Область электроники, занимающаяся разработкой технологических и физических основ построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроникой. Сам термин «наноэлектроника» отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются единицами микрометров, к более мелким элементам - с размерами в десятки нанометров.
Каждый из нас ежедневно пользуется электроникой, и наверняка многие люди уже замечают некоторые однозначные тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры становятся производительнее, размеры устройств уменьшается. С чем это связано?
В первую очередь — с изменением физических размеров элементов микросхем, из которых все электронные устройства по сути и строятся. Хоть физика процессов остается на сегодняшний день приблизительно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, а нанотранзистор - и работает быстрее, и энергии потребляет меньше.
Современные нанотехнологии на видео:
Известно, что все вещественные тела состоят из атомов. И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые просто принципиально невозможно решить.
Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему монослойные материалы (смотрите статью - ). Такие материалы в один атом толщиной обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.
Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?
Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.
Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.
ВВЕДЕНИЕ. 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРОСЛУШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ.. 6
1.1. История создания. 10
1.2. Основные виды прослушивающих устройств. 12
2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРОСЛУШИВАНИЯ.. 19
2.1. Микрофоны.. 19
2.2. Жучки. 26
3. ЗАЩИТА ОТ ПРОСЛУШИВАНИЯ.. 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ГЛОССАРИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Мы живем во время интерактивных технологий, когда информация стала самым дорогим товаром. Сейчас, дабы получить необходимые сведения, используют любые средства.
Теперь установка разнообразной прослушивающей аппаратуры (жучков, телефонных жучков, других средств) не является привилегией разведки, правоохранительных органов – это может сделать каждый...
Речь идет о способах скрытого прослушивания помещений посредством технических средств. Как правило, оно осуществляется при помощи телефона, направленных, контактных микрофонов, разнообразных радио закладок. Конституция РФ (гл.2, ст. 23) допускает ограничение права гражданина на неприкосновенность частной жизни при наличии санкции суда, но этот принцип повсеместно нарушается. Виной тому не только повышенная криминализация нашего общества, но также вытекающая отсюда потребность самозащиты граждан.
Желание узнать чужие тайны присутствовало у человека всегда. Если до XX века профессионалам, любителям приходилось довольствоваться перлюстрацией писем, потайными комнатами, позволявшими незримо присутствовать при интересном разговоре, то сегодня поле их деятельности стало поистине огромным. Впервые о «жучках» громко заговорили в 1972 году на территории США, когда группа «активистов», используя содействие представителей предвыборного штаба президента Никсона тайно проникла в штаб-квартиру кандидата от Демократической партии. Не найдя интересных бумаг, взломщики оставили там несколько радиомикрофонов - жучков, желая знать, о чем говорят конкуренты по выборам.
Сейчас прослушивание чужих разговоров доступно всем: никакие сложные технологии для изготовления миниатюрных микрофонов не используются, любой мало-мальски грамотный специалист сможет собрать такой аппарат за несколько часов. Основным техническим средством прослушивания уже много лет остается обыкновенный жучок, радиомикрофон. Изменяются только его размеры, причем главной особенностью каждой конкретной модели жучка является способ маскировки. Основная тенденция последних лет - миниатюризация всей полупроводниковой техники. Наиболее широко для получения информации о содержании разговоров используются перечисленные ниже средства.
Курсовая работа заключается в изучении, анализе и описании существующей информации на тему принципа работы специальных устройств прослушивания.
Целью работы является изучение принципа работы специальных устройств прослушивания.
Объектом исследования является устройства прослушивания.
Предметом исследования является техника и методы принципа работы специальных устройств прослушивания и защита от них.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть понятие устройства прослушивания.
2. Изучить историю и развитие устройств прослушивания.
3. Описать техники и методы устройств прослушивания.
4. Описать методы защиты устройств прослушивания.
Для решения поставленных задач были применены следующие общепринятые методы исследования: анализ информации по проблеме исследования и структуризация полученного в ходе анализа материала.
Курсовая работа состоит из введения, трех разделов, заключения и библиографического списка. Пояснительная записка оформлена на 38 страницах, библиографический список состоит из 20 источников.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРОСЛУШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Бурное развитие техники, технологии, информатики в последние десятилетия вызвало еще более бурное развитие технических устройств и систем разведки. В самом деле, слишком часто оказывалось выгоднее потратить N-ю сумму на добывание, например, существующей уже технологии, чем в несколько раз большую на создание собственной. А в политике или в военном деле выигрыш иногда оказывается просто бесценным.
В создание устройств и систем ведения разведки вкладывались и вкладываются огромные средства во всех развитых странах. Сотни фирм многих стран активно работают в этой области. Серийно производятся десятки тысяч моделей «шпионской» техники. Эта отрасль бизнеса давно и устойчиво заняла свое место в общей системе экономики Запада и имеет прочную законодательную базу.
В западной печати можно найти весьма захватывающие документы о существовании и работе международной организации промышленного шпионажа «Спейс Инкорпорейтед» а заодно и познакомиться со спектром услуг, предлагаемых этой компанией. Так, английская газета «Пипл» сообщает, что среди клиентов компании есть не только промышленники, но и организованные преступные группировки. Как и любой бизнес, когда он выгоден, торговля секретами расширяет область деятельности, находя для своего процветания выгодную почву. Так, в Израиле, по примеру США, начинают относится к ведению разведки в экономической области как к выгодному бизнесу.
В качестве подтверждения можно привести факт создания бывшим пресс-секретарем израильской армии Эфраимом Лапидом специализированной фирмы «Ифат» по сбору и анализу сведений, которые могли бы заинтересовать различных заказчиков (не исключая и министерство обороны). По мнению Э. Лапида, Израиль, отличающийся большим спектром международных связей, выбором иностранной печати и удачным геополитическим положением, является «удобным» государством для организации и ведения «бизнес - разведки».
Французский журнал деловых кругов «Антреприз» так характеризует национальные черты промышленного шпионажа: «...наиболее агрессивными являются японцы. Шпионаж на Востоке носит систематический и централизованный характер. Что касается американцев, то они уделяют значительную часть своего времени взаимному шпионажу...»
Тематики разработок на рынке промышленного шпионажа охватывают практически все стороны жизни общества, безусловно ориентируясь на наиболее финансово выгодные.
В России после 1917 года ведение коммерческой разведки находилось под строгим контролем государства. В Советском Союзе в этой области были сосредоточены великолепные, если не сказать лучшие, специалисты. Выдающимся достижением было и останется на многие годы чудо технической разведки - здание посольства США в Москве, превращенное в огромное «ухо», в котором каждый вздох, каждый шорох был доступен для записи и анализа. Датчики находили даже в сварных стальных конструкциях здания, причем по плотности материала они соответствовали окружающему металлу и были недоступны для рентгеновского анализа. Эти системы были способны функционировать автономно десятки лет. Американцы вынуждены были отказаться от использования этого здания, даже несмотря на то что бывший глава КГБ Вадим Бакатин передал им схему построения этой системы.
Крушение СССР и развитие свободной рыночной экономики возродило спрос на технику подобного рода. Сказавшиеся без работы специалисты военно-промышленного комплекса не замедлили предложить своп услуги и в этой области. Спектр услуг широк: от примитивных радиопередатчиков до современных аппаратно-программных комплексов ведения разведки. Конечно, у нас нет еще крупных фирм, производящих технику подобного рода, нет и такого обилия моделей, как на Западе, но техника наших производителей вполне сопоставима по своим данным с аналогичной западной, а иногда лучше и дешевле. Разумеется, речь идет о сравнении техники, которая имеется в открытой продаже.
Естественно, аппаратура, используемая спецслужбами (ее лучшие образцы) намного превосходит по своим возможностям технику, используемую коммерческими организациями. В качестве примера можно привести самый маленький и самый дорогой в мире радиомикрофон, габариты которого не превышают четверти карандашной стерательной резинки. Этот миниатюрный передатчик питается от изотопного элемента и способен в течение года воспринимать и передавать на приемное устройство, расположенное в полутора километрах, разговор, который ведется в помещении шепотом. Кроме того, уже сейчас производятся «клопы», которые могут записывать перехваченную информацию, хранить ее в течение суток или недели, передать в режиме быстродействия за миллисекунду, стереть запись и начать процесс снова.
В уже упоминавшемся новом здании американского посольства элементы радиозакладок были рассредоточены по бетонным блокам, представляя собой кремниевые вкрапления. Арматура использовалась в качестве проводников, а пустоты - в качестве резонаторов и антенн. Анализируя опыт развития подобной техники, можно сделать вывод, что возможность ее использования коммерческими организациями является только делом времени. Выделим основные группы технических средств ведения разведки.
· Радиопередатчики с микрофоном (радиомикрофоны):
С автономным питанием;
С питанием от телефонной линии;
С питанием от электросети;
Управляемые дистанционно;
Полуактивные;
С накоплением информации и передачей в режиме быстродействия.
· Электронные «уши»:
Микрофоны с проводами;
Электронные стетоскопы (прослушивающие через стены);
Микрофоны с острой диаграммой направленности;
Лазерные микрофоны;
Микрофоны с передачей через сеть 220 В;
Прослушивание через микрофон телефонной трубки;
Гидроакустические микрофоны.
· Устройства перехвата телефонных сообщений:
Непосредственного подключения к телефонной линии;
Подключения с использованием индукционных датчиков (датчики Холла и др.);
С использованием датчиков, расположенных внутри телефонного аппарата;
Телефонный радиотранслятор;
Перехвата сообщений сотовой телефонной связи;
Перехвата пейджерных сообщений;
Перехвата факс-сообщений;
Специальные многоканальные устройства перехвата телефонных сообщений.
· Устройства приема, записи, управления:
Приемник для радиомикрофонов;
Устройства записи;
Ретрансляторы;
Устройства записи и передачи в ускоренном режиме;
Устройства дистанционного управления.
· Видеосистемы записи и наблюдения.
· Системы определения местоположения контролируемого объекта.
· Системы контроля компьютеров и компьютерных сетей.
История создания
В начале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Г. Михальский в 1878 и П. М. Голубицкий в 1883. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.
Конденсаторный микрофон был изобретён американским учёным Э. Венте в 1917 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.
Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных - более приемлемыми электрическими свойствами.
Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (ок. 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной записи благодаря чрезвычайно высоким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли Ома), что значительно осложняло проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют большие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.
Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.
В 1931 году американские учёные Э. Венте и А. Терас изобрели динамический микрофон с катушкой, приклееной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки Ом и сотни кило Ом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым.
Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).
Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерным для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.
Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. XX века по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаОм и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы.
Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.
Похожая информация.
Самодельное шпионское и охранное оборудование
А. С. Уваров
Радиоконструктор, 2001 год , № 3, стр 24- 25
Внимание!!! Применение подобных устройств может быть расценено как противоправное (вмешательство в личную жизнь, промышленный шпионаж и так далее) и может повлечь ответственность! Поэтому данное устройство было разработано автором исключительно в целях проверки эффективности способов защиты от подобных прослушивающих устройств.
Как известно утечка информации может иметь очень негативные последствия и поэтому возникает множество вопросов относительно защиты от различных подслушивающих устройств.
Как известно способов прослушки может быть несколько- тайное подключение к телефонной линии, направленные или радиомикрофоны. Способы борьбы с такими устройствами более-менее известны- это и различные блокираторы телефонных линий, шифраторы речи и приборы для поиска жучков.
Однако существует и еще один способ прослушки- это съем информации с оконного стекла. Как известно во время разговора возникают звуковые волны, которые и вызывают микровибрацию стекол на окнах. Если на стекло направить инфракрасный источник излучения, то отраженный сигнал будет промодулирован речевой информацией.
От данного способа шпионажа существует способ защиты и он достаточно прост- нужно просто заставить оконное стекло немного вибрировать и тогда съем информации с него будет не возможен.
Чтобы проконтролировать эффективность защиты от подобных способов прослушки, автором и был создан данный прибор: это устройство для съема речевой информации с оконного стекла работающее в инфракрасном диапазоне.
Устройство состоит из двух частей: генератор инфракрасных импульсов (рисунок 1) и устройство для приема отраженного сигнала (рисунок 2).
Если Вас заинтересовала данная схема, то Вы можете ознакомиться с нею более подробно в журнале-источнике, скачав его в нашей бесплатной библиотеке (ссылка в начале страницы).
Шишкин Г. Г., Агеев И. М.
Рассматриваются особенности квантовых компьютеров, электронных устройств на сверхпроводниках, а также приборов нанобиоэлектроники. Каждая глава снабжена контрольными вопросами и заданиями для самоподготовки.
Для студентов технических вузов, аспирантов, преподавателей и практических специалистов в области электроники.
Издательство: БИНОМ. Лаборатория знаний
Год издания: 2011
Формат: 60x90/16
Страниц: 408
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Раздел 1. Физические и технологические основы
наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Глава 1. Теоретические основы наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Основные положения квантовой механики,
используемые в наноэлектронике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Момент импульса и спин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.3. Магнитный резонанс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4. Туннельный переход через потенциальный барьер. . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5. Квантовые потенциальные ямы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6. Интерференционные эффекты в наноструктурах. . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Элементы зонной теории и транспортные явления
в наноразмерных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
1.8. Сверхрешетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Плотность энергетических состояний
в низкоразмерных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.10. Одноэлектроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Физические основы спинтроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Глава 2. Физические свойства наноструктур
и наноструктурированных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1. Классификация низкоразмерных структур и наноматериалов. . . . . . . . . 54
2.2. Свойства двумерных структур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3. Свойства одномерных структур и материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
2.4. Свойства углеродных наноструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Свойства наночастиц и материалов с наночастицами. . . . . . . . . . . . . . . . .92
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Глава 3. Технология создания наноматериалов
и наноструктур и методы их диагностики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1. Методы диагностики нанообъектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
Эпитаксиальные методы создания тонких пленок
и гетероструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
3.3. Технология создания квантовых точек и нитей. . . . . . . . . . . . . . . . 112
Основные технологические методы создании
углеродных наноматериалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
3.5. Методы зондового сканирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Нанолитография. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Раздел 2. Наноэлектронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Глава 4. Полупроводниковые гомо+ и гетероструктуры
и приборы на их основе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1. Электрические гомо+ и гетеропереходы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
4.2. Туннельные диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
4.3. Биполярные транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
Полевые транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
Глава 5. Наноэлектронные приборы на основе
квантово+размерных структур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.1. Резонансно+туннельные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.2. Одноэлектронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.3. Спинтронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.4. Полупроводниковые фотоприборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды. . . . . . . . . . . 290
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Глава 6. Базовые логические элементы квантовых компьютеров. . . . . . . 318
6.1. Общие сведения о квантовых компьютерах. . . . . . . . . . . . . . . . . .318
Базовые элементы полупроводникового кремниевого
квантового компьютера на основе ядерно+магнитного
резонанса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .324
Базовые элементы для квантовых компьютеров
на квантовых точках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Логические элементы квантовых компьютеров
на сверхпроводниках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341
Глава 7. Сверхпроводимость и электронные устройства
на сверхпроводниках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
7.1. Основные свойства сверхпроводящего состояния. . . . . . . . . . . . . 342
7.2. Сверхпроводники 1+го и 2+го рода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355
Джозефсоновские переходы и их модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364
7.4. Аналоговые сверхпроводниковые устройства. . . . . . . . . . . . . . . . 374
Криотроны, логические элементы и элементы памяти
на джозефсоновских переходах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383
Электронные устройства, использующие ВТСП. . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Глава 8. Нанобиоэлектроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
8.1. Общие положения и термины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
8.2. Электропроводные свойства ДНК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394
8.3. Приборы на основе биоэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Конечный биоавтомат Шапиро. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404
Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств и приборов.
Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия интегральных схем (ИС). Планарная технология приближается к фундаментальным пределам, определяемым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще чуть-чуть”, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между проводящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простреливаться” в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта.
Другие проблемы – отвод тепла, выделяемого элементами ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу или превышающий его.
В связи с этим, рассматриваются различные пути преодоления трудностей, связанных с нанометровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль электронов частично или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные
электронные устройства. Для реализации приборов с квантовой связью или устройств оптической обработки информации могут быть использованы квантовые плоскости на основе множества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) полупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны породило новое направление в электронике – нанофотонику.
Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благодаря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно-полупроводниковом оптическом чипе мы получим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных.
Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические полупроводники дадут возможность осуществлять прямое преобразование квантовой информации из электронного представления в оптическое и обратно минуя процесс детектирования.
Еще одна альтернатива – углеродная наноэлектроника, где ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным нанотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок является возможность управления их физико-химическими свойствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси.
Всего лишь правильно изогнув нанотрубку в нужном месте, можно с легкостью получить проволоку нанометрового диаметра, как с металлическим, так и с полупроводниковым типом проводимости. При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины, – канал нанотранзистора. В настоящее время зарубежные компании массово производят 65-нанометровые чипы. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказали свою работоспособность.
Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используется во многих бытовых приборах.
Принцип работы выключателя прост – при подаче напряжения на устройство между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника (рис. 5). Длина мостика, по которому протекает ток, – всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Транзистор, изготовленный на основе этого ключа, будет вдесятеро меньше транзистора, используемого в современном процессоре Pentium IV. Поэтому наноэлектроника на основе новых квантовых переключателей может вытеснить современную уже через 10 лет. В отличие от обычных механоэлектрических переключателей у нано-аналога нет движущихся механических частей. Перемычка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них напряжения.
Мостик, состоящий из атомов серебра, формируется, когда между шинами возникает небольшая положительная разность потенциалов. А когда это напряжение меняет знак, мостик разрушается. Устройство работает при комнатной температуре. Прототип, изготовленный учеными, переключается с частотой около 1 мегагерц (или миллион раз в секунду) при разнице потенциалов между шинами 0,6 В. Частота переключений устройства связана с толщиной шин. Если их еще уменьшить, то можно достичь частоты в 1 гигагерц. Этот частотный предел использует современная электроника.
Рис 5. Матрица квантовых наноключей.
Секрет формирования серебряного мостика состоит в составе нанопроводников шин. Один проводник состоит из сульфида серебра, покрытого тонким слоем чистого серебра. Второй – из платины, тоже покрытой чистым серебром. При возникновении между шинами положительной разности потенциалов атомы серебра “собираются” в мостик длиной 1 нанометр, а при изменении знака напряжения мостик разрушается и атомы возвращаются в прежнее состояние.
Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции устройства емкость памяти на его основе будет больше той, которая существует сейчас. Если же использовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость одного слоя составит 2.5 гигабит на квадратный сантиметр, в то время как самые “сверхплотные” чипы памяти характеризуются емкостью в 1 гигабит на квадратный сантиметр.
То, что новое устройство работает по законам квантовой физики, позволяет создавать на его основе многобитную память. Как известно, в квантовой физике различные энергетические состояния квантуются, принимая определенные дискретные состояния. Поэтому один ключ может представлять 16 состояний, или 4 бита.
Исследователи смогли сконструировать логические ячейки И, ИЛИ и ИЛИ-НЕ на основе нового ключа. Все логические устройства показали хорошие рабочие характеристики. Теперь ученые разрабатывают методы серийного производства матрицы квантовых ключей.
Наиболее революционные достижения наноэлектроники приближаются к квантовым пределам, установленным самой природой. Основу таких устройств составляет, например, работа одного электрона, имеющего два дискретных спиновых состояния. Но этой основе можно было бы построить квантовый компьютер, ведь для оперирования в двоичной системе исчисления достаточно реализовать элементы, способные иметь два устойчивых, стабильных во времени состояния, условно соответствующих логическим “0” и “1”, и допускать достаточно быстрые переключения между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле – переход с одного атома на другой). Другая возможность – переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое с помощью, например, воздействия на него электромагнитного поля (этими исследованиями занимается научное направление – спинтроника).
Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера.
В обычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано - собственные моменты частиц ориентированы хаотично (рис. 6, а). Спинтроника же использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 6, б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла более чем в сто раз.
Рис. 6. Возможные направления ориентация спинов
В будущем развитие спинтроники сулит производство компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (1012 операций в секунду), плотность записи информации порядка 103 Тбит/см 2 , что на много порядков выше, чем сегодня. При такой плотности записи на диске размером с наручные часы можно было бы разместить базу данных, включающую фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жителей Земли.
Третье перспективное направление развития нанотехники, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни кажется парадоксальным, от электронных устройств к механическим компьютерам.
Обычный механический компьютер с элементами макроскопического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз медленнее, им нужно было бы “преодолевать” путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэтому простой механический нанокомпьютер был бы более быстродействующим.
Прототип такого устройства уже существует. Компанией IBM создана удивительная “многоножка”, которая стала первым квантовым коммерческим устройством хранения данных.
Устройство состоит из записывающей матрицы манипуляторов и среды хранения информации, включающей в себя 4096 “ножек” (рис. 7), выполненных как устройства чтения/записи (подобные “ножки” – кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно-силовывх микроскопах).
Рис. 7. «Многоножка» под оптическим микроскопом.
“Многоножка” – не простой жесткий диск, где головки не прикасаются к магнитной поверхности, она представляет собой “чистую” цифровую технологию. Принцип ее работы можно сравнить с работой старых проигрывателей граммпластинок, в которых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несущей информацию, только у “многоножки” есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверхности хранения данных, на которой есть углубления, кодирующие „1” и „0” (рис. 8).
Рис. 8. “Многоножка” считывает информацию.
Таким образом, отклонения кантилеверов от равновесного положения переводятся в набор „0” и „1”.
Ведутся исследования и в области биоэлектроники. В отличие от обычных, биологические компьютеры могут выполнять одновременно не одну, а много программ. Израильские ученые создали компьютер, состоящий из одних только ДНК и энзимов, способный параллельно выполнять 1 млрд. программ без вмешательства оператора для обработки результатов. Применять такой компьютер планируют для одновременного биохимического анализа множества веществ и для шифрования больших изображений.
Ноутбук
