纳米电路

『壹』 集成电路是利用纳米材料制成的吗

集成电路是用半导体材料制成的，不是用纳米材料制成的，但是有采用纳米技术。

『贰』 纳米电子学是干什么的

纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子学技术（nanoelectronics）。 在信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不开电子学。电子学技术未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。只有在这三方面都得到同步的发展，电子学技术才能取得新的重大突破。

美国国防高等技术研究厅（DARP），不久前提出的超电子学（ulbe ebotmlllcs）研发计划，就是根据“更小，更快，更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5－100倍，速度快10－100倍，而功耗则要小于现在器件功耗的2倍。最终希望达到“双十二”，即 1012位的存储器容量（1 Terabit）和每秒1012次的运算器速度（1000亿次/s），且廉价而节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸将必然进入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。这表明，随着人类对芯片的要求越来越高，在不久的将来，微电子器件必将过渡到纳米电子器件，使其成为21世纪信息时代的核心。

要实现纳米电子器件及其集成电路，有两种可能的方式。

一种是将现有的集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件。这种方法只是尺度上的缩小，电子器件的构造并不发生根本的改变。现行的微电子器件（如场效应晶体管，field-effect transistor,FET）功耗较大，它无法满足对器件“更冷”的要求。著名的莫尔定律（Moore’s law）预言：“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”，事实已经证明，在过去的30多年里，莫尔定律准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽越来越小，莫尔定律受到了极大的挑战。因为按照莫尔定律的发展趋势，10年后的2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100nm，而目前的光刻技术能够加工的最小线宽为130nm，达到现代微电子学光刻加工技术的极限（物理限制）

另一种方式是研制与当代集成电路完全不同的，利用纳米结构的量子效应而构成的全新量子结构体系，它包括新型的量子器件，如单电子晶体管，单电子存储器，单原子开关等，以及可能用于量子系统的零维的量子点（quantum dot），一维的量子线（quantum wire）和二维量子阱（quantum well）等。

无论采取那一种方式，传统的微米技术都很难再有所作为。扫描隧道显微镜（STM）的发明给纳米电子学带来了福音，这里有必要对其做一简单的介绍：

1982年，国际商业机器公司（International Business Machine, IBM）苏黎世研究所的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。由于这一成就，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。

由于STM具有极高的空间分辨能力（平行方向的分辨率为0.04nm，垂直方向的分辨率达到0.01nm），它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步，因为在此之前人类无法直接观察表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。

STM的基本原理是量子隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近（大约为0．5－1.0nm），所以它们之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏置电压Vb（Vb通常为2mV－2V）时，电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品表面之间形成隧道电流。电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流I将会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道电流I就会减少10倍。 STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式。恒电流模式是在STM图像扫描时始

终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。由于恒电流模式时，STM的针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动，针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面，所以恒电流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。

恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息（该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。 近年来，STM不仅使得人们的视野可以直接观察到物质表面上的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理，甚至可以操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工（纳米电子学）和分子切割（纳米生物学）的一个重要手段。

STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子或分子。单原子操纵主要包括三个部分，即单原子的移动，提取和放置。使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在STM针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品表面之间的距离非常接近，仅为0．3－1.0nm因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产主一个强度在 109～1010V／m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下被移动或提取，并在表面上留下原子空穴，实现单原子的移动和提取操纵。同样，吸附在STM针尖上的原子也有可能在强电场的蒸发下而沉积到样品的表面上，实现单原子的放置操纵。

1990年，美国IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小组使用工作在超高真空和液氦温度（4.2K）条件下的STM成功地移动（displace）了吸附在 Ni（110）表面上的惰性气体 Xe原子,并用 35个Xe原子排列成“IBM”三个字样，这一研究立刻引起了世界上科学家们的极大兴趣并开创了用STM进行单原子操纵的先例。 图2 是在Cu（111）表面上成功地用101个Fe原子写下“原子”二个迄今为止最小的汉字。 1991年日立中央研究所Hosoki等人曾经在室温的条件下，应用电压脉冲方法成功地提取MoS2表面上的S原子并用遗留下的原子空穴构成了“PEACE’91 HERL”（其中HCRL为日立中央研究所的英文缩写）的字样。用这种方法加工的字竟小于1.5nm。 利用单原子放置的一个典型实例，利用STM的针尖将Au原子团源源不断地放置到Au表面上的预定位置，形成一个直径仅为1μm的世界地图，与实际地球相比，其比例约为1：113。

总之，STM的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着它的理论和实验技术的日益完善，它必将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。随着原子结构加工机理研究的深入，用单个原子来制造电子器件将不再是梦想，人们直接以原子和分子制造具有特定功能的产品的时代也将会到来。到那时，也许现在的巨型计算机将来有可能做成大头针那样大小，即使是美国最新开发成功的峰值速度高达每秒12万亿次超级计算机，也将会小到可以随手放进口袋里。

『叁』 纳米技术怎样制作纳米芯片

2002年7月份，曾在几年前宣布摩尔定律死刑的这一定律的创始人戈登·摩尔接受了记者的采访。不过，这次他表现得很乐观，他表示：“芯片上晶体管数量每18个月增加二倍的速度虽然目前呈下降趋势，但随着纳米技术的发展，未来摩尔定律依然会继续生效。”看来，摩尔本人也把希望放到了纳米技术上。下面就让我们来看看纳米技术怎样制造纳米芯片。

我们知道目前的计算机芯片是用半导体材料做的。20世纪可以说是半导体的世纪，也可以说是微电子的世纪，微电子技术是指在半导体单晶材料(目前主要是硅单晶)薄片上，利用微米和亚微米精细结构技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路(称为芯片)，并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和计算机。芯片可以看做是集成电路块。集成电路块从小规模向大规模发展的历程，可以看做是一个不断向微型化发展的过程。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路，集成度(一个芯片包含的元件数)为10个元件；20世纪60年代发展成中规模集成电路，集成度为1000个元件；20世纪70年代又发展了大规模集成电路，集成度达到10万个元件；20世纪肋年代更发展了特大规模集成电路，集成度超过100万个元件。1988年，美国国际商用机器公司(1BM)已研制成功存储容量达64兆的动态随机存储器，集成电路的条宽只有0.35微米。目前实验室研制的新产品为0.25微米，并向0.1微米进军。到2001年已降到0.1微米，即100纳米。这是电子技术史上的第四次重大突破。今天，芯片的集成度已进一步提高到1000万个元件。集成电路的条宽再缩小，将出现一系列物理效应，从而限制了微电子技术的发展。为了解决这个挑战，已经提出纳米电子学的概念。这一现象说明了：随着集成电路集成度的提高，芯片中条宽越来越小，因此对制作集成电路的单晶硅材料的质量要求越来越高，哪怕是一粒灰尘也可能毁掉一个甚至几个晶体管，这也是为什么摩尔本人几年前宣判摩尔定律“死刑”的原因。

据有关专家预测，在21世纪，人类将开发出徽处理芯片与活细胞相结合的电脑。这种电脑的核心元件就是纳米芯片。芯片是电脑的关键器件。生命科学和材料科学的发展，科学家们正在开发生物芯片，包括蛋白质芯片及DNA芯片。

蛋白质芯片，是用蛋白质分子等生物材料，通过特殊的工艺制备成超薄膜组织的积层结构。例如把蛋白质制备成适当浓度的液体，使之在水面展开成单分子层膜，再将其放在石英层上，以同样方法再制备——层有机薄膜，即可得到80～480纳米厚的生物薄膜。这种薄膜由两种有机物薄膜组成。当一种薄膜受紫外光照射时，电阻上升约40％左右，而用可见光照射时，又恢复原状。而另一种薄膜则不受可见光影响，但它受到紫外光照射时，电阻便减少6％左右。据介绍，日本三菱电机公司把两种生物材料组合在一起，制成了可以光控的新型开关器件。这种薄膜为进一步开发生物电子元件奠定了实验基础，并创造了良好的条件。

这种蛋白质芯片，体积小、元件密度高，据测每平方厘米，可达1015～1016个，比硅芯片集成电路高上万倍，表明这种芯片制成的装置其运行速度要比目前的集成电路快得多。由于这种芯片是由蛋白质分子组成的，在一定程度上具有自我修复能力，即成为一部活体机器，因此可以直接与生物体结合，如与大脑、神经系统有机地连接起来，可以扩展脑的延伸。有人设想，将蛋白质芯片植入大脑，将会出现奇迹。如视觉先天缺陷或后天损伤可以得到修复，使之重现光明等。

虽然目前生产与装配上述分子元件还处于探索阶段，而且天然蛋白质等生物材料不能直接成为分子元件，必须在分子水平上进行加工处理，这有很大难度，但前途是光明的。据介绍，日本已制定了开发生物芯片的10年计划，政府计划投入100亿日元做各项研究。世界上一些大公司，如日立、夏普等都看好生物芯片的前景，十分重视这项研究工作。

人的大脑约有140亿个神经细胞，掌管着思维、感觉及全身的活动。虽然电脑已面世多年；但其精细程度和人脑相比，仍然差一大截。为了使电脑早日具有人脑的功能和效率，科学家近年致力研究开发人工智能电脑，并已取得不少进展。人工智能电脑是以生物芯片为基础的。生物芯片有多种，血红蛋白集成电路就是新型的生物芯片之一。

美国生物化学家詹姆士·麦克阿瑟，首先构想把生物技术与电子技术结合起来。他根据电脑的二进制工作原理，发现血红蛋白也具有类似“开”和“关”的双稳态特性。当改变血红蛋白携带的电荷时，它会出现上述两种变化，这就有可能利用生物的血红蛋白构成像硅电子电路那样的逻辑电路。麦克阿瑟首先利用生物工程的重组DNA技术，制成了血红蛋白“生物集成电路”，使研制“人造脑袋”取得了突破性进展。此后，生物集成电路的研究便逐步展开。美国科学家在硅晶片上重组活细胞组织获得成功。它具有硅晶片的强度，又有生物分子活细胞那样的灵活和智能。德国科学家所研制成的聚赖氨酸立体生物晶片，在1立方毫米晶片上可含100亿个数据点，运算速度更达到10皮秒(一千亿分之一秒)，比现有的电脑快近100万倍。

DNA芯片又称基因芯片，DNA是人类的生命遗传物质脱氧核糖核酸的简称。因为DNA分子链是以ATGC(A-T、G-C)为配对原则的，它采用一种叫做“在位组合合成化学”和微电子芯片的光刻技术或者用其他方法，将大量特定顺序的稤NA片段，有序地固化在玻璃或者硅片上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片，是近年来在高新科技领域出现的具有时代特征的重大技术创新。

每一个DNA就是一个微处理器。DNA计算速度是超高速的，理论上计算，它的运算速度每小时可达1015次数，是硅芯片运算速度的1000倍。而且，DNA的存储量是很大的，每克DNA可以储存上亿个光盘的信息。不过，目前的主要难点是解决DNA的数据输出问题。

DNA芯片有可能将人类的全部约8万个基因集约化地固定在1平方厘米的芯片上。在与待测样品的DNA配对后，DNA芯片即可检测出大量相应的生命信息。例如寻找基因与癌症、传染病、常见病和遗传疾病的关系，进一步研究相应药物。目前已知有6000多种遗传病与基因相关，还有环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。已知有200多个与环境影响相关的基因，对这些基因的全面监测，对生态、环境控制及人类健康均有重要意义。

DNA芯片技术既是人类基因组研究的重要应用课题，又是功能基因研究的崭新手段。例如单核苷酸的多态性，是非常重要的生命现象，科学家认为，人体的多样性和个性取决于基因的差异，正是这种单核苷酸多态性的表现，如人的体形、长相与500多个基因相关。通过DNA芯片，原则上可以断定人的特征，甚至脸形、长相、外貌特点，生长发育差异等。

“芯片巨人”英特尔公司于2000年12月公布，英特尔公司用最新纳米技术研制成功30纳米晶体管芯片。这一突破将使电脑芯片速度在今后5～10年内提高到2000年的10倍，同时使硅芯片技术向物理极限更近一步。新型芯片的运算速度已达目前运算速度最快芯片的7倍。它能在子弹飞行30厘米的时间内运算2000万次，或在子弹飞行25毫米的时间内运算200万次。晶体管门是计算机芯片进行运算的开关，新芯片是以3个原子厚度的晶体管“门”为基础，比目前计算机使用的180纳米晶体管薄很多。要制造这种芯片的障碍是控制它产生的热量。芯片的运行速度越快，产生的热量就越多。过多的热量会使制造计算机芯片所用的材料受到损坏。英特尔公司经过了长期的研究，解决了这一问题。这种原子级晶体管是用新的化学合成物制成的，这种新材料可以使芯片在运行时温度不会过高。这种芯片的出现将为研制模拟以人的方式，可以和人进行交流的电脑创造条件。英特尔公司说，他们开发出的这种迄今世界上最小最快的晶体管，厚度仅为30纳米。这将使英特尔公司可以在未来5～10年内生产出集成有4亿个晶体管、运行速度为每秒10亿次，工作电压在1伏以下的新型芯片。而目前市场上出售的速度最快的芯片“奔腾4代”集成了4200万个晶体管。英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品最早将在2005年以后投放市场。

英特尔公司的一位工程师说：“30纳米晶体管的研制成功使我们对硅的物理极限有了新看法。硅也许还可以使用15年，此后会有什么材料取代硅，那是谁也说不准的事。”他又说：“更小的晶体管意味着更快的速度，而运行速度更快的晶体管是构筑高速电脑芯片的核心模块，电脑芯片则是电脑的‘大脑’。”英特尔公司预测，利用30纳米晶体管设计出的电脑芯片可以使“万能翻译器”成为现实。比如说英语的人到中国旅游，就可以通过随身携带的翻译器，将英语实时翻译成中文，在机场、旅馆或商店不会有语言障碍。在安全设施方面，这种芯片可以使警报系统识别人的面孔。此外，将来用几千元人民币就可以买一台高速台式电脑，其运算能力可以跟现在价值上千万元的大型主机媲美。

单位面积上晶体管的个数是电脑芯片集成度的标志，晶体管数量越多，说明集成度越高，而集成度越高，处理速度就越快。30纳米晶体管将开始出现在用0.07微米技术产品上，目前英特尔公司使用的是0.18微米技术，而1993年的“奔腾”处理器使用的是0.35微米技术。在芯片上“刻画”电路，0.07微米技术用的是超紫外线光刻技术，比2001年最先进的深紫外线光刻技术更为先进。如果在纸上画线，深紫外线光刻使用的是钝铅笔，而超紫外线光刻使用的是削尖了的铅笔。

晶体管越来越小的好处主要有两方面：一是可以用较低，的成本提高现有产品性能；二是工程师可以设计原来不可能的新产品。这两个好处正是推动半导体技术发展的动力，因为企业提高了利润，就有可能在研发上投入更多。看来，纳米技术的确可以延长摩尔定律的寿命，这也正是摩尔本人和众多技术人员把目光放到纳米技术之上的原因所在。

『肆』 7纳米能容纳多少电路

能容纳多少电路，取决于芯片的面积大小（die size）。就7纳米而言，见过有报道某些高端芯片能容纳150亿个晶体管。

『伍』 CPU里面是什么东西听说是纳米,纳米有什么用里面的电路真的做那么小为什么不会短路

CPU里面是硅晶体---即沙子的提炼
工作原理：cPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。

但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。

看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

的产品（名称未定）

『陆』 为什么芯片的电路只有几个纳米的间隔,却不会因量子效应而短路

芯片里面的硅片是经过特殊化学加工处理的，所以在上面其实原本是绝缘体，光刻机就是把半导体印在上面刻上连线形成微型电路，这才是真正难的方面，因为硅片本身就是小小的毫米级别，要在毫米级别的硅片上面印上精密的微型电路，那可是要纳米级别的光刻机才可以，光刻机的重要性就把线路按照准确的设定印上去。

为什么那么细小的东西不会相互之间产生冲突甚至短路，其实不产生冲突是因为已经设计好了里面的链接，光刻机只要按照设定好的去印上去就不会出现冲突的现象，吃饭设计错误，或者没有按照设计的去印，为什么不会短路呢，除了原本设定的，剩下就是蚀刻机的功劳了，蚀刻机的作用是把光刻机印线路的一些附着在周围的多余的没用的残渣去除掉，防止微型电路因为多余的东西而导致出问题。

『柒』 纳米级的电子芯片是怎样造出来的

现代集成电路的工艺大致是这样的：矿物——单晶硅晶体（圆柱体）——单晶硅晶体切片——打磨抛光——镀导电层、绝缘层——激光蚀刻电子元件——打磨掉多余半导体材料——焊接引脚封装。
晶体管实际上就是利用半导体材料（单晶硅）的材料特性，使电流通过时产生放大、单向通过等等一系列的电效应。通过激光蚀刻单晶硅，便形成三极管、二极管等等微小的电子元件。电子元件的尺寸决定于激光束的粗细和控制精度。激光束越细、控制精度越高，那么电子元件的集成度越高，单位面积的电子元件数量越多。
单晶硅晶体的粗细决定了生产效率，批量生产其直径最大已经能做到12英寸，那么一张晶元上同时能生产的芯片数量越多，生产成本就越低。除去研发费用，这就是为什么芯片价格越来越便宜。

『捌』 16K位集成电路和纳米芯片的区别

『玖』 能否用14纳米制程做出5纳米制程的相同算力的芯片

这个问题比较专业啊，但是据我所了解的知识来看，是有机会完成这件事情的。下面先来介绍一些关于芯片制造领域的基本知识吧。

这样的问题我想最多还是出自于对我国半导体工业制造的关心和考虑。因为我国的14纳米制程已经在国内进行了生产和运营，但相较于台积电这样的半导体产业巨头，在五纳米和七纳米方面，我们还有较大的差距。因此可能就会出现这样的问题：想用14纳米代替5纳米，出发点是非常好，但科学的魅力就在于不断探索极限和未知，只有不断地攀登才会更加深刻地认识这个世界，提升我们的生产力！

『拾』 什么事20纳米集成电路

就是纳米尺度在20纳米的集成线路电子产品，包括纳米尺度下的器件物理、集成电路的制造工艺等等。