Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 5. Fotonikai elemek és technológiák 5/3.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 5. Fotonikai elemek és technológiák 5/3."— Előadás másolata:

1 Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 5. Fotonikai elemek és technológiák 5/3

2 Jel (információ) jel (tárolt) jel (információ) Jel (információ) : elektromos impulzus, elektromágneses hullám, (fény!), mágneses tér, részecske, hő, vegyi hatás(tinta?), mechanikai erő. Jel (tárolt): lokalizált elektronok (elektromos tér, domének, polarizáció), hibák (vakanciák), mágneses domének, tőrésmutató, elnyelés, visszaverés, polarizáció, mechanikai deformáció Írás, tárolás, leolvasás (tőrlés?) Paraméterek: energia/jel,bit, cm 2,.. sebesség (jel/s) (az írásnál és a leolvasásnál, hozzáférhetőség) sűrűség (jel/S) stabilitás vagy reverzibilitás, időállandó ár/jel !!!!

3 memóriák Hierarchia: 1,-2-,3-szint, off-line Karakterisztika: illékonyság, differenciálhatóság, hozzáférhetőség, címzés, kapacitás Teljesítmény Technológia: Félvezető Mágneses, Optikai, Papír más

4 Főbb típusok: - elektromos : RAM, ROM, EEPROM, Flash…. Tranzisztor! - mágneses: HDD, MD, magnetooptikai,…..Mágneses domén - optikai : CD, CD-DVD R, RW…text.. Optikai változások - mechanikai : számológép, MEMS, AFM,… Deformáció + más kombinációk, a kökorszaktól a mai napokig……. Technológia: lehetőleg az ismert mikroelektronikai !!!!

5 Tárolási kapacitások fejlődése-integrált elektronika

6 Elektromos: DRAM- dynamic random access memory, SRAM-static RAM CMOS-complementary MOS (p- MOS and n-MOS pair) ROM, PROM, EEPROM, FLASH

7 Mágneses: A mágneses momentumok párhuzamos irányba, ellentétes irányba állása Ferromágnesesség: Az atomi mágneses momentumok a Weiss-féle doméneken belül maguktól párhuzamosra állnak be A Bloch-falban a mágnesezettségi irány megváltozása sok dipóluson elosztva valósul meg dBW(Co)  60 nm (kb. 200 atomsík) A doménok térbeli képződése a rendszer összenergiáját minimalizálja

8

9 HDD

10 Buborék memória

11 OPTIKAI Az információ ~80 % az optikai csatornán jut át hozzánk Az információt valós időléptékben feldolgozhatjuk vagy tároljuk és későbben dolgozzuk fel, alkalmazzuk Tárolás: analóg és digitális képek IC mikroelektronika fényképezés ~ holográfia CD, DVD optoelektronika Általános probléma: többet, gyorsabban, biztonságosabban és olcsóbban és láthatóan…..

12 IdőÁr Elsődleges tárolás Másodlagos tárolás

13

14 elektronok mozgásaatomok mozgása elektrofotográfia Ag-Hal fázisátalakulások (a-Se, a-Si:H, ZnO, szerves) (VO2, SmS, polimerek) fotókrom (KCL, üvegek) szerkezeti változások fotórefrakció effektus (a – a, a – k, k - a, sűrűség) (LiNbO3 : Fe+³, Sn2P2S6) (AsSe, Ge-Te-Sb, ChG) magnetooptikai effektus diffuzió, összetétel változása (MnBi, CrTe, Y 3 Fe 2 O 12 )(Ag-As2S3, Se/As2S3 MLS )

15 Mit észlelünk? –Az optikai jellemzők változását –  (abszorpció),  R (visszaverődés),  n (refrakció),  P (polarizáció)  d (méret) – –[ amplitúdó] vagy [amplitúdó-fázis ] –optikai írás –Választhatunk: egy- vagy többlépcsős folyamat - egy lépcső, valós idő

16 Az emberi szem Érzékenység: – 10 4 W/m 2  = 400 – 700 nm

17 -sűrűség ( max. ~100 Mbit/cm² ) -érzékenység (  1 J/cm², 1 nJ /bit ), -hullámhossz-tartomány ( ) -moduláció (  0 ~10-100, R/R 0  5,  n ~ ,  d ~200 nm) -ismételhetőség (  1 millió átírás) de…!!! -Stabilitás (több évtized is!) - Gyorsaság (adattovábbítás) ( 10 – 100 MHz……)

18 Optikai relief (kép) a)Amplitúdó moduláció b)Fázis moduláció c)Fázis moduláció (méret)

19 Optikai írás (memória): folyamatok FOTOKÉMIA: klasszikus fotográfia, litográfia (fejlett technológia, kiváló érzékenység, de : nedves folyamatok, kétlépcsős eljárás, nem stabil…) FOTÓFIZIKA: elektrofotográfia, DVD, CD (kompatíbilis a többi mikroelektronikai eszközzel, nagy a sűrűség, stabilitás, másolhatóság…)

20 Fotokémiai folyamatok A fény (hullám, kvantum) hatására kémiai folyamatok indulnak be az anyagban : -fotoszintézis -oxidálás-redukció (donor-akceptor komplexumok átalakulása) -polimerizáció -Ag-Hal. anyagokban az ezüst kiválása ( klasszikus fotográfia) A képet általában egy külön folyamatban előhívják Figyelem: alapjában itt is a fizikai folyamatok (elektronok gerjesztése, kötések átalakulása) határozzák meg a folyamatokat

21 Ag-Hal fotográfia (az ezüst szemcsék képződése ) Ag-szemcsék + zselatin, exponálás előtt Ag-szemcsék előhívás után AgBr ionok felbomlása a fény hatására (  1 !!), Ag + és J -. Neutrális Ag, kristályok növekedése (+ előhívó= erősítés! 10 6 ) Bitek max. sűrűsége: n max  1/ 4r 2, r- a mag sugara

22 Fotokémia Fotó-oxidáció, polimerizáció,… –Reoxán oxidációja Stilben modifikálása

23 Fotokémia fotófizika Különböző Corning-típusú fotokróm üvegek sötétedése és kivilágosodása. Mechanizmus: nm Ag kristályok növekedése és lebomlása, halogének részvételével

24 A fotókróm üvegek sötétedése Lassú folyamat E= 1.0 J/cm² Kvantum hatásfok < 1

25 Fotokémia fotófizika Bakteriarodopszin- egy unikális szerves fényérzékeny anyag Technológiája: áttetsző üveg hordozón vastag rétegeket alakítanak ki BR+zselatin mátrix keverékből s !

26 Fotofizika: A fény (hullám, kvantum) hatására fizikai folyamatok indulnak be az anyagban : -elektronok gerjesztése elektron-fonon kölcsönhatás, melegítés Fázisátalakulások A képet általában nem kell előhívni, illetve lehet, különböző reliefek előállítása céljából

27 FOTOMÁGNESES ANYAGOK PÉLDÁJA Jelenség: spin-foton kölcsönhatás, a fény polarizációs síkjának a forgatása  =V.B.l (V- Verdet - állandó) Írás: a H max csökken, mivel a fókuszált lézersugár melegíti a réteget MnBi: T=360 C Gd 3 Fe 2 O 12 réteg: +  T=3 C, Q  1 mJ /cm²

28 Érzékenység  0.3 J/cm² Reverzibilis! (RW CD) Védő VO 2 Tükör Hordozó Fázisátalakulások példája

29 Fotófizikai folyamatok: egyszerű hőhatások Q=c m  T + m , egy nagyon egyszerű modellben, hő-veszteség nélkül, kiszámítható az egy bit írásához szükséges energia Abláció: kiégetünk, elpárologtatunk egy-egy pontot DE: el kell gondolkodni a felbontásról, az írás sebességéről, a zajokról, a stabilitásról!

30 ChG 1 Rec. Read Erase, thermo Etching, Copy ChG 2 Rec. Read Erase ChG, 1,2? Rec. Read Erase ? NML Rec. Read Erase ? Embossing 1.2.1,2/s Fotófizikai folyamatok: a sokoldalú kalkogenidek példája

31 Chalcogenide glasses for optical recording: As-based : As 2 S 3, AsSe,… Ge-based : GeS, GeSe, Ge 2 Se 3, … pure or doped Se, Se x Te 1-x,, … multicomponent materials: Ge-Sb-Te, … Main parameters: spectral range, changes of  α,  n,  R,  d !? spatial resolution ! (μm nm) reversibility – stability recording in a real time scale As – Se system is the simplest, model one !

32 Kalkogenidek- S,Se, Te-tartalmú anyagok (minket az amorf kalkogenidek érdekelnek)

33

34 Fénymásolás Lényeg: egy fotovezető, de magasellenállású anyag, amelyet korona-kisüléssel töltenek fel, elektrosztatikus képeket alkotnak a jelek megvilágíítása alapján ( elektrostatikus relief a felületen), majd festő porral hívják elő. A port átviszik egy papir lapra amelyet majd fixálnak (melegítéssel rátapasztják a papirra). Fotovezető anyag: a-Se, ZnO, AsSe, CdS, a-Si:H, Szerves anyagok

35 Fotofizikai folyamatok: felületi domborzatok fototermoplasztokban Fázis-moduláció, holográfia Anyagok: Egy réteg (polyvinilkarbazol ), vagy heterostruktúra, injekciós réteggel ( polyvinilkarbazol + CdS, As2Se3, STe,…) Felbontás  /mm, érzékenység 10 8 cm²/J ha 1% DE (max. diffrakciós hatásfok DE  20%, felületi visszaverődési mód) Alkalmazás: interferometria, adatrögzítés töltésexponáláselőhívás fázismodulációolvasás

36 Fotofizikai folyamatok: elektronállapotok és szerkezeti változások A szerkezet változásával változik az elektronok spektruma, és ez már látható az optikai elnyelés változásában

37 Optikai írás amorf szerkezetben

38 Kétlépcsős folyamat: (szelektív maratás NaOH, vagy más oldatokban, illetve plazmával ) Írás– szelektív maratás –felületi domborzat Írás (Ag -diffúzió)- maratás - domborzat Mold gyártása – (Ni) – másolás (rácsok, CD, vagy akár kis sorozat névjegy, stb.) Fotofizikai folyamatok: alkalmazások sokszorosításban Eredeti írás Fém (Ni) Mátrix (mold) másolás

39 Az optikai adatrögzítés és leolvasás fejlődésében mérföldkövet jelentett a Philips és Sony által kidolgozott Compact Disc Digital Audio (CD-DA) szabvány. Ez a mai napig minden CD formátum alapja ban elkezdődött a hangtechnika digitalizálódása. A szabványosított optikai adattároló lemezek családfája több mint 30 féle CD formátumot jelent. A szórakoztató elektronikai piacon a kompakt lemezek (CD-DA gyakran CD-A-nak nevezik) terjedtek el. Ezek 120 mm átmérőjű és 1,2 mm vastagságú, áttetsző makrolon (polikarbonát) műanyagból fröccsöntéssel készült korongok. A CD-DA kiszorította a hangtechnikából a mikrobarázdás lemezeket, amelyeket hasonlóképpen „préselték”. CD szerkezete és gyártása

40 Létezik mini-változat is, 80 mm szélessége = 33 mm vastagság=1,2 mm anyaga= polikarbonát: - kitűnő a fényáteresztő képessége, - nem öregszik.

41 15 mm 0,11 μm védőlakk (akril) réteg d= 5…10 μm 1,2 mm tükröző réteg Al d=0,1 μm olvasó lézersugár hullámhossz = 780 nm 1,2 m/s kerületi sebesség 0,5 μm a címke felöl pit (gödör) míg az olvasási irányból dudor (bump) land míg az olvasás felöl pit A bump-ok belülről kifelé haladó archimedesi spirál alakú nyomvonal (track) mentén helyezkednek el (a spirál hosszúsága > 5 km). polikarbonát korong átmérő=120 mm (4.8 inch) A CD-DA rögzíthető 74 perc hosszúságú 44,1 kHz x 16 bit felbontású sztereó zene. a CD lemez címke oldala (kisméretű félvezető lézerdióda) A CD-DA szerkezete v

42 A bump-ok szélessége 0,5 μm; hosszúsága min. 0,833 μm; vastagsága 0,11 μm ; menetemelkedése: 1,6 μm. A 74 perc hosszúságú zenei CD lemez kapacitása : minta/csatorna/sec x 2 bit/minta x 2 csatorna x 74x60 sec = bit bump-ok A normál CD-DA adatátviteli sebessége = 4,3219 Mbit/s (a 4x CD meghajtók adatátviteli sebessége 4,8 Mbit/s). fényvisszaver ő réteg (Al) göd rö( pit- ek) 1,6 µm

43 CD olvasófej felépítésének vázlata : fényerő Működés közben a lézerfény, áthaladva a tükörprizmán, fényereje a felére csökken. A CD- ről visszaverődő sugár fényereje szintén a felére csökken és az már nem elegendő az Al tükörfelületen való átjutáshoz. A kiinduláshoz képest csak negyedakkora fényerejű lézerfény jut a fotódetektorra. Léteznek más elrendezések is, egészen az integrált optikai eszközökig

44 A CD lemezeken az információ a spirális nyomvonal mentén különböző hosszúságú domborulatok (bump-ok) és sík részek sorozata. A kétféle felületről a lézersugár különböző intenzitással verődik vissza. Az intenzitás különbség megfelelő digitalizálás után fogja megadni a bináris 0 vagy 1 értéket. A CD-re az információt meghatározott kódrendszerben viszik fel. Az információ leolvasásához a lézerdióda egyetlen sugárnyalábjából előállított három lézersugarat használják. A spirális alakú nyomvonal ( a bump-ok) közepére fókuszált lézersugártól balra és jobbra egy-egy segéd lézersugár is található. Ha az olvasófej nyomvonal-követése helyes, akkor a hat-nyolc fotodiódából álló olvasófej az oldalsugarak jeleit egyformának érzékeli. Ha nem, a rendszer működteti a nyomvonaltartó szervorendszert. bump 1,6 µm Nyomvonal közepe

45 A CD meghajtó felépítése: A lézerdióda és a fotódetektor elektronikája egy kocsin (laser pickup) helyezkedik el, a szükséges optikával és fókuszáló szervomechanikával együtt. Ezt a kocsit egy sávkövető szervomechanika mozgatja lineárisan a lemez középpontjától kifelé, sugárirányban a lemez síkjával párhuzamosan. Szervo- motor Lemez- meghajtó Lézer- lencse Lemez helye Leolvasó Mozgató egységek

46 A CD-ROM gyártástechnológiája : 1. Premastering: a CD-ROM-on tárolandó információt feldolgozzák a mesterlemez által megkövetelt formátumban, digitális adathordozón (pl. CD-R lemezen). 2. Mastering: üveglemezen a szubmikronos struktúra kialakítása (az üveglemezre felvitt fényérzékeny rétegen lézernyalábbal felírják a jeleket és maratással kialakítják a pit-eket,). 3. Electroforming: több lépéses galvanizálással előállítják Ni rétegből a nyomólemezt. 4. Préselés : a fröcssöntött 1,2 mm vastagságú polikarbonát korong egyik oldalán előállítják a mintázatot (bump-okat). 6. Feliratozás (pl. szitanyomtatás) és csomagolás. 5. Reflektáló réteg (pl. Al) gőzölése majd ezt követően akril védőréteg felvitele és kikeményítése a korongon.

47 Újraírható (RW) lemezek visszaverődés hőmérséklet Író impulzus Az írott jelek kialakulásaÍrás-törlés-írás folyamat vázlata

48 Újraírható, DVD lemez: hibák, törlés, stabilitás Ohta T., JOAM, v.3, p.609(2001) -Al- SiO 2 -ZnS-SiO 2 - GeTe-Sb 2 Te 3 - Sb-ZnS-SiO 2 — R=18-30%,  R=0,6, P=7- 17 mW, r  0,7  m, S  26 MB/s LÉZER polimer

49 címke réteg v= 30 μm UV kötésű védőlakk v= 3..5 μm tükröző réteg v=50 nm infor. réteg v= nm polikarbonát hordozó lézer dióda: - olvasás: 1mW, - írás: mW. 1,6 μm 0,6 μm amorf rész barázda (groove) A lézerfény hő hatására az információ tároló kristályos szerves réteganyag amorffá válik. Az amorffá vált rész a kristályossal ellentétben rosszul veri vissza a fényt. A CD-R rétegszerkezete és írása: 1,2 mm (~250 °C-on alakul ki). 0,11μm kristályos Au + fáziseltolás

50 Lemez részének szerkezeti vázlata

51 Napjainkban legelterjedtebben az egyoldalas, egyrétegű 4,7 GByte kapacitású lemezeket használják. A DVD lemez két darab 0,6 mm vastagságú összeragasztott korong. Így az adattároló réteg(ek) a lemez közepén helyezkednek el. A DVD lemezek választéka: 8 óra CD minőségű zene a kapacitása 8 órás filmanyag a DVD filmek többsége (az alsó inf. tároló réteg félig áteresztő) (lejátszáskor a lemezt fordítani kell)

52 Holografikus CD Az ilyen lemezen egy „pont” egy oldal információt tartalmaz, amelyet úgy olvasunk le, mint egy hologramot

53 Phase-change random acces memory (Ovonix Unified Memory)

54 Hologramok: optikai alapok Két sík hullám interferenciója: I R (x)= 2I(1+cos kx2  ) 

55 Hologram

56 Hologram: diffrakciós hatásfok 1010

57 Írás sík hullámokkal Fény diffrakciója a huzalon: fénykép és intenzitás-eloszlás mért számított Hologramok írása: sík hullám

58 Hologramok írása: fókuszált fény Fourier-transzformáció:

59 Fourier-transzformáció

60 Optikai korrelátor

61 Neurális hálózatok kialakítása

62 Denisjuk-féle hologram: művészeti alkotások másolása, teljes térhatás 3D hologramok

63 3D hologram Multiplexelés

64 Felületi sűrűség / adatközvetítés sebessége


Letölteni ppt "Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 5. Fotonikai elemek és technológiák 5/3."

Hasonló előadás


Google Hirdetések