Приборы криоэлектроники, молекулярной электроники и биоэлектроники

1. Приборы Криоэлектроники, Молекулярной Электроники и Биоэлектроники

ПРИБОРЫ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ,
МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
И БИОЭЛЕКТРОНИКИ
Передовые направления современной электроники
Студенты: Шилец К., Криволап К., Руснак А.

2. Введение

ВВЕДЕНИЕ
• Современная электроника включает в себя:
• Криоэлектроника: Улучшение характеристик при сверхнизких
температурах.
• Молекулярная электроника: Миниатюризация до уровня отдельных
молекул.
• Биоэлектроника: Интеграция электроники с биологическими
системами.

3. Что такое Криоэлектроника?

ЧТО ТАКОЕ КРИОЭЛЕКТРОНИ
Криоэлектроника: Электроника Холода
- раздел электроники, изучающий и
использующий физические явления,
возникающие при низких температурах
(обычно, близких к температуре жидкого гелия
– 4.2 K). Основной целью является создание
электронных устройств с улучшенными
характеристиками, которые невозможно
достичь при комнатной температуре.

4. Разнообразие Криоэлектронных Приборов

РАЗНООБРАЗИЕ
КРИОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
Широкий спектр устройств:
• Запоминающие и логические устройства (ВТ).
• СВЧ-компоненты: генераторы, усилители,
резонаторы, фильтры, детекторы, переключатели,
линии задержки.
• Измерительные приборы.
• Охлаждающие системы и герметичные оболочки.

5. Основные Группы Криоприборов

ОСНОВНЫЕ ГРУПП
КРИОПРИБОРОВ
• Приборы квантовой
метрологии:
Эталоны физических
величин.

6. Основные Группы Криоприборов

ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ
КРИОПРИБОРОВ
Низкочастотные измерительные
приборы:
• СКВИДы (SQUID) - сверхпроводниковые
квантовые интерферометры для
измерения
• сверхслабых магнитных полей.

7. Основные Группы Криоприборов

ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ
КРИОПРИБОРОВ
• СВЧ-устройства и цифровые приборы:
• Пассивные СВЧ (усилители, смесители, болометры).
• Цифровые и импульсные устройства (логика, память,
АЦП).

8. Криотроны: Переключатели на Холоде

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА
ХОЛОДЕ
• Элементы логических, запоминающих и
переключательных устройств.
• Принцип: Управление сверхпроводимостью одного
проводника магнитным полем другого.
• Типы: Проволочные -> Пленочные -> Туннельный
криотрон (Криосар, 1967) на эффекте Джозефсона.
• Позволяют создавать криоэлектронные БИС.

9.

10. Усилители: Низкий Шум, Высокое Усиление

УСИЛИТЕЛИ: НИЗКИЙ
ШУМ, ВЫСОКОЕ
УСИЛЕНИЕ
• Преимущества: Ничтожно малый уровень шумов, широкая полоса
пропускания (десятки ГГц), высокое усиление (до 10000).
• Квантовые усилители:
• Материалы: Рубин, рутил, изумруд с примесями.
• Применение: Усиление слабых сигналов радиодиапазона.
• Параметрические усилители:
• Активный элемент: p-n переход или металл-полуметалл при T < 90 K.
• Низкое энергопотребление (0.02 - 0.1 Вт).

11. Резонаторы и Фильтры: Точность и Избирательность

РЕЗОНАТОРЫ И ФИЛЬТ
ТОЧНОСТЬ И
ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ
• Резонаторы:
• Теоретически бесконечная добротность из-за отсутствия потерь.
• Практически: Добротность до 10^11 (на порядки выше обычных).
• Применение: Стабилизация частоты генераторов (клистронов).
• Фильтры:
• Цепочка сверхпроводящих резонаторов.
• Высокая избирательность (подавление внеполосных сигналов в 10^3 - 10^6
раз).

12.

13. Ключевые Преимущества Криоэлектроники

КЛЮЧЕВЫЕ
ПРЕИМУЩЕСТВА
КРИОЭЛЕКТРОНИКИ
•Сверхвысокая чувствительность.
•Низкий уровень собственных шумов.
•Высокое быстродействие (СВЧ, цифровая логика).
•Низкое энергопотребление отдельных элементов (криотроны:
~10^-18 Дж).
•Возможность миниатюризации и высокой плотности упаковки
(тысячи криотронов на 1 см²).

14. Молекулярная Электроника: Компоненты из Молекул

ЭЛЕКТРОНИКА:
КОМПОНЕНТЫ ИЗ
МОЛЕКУЛ
- Перспективное направление, использующее отдельные молекулы или их
небольшие структуры как активные элементы электроники.
• Цель: Создание сверхминиатюрных устройств с уникальными
свойствами.

15. Почему Молекулы? Преимущества:

ПОЧЕМУ МОЛЕКУЛЫ
ПРЕИМУЩЕСТВА:
•Ультракомпактность: Плотность компоновки, превосходящая кремниевую
технологию.
•Низкое энергопотребление: Критично для энергоэффективных систем.
•Новые функции: Основаны на уникальных свойствах молекул (перенос
заряда, фоточувствительность, спинтроника).
•Самоорганизация: Потенциал для упрощения создания сложных структур.

16.

Задачи Молекулярной
Электроники
• Основной вызов: Контроль, сборка и
обеспечение работы отдельных молекул.
• Ключевые направления:
• Синтез молекул с заданными
свойствами.
• Изучение самоорганизации и сам
осборки.
• Разработка технологий
сборки ("снизу-вверх", "сверхувниз").
• Создание электрических
контактов к молекулам.
• Характеризация и измерение
свойств.

17. Будущее за Молекулами?

БУДУЩЕЕ ЗА
МОЛЕКУЛАМИ?
• Находится на ранней стадии развития, но демонстрирует
огромный потенциал.
• Ожидается революция в:
• Вычислительной технике.
• Информационных технологиях.
• Медицине.
• Создание более мощных, компактных и энергоэффективных
устройств.

18. Автоволны в Молекулярных Системах

АВТОВОЛНЫ В
МОЛЕКУЛЯРНЫХ
СИСТЕМАХ
• Направление в рамках молекулярной электроники.
• Использует
распространение автоволн (самоподдерживающихся волн) в
активных средах, включая молекулярные.
• Нелинейные свойства автоволн позволяют создавать
переключатели, генераторы и другие элементы с уникальными
характеристиками.

19.

20. Что такое Биоэлектроника?

ЧТО ТАКОЕ
БИОЭЛЕКТРОНИКА
• Область науки, объединяющая биологию и
электронику.
• Использует биологические компоненты (молекулы,
клетки, ткани) и принципы для создания электронных
устройств.
• Широкий спектр: от биосенсоров до
нейрокомпьютеров.

21. Основные Направления Биоэлектроники

ОСНОВНЫЕ
НАПРАВЛЕНИЯ
БИОЭЛЕКТРОНИКИ
•Биосенсоры: Детекция веществ (глюкоза, токсины) с
помощью био-элементов (ферменты, антитела).
Применение: медицина, экология, пищевая
промышленность.
•Биоинтеграция: Объединение биологических и
электронных компонентов (имплантаты, клеточная
электроника).
•Нейроинтерфейсы: Взаимодействие с нервной системой
(восстановление зрения/слуха, управление протезами,
исследование мозга).
•Биокомпьютинг: Вычисления с использованием ДНК,
белков, клеток.

22. Сильные Стороны Биоэлектроники

БИОЭЛЕКТРОНИКИ
• Биосовместимость: Пригодность для имплантации в
живые организмы.
• Высокая специфичность: Био-элементы точно
реагируют на целевые вещества (важно для сенсоров).
• Биоразлагаемость: Возможность создания
временных имплантатов/сенсоров.
• Новые функциональные
возможности: Использование уникальных свойств
биосистем (самоорганизация, адаптация,
самовосстановление).

23. Итоги: Криоэлектроника

ИТОГИ:
КРИОЭЛЕКТРОНИКА
•Использует низкие температуры для
достижения:
• Высокой чувствительности.
• Низкого уровня шумов.
• Высокой производительности и
быстродействия.
•Применение: Квантовые вычисления, научные
исследования, связь, оборона.

24. Итоги: Молекулярная Электроника

ИТОГИ: МОЛЕКУЛЯРН
ЭЛЕКТРОНИКА
•Стремится использовать отдельные молекулы как
элементы:
• Перспектива сверхминиатюризации.
• Высокая плотность компоновки.
• Низкое энергопотребление.
•Потенциал революции в вычислительной технике и
наноэлектронике.

25. Итоги: Биоэлектроника

ИТОГИ:
БИОЭЛЕКТРОНИКА
• Объединяет биологию и электронику:
• Создание биосовместимых устройств.
• Высокоспецифичные и чувствительные
сенсоры.
• Новые подходы в медицине
(имплантаты, нейроинтерфейсы).
• Использование уникальных свойств
живых систем.

26. Общий Вывод: Будущее Электроники

ОБЩИЙ ВЫВОД:
БУДУЩЕЕ
ЭЛЕКТРОНИКИ
• Криоэлектроника, молекулярная электроника и биоэлектроника –
передовые, взаимодополняющие направления.
• Каждое предлагает уникальные подходы для решения фундаментальных
задач: улучшение характеристик, миниатюризация, интеграция с живыми
системами.
• Несмотря на вызовы, эти области активно развиваются, привлекая
внимание ученых и инженеров по всему миру.