлектрондық ортада динамикалық тұрақсыздарды пайдаланып құралдар мен құрылғыларды жасау мүмкіндіктері мен ақпараттарды сақтаудың жолдарын зерттейтін функционалды электрониканың жеке салаларының бірі болып саналады.

Функционалды  оптоэлектроника – оптикалық континуалдық, активті ортада динамикалық тұрақсыздардың электромагниттік өріспен өзара әрекеттестігін қарастыратын, ақпараттарды сақтайтын, түрлендіретін құрылғылар мен құралдар жасау мүмкіндігін қарастыратын функционалды электрониканың жеке салаларының бірі болып саналады.

Функционалды  молекулалы электроника – молекулалық жүйелерде ақпараттық сигналдарды тасу және сақтау жолдарын қарастырады, сонымен қатар ақпаратты сақтауға және түрлендіруге арналған құралдар мен құрылғыларды жасауға арналған молекулалы – инженерлік технологияларды жетілдіруді зерттейтін функционалды электрониканың жеке салаларының бірі болып саналады.

Электроника ғылымының жетістіктері шексіз көп, солардың бірін сканерлеуші туннельдік микроскопты қарастырып өтем.

в) Сканерлеуші туннельдік микроскоп

Микросхеманың қолданылатын элементтерінің сызықтық 
өлшемдерін кішірейту микроэлектрониканың ең негізгі мəселе- 
лерінің бірі болып табылады. Өлшемдері бірнеше немесе онда- 
ған нанометр болып келетін схемалардың элементтерін құрас- 
тыру электрониканы сапалы түрде өзгертеді жəне оны наноэлек- 
троника деп аталатын жаңа ғылыми сала зерттейді. Сонымен 
қатар элементтер жұмысының физикасы да өзгеретін болады. 
Олар негізінен кванттық механика принциптерінде жұмыс 
істейтін болады.

Интегралды наноэлектронды кванттық схемаларды құрасты- 
ру нанотехнологияның түпкі мақсаты болып табылады. Нано- 
технологияны зерттелетін үлгі бетінде наноөлшемдерге ие бола- 
тын, сонымен қатар жекелеген атомдар мен молекулалардан 
тұратын функционалды элементтерді құрастыру əдістері мен 
амалдарының қосындысы ретінде анықтауға болады. 
Жартылай өткізгіш пластинаның бетіне маска жасауды 
қосатын жəне кейіннен микролитографияны, соның ішінде рент- 
гендік, электрондық жəне иондық литографияны қолданатын 
дəстүрлі əдістерді қолдану болашақта наноөлшемді көлденең 
өлшемдері бар қатарларды қалыптастыруға мүмкіндік береді. Алайда жеке молекулалар мен атомдар негізіндегі элементтерді 
дəстүрлі жолдармен құрастыру мүмкін емес. 1980 жылы ІВМ фирмасының Швейцариядағы бөлімшесінің қызметкерлерімен бірге Г. Биннинг жəне Г. Рорермен құрастырған сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) өлшемдері 0,01нм болатын металдық жəне жартылай өткізгіш төсеніштер 
зақымданбай бақылауға жəне анализдеуге мүмкіндік берді. Сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) көмегімен атомдық ажырату қабілеті арқылы өткізгіш Туннельдік-зондтық нанотехнологияның физикалық негіздері 
материал болып келетін əртүрлі монокристалдық жəне 
поликристалдық материалдардың бет бедерінің бейнелері 
алынған болатын, қатты денелердің бет бедерлерін зерттеудің 
жаңа əдістері ойлап табылды.

Сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) жұмыс істеу принципі қарапайым: сканерлеуші туннельдік зонд үш координаталы пьезоқұрал ішіне орнатылған жəне зерттелетін үлгі бетіне перпендикуляр орнатылатын метал- 
дық ине тəріздес электрод ретінде келеді. Пьезоқұрал арқылы 
зонд туннельдік ток пайда болғанға дейін үлгінің бетіне қарай 
жылжитын болады. Бұл туннельдік ток зонд пен үлгі бетінің 
арасындағы саңылау жəне электродтар арасындағы кернеумен 
анықталатын болады. Егер де туннельдік ток жəне кернеу тұ- 
рақты болса, онда зонд арқылы сканерлеген кезде зерттеліп 
отырған үлгінің бет бедері туралы əртүрлі ақпарат алуға болады. 
СТМ зерттелетін материалдардың бет бедерінің физикасын 
атомдық деңгейде зерттеудегі таптырмайтын құрал болып келеді. 
Туннельдік микроскопия əртүрлі процестерді, соның ішінде хи- 
миялық немесе иондық өңдеу процестері кезіндегі материалдар 
бет бедерлері құрылымының өзгеруін, сонымен қатар пленкалар- 
ды алудағы əртүрлі процестерді зерттеуге мүмкіндік берді. Туннельдік микроскопты ойлап тапқан ғалымдар бірінші 
болып оны туннельдік зондтан материалдың булануы арқылы 
өткізгіш төсенішін алуға болатыны туралы жария еткен.

Кейінгі зерттеу жұмыстары  Сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) негізінде зондтық нанотехнология сияқты жаңа технологияны дамытуға болатынын көрсетті. Бұл технологияның негізінде туннельдік зондты əртүрлі үлгілер бетіне кейбір объектілерді өрнектеу, сонымен қатар ол объектілерді нанометрлік аймақтарда қалыптастыру үшін қолдануға 
болады.

Зонд əртүрлі материалдардың бет бедерлерін зерттеу үшін 
айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізуге мүмкіндік берді. Зонд 
айтарлықтай сезімтал арқалыққа (зонды бар арқалық жəне оның 
ұстағышы кантилевер деп аталады) бекітілетін сканерлеуші 
атомдық-күштік микроскоптар (АКМ) құрастырылған болатын. Атомдық-күштік микроскоптар диэлектрлік үлгілердің бет 
бедерін атомдық ажырату қабілетімен зерттеуге мүмкіндік 
береді. Туннельдік-зондтық нанотехнология (ТЗН) екі негізгі бағыт 
бойынша дами бастады: ультражоғары вакуумды нанотехно- 
логия жəне атмосфералық қысымдағы газдар мен сұйықтардағы 
нанотехнология, себебі жоғары вакуумда да, атмосфералық 
жағдайларда да жұмыс істейтін СТМ құрастырылған болатын. 
Жоғары вакуумды ТЗН негізгі артықшылықтары ретінде 
жекелеген молекулалар мен атомдардың орын ауыстыруына 
байланысты əрекеттер жасауға мүмкіндік беретін таза көлемдегі 
таза үлгілермен жұмыс істеу мүмкіндігін айтып кетуге болады. 
Алайда ине тəріздес электрод пен үлгі арасындағы массалық 
тасымал, молекулалар мен атомдардың үлгі бетінде жинақта- 
луы, олардың электродтар аралық саңылаудан алыстауы жəне 
қоспалардың вакуумдық көлемнен келіп түсуі үлгінің бет бедері 
мен көлем ішіндегі жағдайларға əсер етуі мүмкін. Газдар мен 
сұйықтардағы ТЗН концепциясы бойынша белгілі бір талаптарға 
сай етіп таңдалып алынған ультражоғары жиілікті техноло- 
гиялық тасымалдағыштар арқылы терең вакууммен байланыс- 
қан нанотехнологиядан кейбір параметрлер бойынша кем түс- 
пейді. Бұл жағдайдағы əсер ету объектілері ретінде жекелеген 
атомдар мен молекулалар емес, өлшемдері 10-30 нм болатын 
объектілер болып келетін, мысалы, кластерлер. Жоғары ва- 
куумдымен салыстырғанда газдар мен сұйықтардағы ТЗН өнер- 
кəсіп пен технологияда айтарлықтай ерекшеліктерге ие болады. 
Маскалар мен шаблондарды қолданатын жоғары деңгейлі 
ажырату қабілеті бар дəстүрлі литография микротехнологиядан 
субмикротехнологияға əкеледі, ал болашақта нанотехнологияға 
əкелуі мүмкін. Зондтық микроскоптар олардың негізінде туннельдік-зондтық нанотехнологияны жүзеге асыру үшін қажетті құралдар жасауға мүмкіндік береді. Нанотехнологияға өтудің осындай жолы ТЗН процесін бір уақытта бақылауға жəне жүзеге асыруға мүмкіндік беретінін атап айту керек.