Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

Введение

Уже на "микроэлектронном" этапе развития на кристаллах кремния с помощью МДП технологии формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и интегральные устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для организации каналов связи, высокоэффективные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры и актуаторы, и т.д. На "наноэлектронном" этапе развития появились возможности дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения. В этой лекции мы расскажем вам об основных из этих новых возможностей.

АЦП конвейерного типа

Начнем с преобразователей формы информации – аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП). Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу таких устройств и реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные АЦП конвейерного типа, принцип построения которых показан на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Блок-схема АЦП конвейерного типа: ЗАС1 і ЗАС2 – узлы запоминания аналогового сигнала; УВ – узел вычитания и усиления разностного сигнала; ПРг – промежуточный регистр

Входной аналоговый сигнал (Вх) в первом такте работы фиксируется в узле ЗАС1 и передается на вход первого параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП1). В нем происходит первое, относительно грубое, но быстрое преобразование аналогового сигнала, подаваемого на вход (Вх), в 8-разрядный цифровой код, который определяет лишь старшие 8 разрядов конечного выходного кода. Этот код старших разрядов фиксируется в промежуточном регистре (ПРг) и одновременно подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Аналоговый сигнал с выхода ЦАП подается на отрицательный вход узла вычитания и усиления разностного сигнала (УВ). На положительный вход этого узла подается входной аналоговый сигнал из узла ЗАС1. Сигнал разности усиливается точно в 256 раз, передается и фиксируется в узле ЗАС2, из которого во втором такте поступает на вход второго параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП2). В нем происходит быстрое преобразование разности в 8-разрядный цифровой код, определяющий младшие 8 разрядов конечного выходного кода. На третьем такте 8 старших разрядов из промежуточного регистра (ПРг) и 8 младших разрядов из АЦП2 передаются и фиксируются в выходном регистре, откуда могут считываться внешними электронными узлами.

В АЦП такого типа удается сочетать высокую скорость аналого-цифровых преобразований с достаточной их точностью. Уже выпускаются серийно, например, 16-разрядные наноэлектронные КМДП АЦП конвейерного типа, обеспечивающие скорость до 200 млн. преобразований/с. Быстродействие АЦП конвейерного типа меньшей разрядности (8 и 10) превышает уже 2 млрд. преобразований/с.

Потребность в таких быстрых АЦП возникла, например, при обработке видеосигналов. В 16-мегапиксельной фоточувствительной матрице, упомянутой в "Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах " (п. 5.6.4), для преобразования в цифровые коды аналоговых сигналов, поступающих от нее с частотой 60 кадров/с, требуется скорость преобразований/с. Применяют такие сверхбыстродействующие АЦП не только при обработке видеоизображений, но и в быстродействующих измерительных приборах (спектроанализаторах, цифровых осциллографах, исследовательских установках в ядерной физике и физике высоких энергий), в новейших медицинских приборах, таких, например, как компьютерные томографы, и т.д. Все шире начали их применять и в телекоммуникациях. Ведь появилась возможность непосредственно превращать в цифровые коды сигналы довольно высоких частот, например, промежуточных частот в телерадиоприемниках. При этом отпадает потребность в узлах супергетеродинов, поскольку намного лучшие результаты дает цифровая обработка таких сигналов в быстродействующих сигнальных процессорах. Это открыло путь к широкому применению быстрых наноэлектронных АЦП в цифровом телевидении и в сетях телевидения высокой четкости.

На "наноэлектронном" этапе развития появилась возможность формировать довольно точные АЦП и ЦАП на одном кристалле с КМДП микропроцессором. Предлагаются на рынке и стали широко применяться высокоэффективные микроконтроллеры и микроконверторы, которые наряду с цифровыми входами/выходами имеют и высокоточные аналоговые.

Химически чувствительные полевые транзисторы и сенсоры на их основе

Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии получили признание и начали широко применяться "химически чувствительные полевые транзисторы". Структура таких транзисторов показана на рис. 7.1. От обычных КМДП транзисторов они отличаются тем, что электрод затвора (З) здесь "плавающий", и на него нанесен химически чувствительный слой (ХЧС). Материал этого слоя должен избирательно взаимодействовать и присоединять к себе заданный химический "аналит" (химическое вещество: молекулы, ионы, комплексы), наличие которого надо выявить и определить его концентрацию.

Рис. 7.2. Структура химически чувствительных полевых транзисторов с каналом n-типа (слева) и p-типа (справа): ЭИ – электрод истока; ХЧС – химически чувствительный слой; З – затвор; КР – контролируемый раствор; ЭС – электрод стока; ПД – подзатворный диэлектрик

Когда в углубление над ХЧС заливают контролируемый раствор (КР), то его компоненты вступают в контакт с ХЧС. Если среди них имеется аналит, он химически присоединяется к ХЧС, вследствие чего изменяется электрический потенциал затвора (З) и соответственно электрический ток, который течет сквозь транзистор.

Транзисторы с каналом -типа более чувствительны к аналитам с положительным электрическим зарядом (катионам), а транзисторы с каналом -типа – к аналитам с отрицательным электрическим зарядом (анионам).

Во многих случаях металлический "плавающий" затвор над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль исправно выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою.

Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные известные виды электрохимических анализов.

Чем меньше размер химически чувствительного полевого транзистора, тем меньший электрический заряд и, следовательно, меньшее количество молекул (атомов, ионов) аналита требуется для того, чтобы существенно изменить электрический ток сквозь транзистор. Таким образом, уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров.

Если на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора методами биоинженерии высадить живую клетку, выборочно реагирующую на то или иное внешнее влияние, и если эта ее реакция заметно влияет на электрический ток сквозь транзистор, то получаем микроэлектронный или наноэлектронный биосенсор, чувствительный к соответствующему внешнему влиянию. Высаживая на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора антитело к возбудителю определенной болезни, можно получить чувствительный иммуносенсор, позволяющий выявить наличие в контролируемом растворе инфекции соответствующего вида.

"Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электронной обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую самокалибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи. Это открыло путь к созданию функционально завершенных химических и биохимических "лабораторий на чипе".