Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

К.В. Малышев

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОПРИБОРОВ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ»

Издательство

МГТУ им. Н.Э. Баумана

2014

УДК 621.38 (075-8)

ББК 32.85

Настоящее издание методических указаний соответствует учебной программе курса «Проектирование наноприборов и систем на их основе».

При выполнении курсовой работы студенты закрепят теоретические сведения о принципах проектирования оптоэлектронных наноприборов на основе нанослоев с двумерным электронным газом. Работа основана на оригинальных программах компьютерного моделирования, используемых для расчета электрических и оптических характеристик наноприборов. Компьютерное моделирование параллельного преобразования изображения с помощью наноприборов, выполняемое в ходе работы, позволит студентам познакомиться со спецификой создания параллельных преобразователей аналогового сигнала на основе нанослоев для радиоэлектронных средств (РЭС).

По курсовой работе студент выполняет отчет, в котором приводятся результаты расчетов, графики, применяемые структурные и принципиальные схемы, оценки точности рассчитываемых величин. Контрольные вопросы помогают студенту подготовиться к защите выполненной работы. В начале обучения применяется фронтальная форма проведения и защиты работ, а затем возможен переход к цикловой и индивидуальной формам. Возможна дистанционная защита работы с использованием сетевых технологий.

Рассмотрена курсовая работа, посвященная компьютерному моделированию параллельного преобразования аналоговых сигналов с помощью современных резонансно-туннельных приборов на основе AlGaAs слоистых наноструктур, перспективных для РЭС.

Для студентов 1-го курса магистратуры по направлению «Наноинженерия».

Оглавление

Исследование преобразования изображения в наноэлектронной клеточной нелинейной сети 4

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4

1.1.1. Построение квазипериодических сверхрешеток для КНС 5

1.2.1. Параллельное преобразование изображения с помощью КНС. 7

1.3.1. Действие КНС на основе квазипериодических СР 9

1.2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 12

1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 12

1.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 13

1.5. РИСУНКИ 14

Исследование преобразования изображения в наноэлектронной клеточной нелинейной сети

Цель работы – изучение методики компьютерного моделирования преобразования изображения в наноэлектронной клеточной нелинейной сети и закрепление теоретических знаний о методе кинетических уравнений.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Клеточные нелинейные сети (КНС) относятся к устройствам с распределенными параметрами типа нейроподобных сетей, нейроны которых в микроэлектронном исполнении содержат нелинейные элементы в виде диодов, имеющих ВАХ с падающим участком. Поведение таких нейронов часто описывается моделью ФитцХью-Нагумо (FitzHugh–Nagumo). Эта модель после упрощений сводится к модели КНС, каждая ячейка которой содержит только диод, конденсатор и несколько сопротивлений – по одному на каждую связь с соседними ячейками. В качестве диода для КНС перспективным считается резонансно-туннельный диод (РТД), изготавливаемый в виде слоистой полупроводниковой гетероструктуры. Меняя толщину и состав барьерных слоев этой гетероструктуры, можно менять форму начального участка ВАХ РТД. Для работы нейрона важен падающий участок ВАХ. Переход от РТД к диоду на квазипериодической сверхрешетке (СР) может сделать волнистым падающий участок ВАХ, что изменит поведение нейрона. В частности, волнистость ВАХ может усилиться настолько, что приведет к появлению новых небольших падающих участков. Это повлечет за собой образование новых устойчивых и неустойчивых состояний равновесия в фазовом пространстве нейросети.

Поэтому применение квазипериодических сверхрешеток в качестве нелинейных элементов КНС может оказаться перспективным для преобразования ее фазового портрета, что позволит продвинуться во многих областях – от моделирования деятельности нервной системы до информационно-измерительных и управляющих систем. КНС хорошо себя зарекомендовали для параллельного преобразования изображений. Поэтому полезно исследовать возможные преимущества квазипериодических СР в качестве нелинейных элементов нейросети ФитцХью-Нагумо на примере параллельного преобразования изображения с ее помощью.

Квазипериодические СР в последние годы привлекают растущее внимание в связи с их интересными и неожиданными как фундаментальными физическими свойствами, так и приложениями в наноэлектронике. Например, диэлектрические квазипериодические СР перспективны для нанофотоники. Пьезоэлектрические квазипериодические СР перспективны для преобразователей ВЧ- и СВЧ-радиосигналов, а магнитные квазипериодические СР – для запоминающих устройств ВЧ и СВЧ диапазонов. Полупроводниковые квазипериодические СР также имеют интересные свойства. Например, AlGaAs квазипериодические СР перспективны в качестве активной среды многоцветного терагерцевого лазера. Сейчас квазипериодические СР на основе AlGaAs наиболее близки к реализации в приборах микро- и наноэлектроники благодаря хорошо разработанной арсенид-галлиевой технологии изготовления слоистых гетероструктур.

Характерными особенностями полупроводниковых квазипериодических СР являются сильно изрезанный вид спектра электронных состояний и его самоподобие. В отличие от случаев периодических СР и традиционного двухбарьерного РТД этот спектр для случая квазипериодических СР немонотонно зависит от внешнего электрического поля. При плавном росте приложенного напряжения могут внезапно появиться новые резонансные состояния электронов проводимости. Именно такие состояния, локализованные в 2-3 соседних потенциальных ямах профиля дна зоны проводимости поперек слоев СР, обеспечивают несколько близких по частоте переходов с энергией порядка 10 мэВ в многоцветном терагерцевом лазере на квазипериодических СР. Эти же слабо локализованные состояния могут оказаться полезными и для других применений, требующих наличия не сплошных энергетических минизон шириной порядка 100 мэВ, а отдельных близкорасположенных резонансных пиков шириной порядка 1-10 мэВ. Если принимаются меры против образования доменов сильного электрического поля в полупроводниковой СР, то каждый такой резонансный пик плотности состояний может привести к волнистости вольтамперной характеристики (ВАХ) квазипериодической СР. Поэтому полупроводниковые квазипериодические СР могут оказаться полезными во всех электронных устройствах, чувствительных к форме ВАХ нелинейного элемента.

1.1.1.Построение квазипериодических сверхрешеток для КНС

В качестве типичных представителей квазипериодических сверхрешеток брались СР Фибоначчи (Fibonacci). Кроме них в качестве перспективных квазипериодических СР исследовались фигурные СР, получаемые с помощью разложения чисел Фибоначчи в сумму фигурных чисел. Число Фибоначчи S_N ранга N образуется путем сложения S_N = S_N–1 + S_N–2 чисел двух предыдущих рангов S_N–1, и S_N–2, начиная с S₁= 1 и S₂= 1. Например, S₃= S₂ + S₁= 1 + 1= 2. Отсюда S₄= S₃ + S₂ =2 + 1= 3, далее S₅= S₄ + S₃= 5, затем S₆= 5 + 3= 8, и т.д. СР Фибоначчи S_N ранга N образуется путем последовательного соединения (конкатенации) S_N = S_N–1 + S_N–2 сверхрешеток двух предыдущих рангов S_N–1, и S_N–2, начиная с S₁= А и S₂= В. Например, СР S₃= S₂ + S₁= В + А= ВА. Отсюда СР S₄= S₃ + S₂ =ВА + В= ВАВ, далее СР S₅= S₄ + S₃= ВАВВА, затем СР S₆= ВАВВА + ВАВ= ВАВВАВАВ, и т.д.

Подобно числам Фибоначчи S_N, фигурные числа F^M_L(N) можно рассчитать по рекуррентным формулам, начиная с некоторых граничных значений. Фигурное число М-го порядка F^M_L(N) выражается по формуле F^M_L(N)= F⁰_L(N) +М F⁰_L(N-1) через фигурные числа нулевого порядка F⁰_L(N) и F⁰_L(N-1), называемые треугольными числами. В свою очередь треугольное число F⁰_L(N) выражается по рекуррентной формуле F⁰_L(N)= F⁰_L–1(N) + F⁰_L(N-1) (треугольник Паскаля), которая, в конце концов, приводит к числам F⁰_L(1)= 1 и F⁰₀(N)= 1 на границах треугольника N=1 и L=0. Поэтому для построения фигурных СР М-го порядка F^M_L(N) достаточно построить треугольные СР F⁰_L(N), а затем воспользоваться рекуррентной формулой F^M_L(N)= F⁰_L(N) +М F⁰_L(N-1). Здесь под умножением СР F⁰_L(N-1) на число M подразумеваем повторение M копий этой СР. Чтобы построить треугольные СР F⁰_L(N), сводим их к уже полученным СР Фибоначчи. Для этого применяем формулу (1) разложения числа Фибоначчи S_N по треугольным числам F⁰_L(n).

(1)

Здесь выражение [N/2] обозначает целую часть числа N/2. Записываем символьную последовательность СР S_N. Затем ставим в соответствие каждому числу F⁰_L(n) в сумме (1) отрезок последовательности длиной, равной этому числу F⁰_L(n). Например, согласно формуле (1), S₁= F⁰₀(1) и S₂= F⁰₁(1). Но СР S₁= А и СР S₂= В, поэтому получаем СР F⁰₀(1)= А и СР F⁰₁(1)= В. Аналогично действуем и для получения остальных треугольных СР F⁰_L(N). Так из разложения S₃= F⁰₂(1) + F⁰₀(2) (в числах оно выглядит как 2=1+1) получаем ВА= В+ А. Отсюда СР F⁰₂(1)= В и СР F⁰₀(2)= А. Далее, например, из разложения S₈= F⁰₇(1) + F⁰₅(2) + F⁰₃(3) + F⁰₁(4) (в числах оно выглядит как 21= 1+ 6+ 10+ 4) получаем ВАВВАВАВВАВВАВАВВАВАВ = В + АВВАВА+ ВВАВВАВАВВ+ АВАВ, откуда СР F⁰₇(1) = В, СР F⁰₅(2) = АВВАВА, СР F⁰₃(3)= ВВАВВАВАВВ, СР F⁰₁(4)= АВАВ. Преимущество такого способа построения треугольных СР состоит в том, что они наследуют от фибоначчиевых СР их стохастические свойства.

Для блоков А и В брались разные слоистые AlGaAs гетероструктуры с толщинами в несколько монослоев (МС) GaAs по 0,565 нм (слоистые структуры слева на рис.1), чтобы полная длина СР не превышала характерной длины свободного пробега электронов 100 нм. При такой толщине можно пренебречь вероятностью образования доменов сильного электрического поля, нарушающих предполагаемую когерентность электронов проводимости на всем протяжении СР. Толщины и состав слоев гетероструктур в блоках А и В подбирались так, чтобы ВАХ имела протяженный падающий участок волнообразной формы ВАХ в умеренных электрических полях менее 10 кВ/см (рис.2).

Для расчета ВАХ применялась формула Цу-Есаки в сочетании с традиционным методом матрицы переноса. Правильность работы вычислительных процедур проверялась воспроизведением графика ВАХ традиционной двухбарьерной AlGaAs гетероструктуры.

Каждый блок B квазипериодической СР состоял из барьера толщиной 2 МС, за которым следовала потенциальная яма толщиной 16 МС. Каждый блок А квазипериодической СР состоял из барьера также толщиной 2 МС, за которым следовала потенциальная яма существенно большей толщины 32 МС (см.зонную диаграмму в середине рис.2). Высоты V потенциальных барьеров (в эВ) и значения эффективной массы M (в единицах массы свободного электрона) находились из традиционных выражений V= 1.11x + 0.93x² + 0.85x³ и M= 0.067 + 0.083x, где x - доля алюминия в Al_xGa_1-xAs-слое. Эта доля составляла x =0.12, что давало высоту потенциального барьера 0.15 эВ для электронов проводимости. В крайних n+GaAs-слоях энергия Ферми принималась равной 0.069 эВ, а эффективная масса M= 0.067. К потенциальному профилю барьеров и ям была добавлена контактная разность потенциалов 0.1 эВ между крайними n+GaAs-слоями и средними нелегированными i-AlGaAs-слоями. Температура принималась равной 300 К.

На рис.3 показаны ВАХ нелинейных элементов КНС на основе фигурных СР F⁰₁₁(2)= ABBABABBABBA и СР F⁸₁₁(2)= ABBABABBABBABBBBBBBB в сравнении с эталонной кубической ВАХ нелинейного элемента КНС. Эталонная ВАХ имеет симметричный падающий участок с одинаковыми положительной и отрицательной ветвями и служит для сравнения всех остальных ВАХ. ВАХ нормируются так, что имеют одинаковый максимальный ток I=10 мА, а крайние растущие участки пересекаются с нулем при напряжениях V_nk =0 и 1 В. При микроэлектронном исполнении КНС такой сдвиг нуля ВАХ достигается добавлением соответствующих постоянных источников тока и напряжения ко всем ячейкам КНС.

1.2.1.Параллельное преобразование изображения с помощью КНС.

Рассматривалась КНС, получаемая из нейросети в виде плоской решетки нейронов ФицХью-Нагумо, моделирующей двумерную возбудимую среду. После предположения об отсутствии медленного ингибитора эта система сводится к одному диффузионно-реакционному уравнению

(2)

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов книги