ВВЕДЕНИЕ. 3

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРОСЛУШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ.. 6

1.1. История создания. 10

1.2. Основные виды прослушивающих устройств. 12

2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРОСЛУШИВАНИЯ.. 19

2.1. Микрофоны.. 19

2.2. Жучки. 26

3. ЗАЩИТА ОТ ПРОСЛУШИВАНИЯ.. 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ГЛОССАРИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Мы живем во время интерактивных технологий, когда информация стала самым дорогим товаром. Сейчас, дабы получить необходимые сведения, используют любые средства.

Теперь установка разнообразной прослушивающей аппаратуры (жучков, телефонных жучков, других средств) не является привилегией разведки, правоохранительных органов – это может сделать каждый...

Речь идет о способах скрытого прослушивания помещений посредством технических средств. Как правило, оно осуществляется при помощи телефона, направленных, контактных микрофонов, разнообразных радио закладок. Конституция РФ (гл.2, ст. 23) допускает ограничение права гражданина на неприкосновенность частной жизни при наличии санкции суда, но этот принцип повсеместно нарушается. Виной тому не только повышенная криминализация нашего общества, но также вытекающая отсюда потребность самозащиты граждан.

Желание узнать чужие тайны присутствовало у человека всегда. Если до XX века профессионалам, любителям приходилось довольствоваться перлюстрацией писем, потайными комнатами, позволявшими незримо присутствовать при интересном разговоре, то сегодня поле их деятельности стало поистине огромным. Впервые о «жучках» громко заговорили в 1972 году на территории США, когда группа «активистов», используя содействие представителей предвыборного штаба президента Никсона тайно проникла в штаб-квартиру кандидата от Демократической партии. Не найдя интересных бумаг, взломщики оставили там несколько радиомикрофонов - жучков, желая знать, о чем говорят конкуренты по выборам.

Сейчас прослушивание чужих разговоров доступно всем: никакие сложные технологии для изготовления миниатюрных микрофонов не используются, любой мало-мальски грамотный специалист сможет собрать такой аппарат за несколько часов. Основным техническим средством прослушивания уже много лет остается обыкновенный жучок, радиомикрофон. Изменяются только его размеры, причем главной особенностью каждой конкретной модели жучка является способ маскировки. Основная тенденция последних лет - миниатюризация всей полупроводниковой техники. Наиболее широко для получения информации о содержании разговоров используются перечисленные ниже средства.

Курсовая работа заключается в изучении, анализе и описании существующей информации на тему принципа работы специальных устройств прослушивания.

Целью работы является изучение принципа работы специальных устройств прослушивания.

Объектом исследования является устройства прослушивания.

Предметом исследования является техника и методы принципа работы специальных устройств прослушивания и защита от них.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть понятие устройства прослушивания.

2. Изучить историю и развитие устройств прослушивания.

3. Описать техники и методы устройств прослушивания.

4. Описать методы защиты устройств прослушивания.

Для решения поставленных задач были применены следующие общепринятые методы исследования: анализ информации по проблеме исследования и структуризация полученного в ходе анализа материала.

Курсовая работа состоит из введения, трех разделов, заключения и библиографического списка. Пояснительная записка оформлена на 38 страницах, библиографический список состоит из 20 источников.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРОСЛУШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Бурное развитие техники, технологии, информатики в последние десятилетия вызвало еще более бурное развитие технических устройств и систем разведки. В самом деле, слишком часто оказывалось выгоднее потратить N-ю сумму на добывание, например, существующей уже технологии, чем в несколько раз большую на создание собственной. А в политике или в военном деле выигрыш иногда оказывается просто бесценным.

В создание устройств и систем ведения разведки вкладывались и вкладываются огромные средства во всех развитых странах. Сотни фирм многих стран активно работают в этой области. Серийно производятся десятки тысяч моделей «шпионской» техники. Эта отрасль бизнеса давно и устойчиво заняла свое место в общей системе экономики Запада и имеет прочную законодательную базу.

В западной печати можно найти весьма захватывающие документы о существовании и работе международной организации промышленного шпионажа «Спейс Инкорпорейтед» а заодно и познакомиться со спектром услуг, предлагаемых этой компанией. Так, английская газета «Пипл» сообщает, что среди клиентов компании есть не только промышленники, но и организованные преступные группировки. Как и любой бизнес, когда он выгоден, торговля секретами расширяет область деятельности, находя для своего процветания выгодную почву. Так, в Израиле, по примеру США, начинают относится к ведению разведки в экономической области как к выгодному бизнесу.

В качестве подтверждения можно привести факт создания бывшим пресс-секретарем израильской армии Эфраимом Лапидом специализированной фирмы «Ифат» по сбору и анализу сведений, которые могли бы заинтересовать различных заказчиков (не исключая и министерство обороны). По мнению Э. Лапида, Израиль, отличающийся большим спектром международных связей, выбором иностранной печати и удачным геополитическим положением, является «удобным» государством для организации и ведения «бизнес - разведки».

Французский журнал деловых кругов «Антреприз» так характеризует национальные черты промышленного шпионажа: «...наиболее агрессивными являются японцы. Шпионаж на Востоке носит систематический и централизованный характер. Что касается американцев, то они уделяют значительную часть своего времени взаимному шпионажу...»

Тематики разработок на рынке промышленного шпионажа охватывают практически все стороны жизни общества, безусловно ориентируясь на наиболее финансово выгодные.

В России после 1917 года ведение коммерческой разведки находилось под строгим контролем государства. В Советском Союзе в этой области были сосредоточены великолепные, если не сказать лучшие, специалисты. Выдающимся достижением было и останется на многие годы чудо технической разведки - здание посольства США в Москве, превращенное в огромное «ухо», в котором каждый вздох, каждый шорох был доступен для записи и анализа. Датчики находили даже в сварных стальных конструкциях здания, причем по плотности материала они соответствовали окружающему металлу и были недоступны для рентгеновского анализа. Эти системы были способны функционировать автономно десятки лет. Американцы вынуждены были отказаться от использования этого здания, даже несмотря на то что бывший глава КГБ Вадим Бакатин передал им схему построения этой системы.

Крушение СССР и развитие свободной рыночной экономики возродило спрос на технику подобного рода. Сказавшиеся без работы специалисты военно-промышленного комплекса не замедлили предложить своп услуги и в этой области. Спектр услуг широк: от примитивных радиопередатчиков до современных аппаратно-программных комплексов ведения разведки. Конечно, у нас нет еще крупных фирм, производящих технику подобного рода, нет и такого обилия моделей, как на Западе, но техника наших производителей вполне сопоставима по своим данным с аналогичной западной, а иногда лучше и дешевле. Разумеется, речь идет о сравнении техники, которая имеется в открытой продаже.

Естественно, аппаратура, используемая спецслужбами (ее лучшие образцы) намного превосходит по своим возможностям технику, используемую коммерческими организациями. В качестве примера можно привести самый маленький и самый дорогой в мире радиомикрофон, габариты которого не превышают четверти карандашной стерательной резинки. Этот миниатюрный передатчик питается от изотопного элемента и способен в течение года воспринимать и передавать на приемное устройство, расположенное в полутора километрах, разговор, который ведется в помещении шепотом. Кроме того, уже сейчас производятся «клопы», которые могут записывать перехваченную информацию, хранить ее в течение суток или недели, передать в режиме быстродействия за миллисекунду, стереть запись и начать процесс снова.

В уже упоминавшемся новом здании американского посольства элементы радиозакладок были рассредоточены по бетонным блокам, представляя собой кремниевые вкрапления. Арматура использовалась в качестве проводников, а пустоты - в качестве резонаторов и антенн. Анализируя опыт развития подобной техники, можно сделать вывод, что возможность ее использования коммерческими организациями является только делом времени. Выделим основные группы технических средств ведения разведки.

· Радиопередатчики с микрофоном (радиомикрофоны):

С автономным питанием;

С питанием от телефонной линии;

С питанием от электросети;

Управляемые дистанционно;

Полуактивные;

С накоплением информации и передачей в режиме быстродействия.

· Электронные «уши»:

Микрофоны с проводами;

Электронные стетоскопы (прослушивающие через стены);

Микрофоны с острой диаграммой направленности;

Лазерные микрофоны;

Микрофоны с передачей через сеть 220 В;

Прослушивание через микрофон телефонной трубки;

Гидроакустические микрофоны.

· Устройства перехвата телефонных сообщений:

Непосредственного подключения к телефонной линии;

Подключения с использованием индукционных датчиков (датчики Холла и др.);

С использованием датчиков, расположенных внутри телефонного аппарата;

Телефонный радиотранслятор;

Перехвата сообщений сотовой телефонной связи;

Перехвата пейджерных сообщений;

Перехвата факс-сообщений;

Специальные многоканальные устройства перехвата телефонных сообщений.

· Устройства приема, записи, управления:

Приемник для радиомикрофонов;

Устройства записи;

Ретрансляторы;

Устройства записи и передачи в ускоренном режиме;

Устройства дистанционного управления.

· Видеосистемы записи и наблюдения.

· Системы определения местоположения контролируемого объекта.

· Системы контроля компьютеров и компьютерных сетей.

История создания

В начале наибольшее распространение получил угольный микрофон Эдисона, об изобретении которого также независимо заявляли Г. Михальский в 1878 и П. М. Голубицкий в 1883. Угольный микрофон до сих пор используется в аппаратах аналоговой телефонии. Действие его основывается на изменении сопротивления между зёрнами угольного порошка при изменении давления на их совокупность.

Конденсаторный микрофон был изобретён американским учёным Э. Венте в 1917 году. В нём звук воздействует на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние между мембраной и металлическим корпусом. Тем самым образуемый мембраной и корпусом конденсатор меняет ёмкость. Если подвести к пластинам постоянное напряжение, изменение ёмкости вызовет ток через конденсатор, тем самым образуя электрический сигнал во внешней цепи.

Более массовыми стали динамические микрофоны, отличающиеся от угольных гораздо лучшей линейностью характеристик и хорошими частотными свойствами, а от конденсаторных - более приемлемыми электрическими свойствами.

Первым динамическим микрофоном стал изобретённый в 1924 году немецкими учёными Э. Герлахом и В. Шоттки электродинамический микрофон ленточного типа. Они расположили в магнитном поле гофрированную ленточку из очень тонкой (ок. 2 мкм) алюминиевой фольги. Такие микрофоны до сих пор применяются в студийной записи благодаря чрезвычайно высоким частотным характеристикам, однако их чувствительность невелика, выходное сопротивление очень мало (доли Ома), что значительно осложняло проектирование усилителей. Кроме того, достаточная чувствительность достижима только при значительной площади ленточки (а значит, и размерах магнита), в результате такие микрофоны имеют большие размеры и массу по сравнению со всеми остальными типами.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

В 1931 году американские учёные Э. Венте и А. Терас изобрели динамический микрофон с катушкой, приклееной к тонкой мембране из полистирола или фольги. В отличие от ленточного, он имел существенно более высокое выходное сопротивление (десятки Ом и сотни кило Ом), мог быть изготовлен в меньших размерах и является обратимым.

Совершенствование характеристик именно этих микрофонов, в сочетании с совершенствованием звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуры, позволило развиться индустрии звукозаписи. Создание малых по размеру (даже несмотря на массу постоянного магнита, необходимого для работы микрофона), а также чрезвычайно чувствительных и узконаправленных динамических микрофонов в заметной степени изменило представление о приватности и породило ряд изменений в законодательстве (в частности, о применении подслушивающих устройств).

Тогда же разработанные электромагнитные микрофоны, в отличие от электродинамических, имеют закреплённый на мембране постоянный магнит и неподвижную катушку. Благодаря отсутствию жёстких требований к массе катушки (характерным для динамических микрофонов) такие микрофоны делались высокоомными, а также порой имели многоотводные катушки, что делало их более универсальными. Такие микрофоны, наряду с пьезоэлектрическими, позволили создать эффективные слуховые аппараты, а также ларингофоны.

Электретный микрофон, изобретённый японским учёным Ёгути в начале 20-х гг. XX века по принципу действия и конструкции близок к конденсаторному, однако в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения выступает пластина из электрета. Долгое время такие микрофоны были относительно дороги, а их очень высокое выходное сопротивление (как и конденсаторных, единицы мегаОм и выше) заставляло применять исключительно ламповые схемы.

Создание полевых транзисторов привело к появлению чрезвычайно эффективных, миниатюрных и лёгких электретных микрофонов, совмещённых с собранным в том же корпусе предусилителем на полевом транзисторе.

Похожая информация.

Доброе время суток. Мы продолжаем наши статьи для новичков и к вашему вниманию представляем еще один вариант простого - жучка. Конструкция достаточно проста и думаю проблемы с ней не возникнут. Устройство собрано навесным монтажом, микрофон любой электретный, лучше подобрать с большой чувствительностью. Данное прослушивающее устройство обеспечивает дальность приема до 100 метров. Питанием жучка служит литиевая таблетка с напряжением 3 вольта. Принципиальная схема жучка:

Рассмотрим сxему устройства. Катушка содержит 6 витков провода с диаметром 0,5 мм, мотают ее на пасте от обыкновенной ручки, если нужно питать от кроны, нужно поднять номинал резистора 220 ом до 330 ом. Резистор 4,7 килоома регулирует ток микрофона.

Его номинал тоже пропорционально зависит от напряжения питания. После намотки, в катушку вставляют небольшую губку и заливают парафином. Это сделано для устранения микрофонного эффекта. Антенна - кусок изолированного провода длинной 20 сантиметров, можно и больше.

Настройку делают следующим образом - включают радиоприемник на частоту 93 мегагерц и крутят переменный конденсатор с емкостью 33 пикофарад, что стоит в колебательном контуре генератора. Крутим медленно, пока не услышим писк в динамике радиоприемника. Дальше оставляем жук в покое и настройку делаем от приемника снижая частоту до 91 мегагерц если сигнал начинает теряться, то частоту поднимаем до 95 пока не уловим частоту жучка. Если слышны искажения в разговоре, то снижаем емкость конденсатора 1000 пикофарад и на его место ставим конденсатор 220 пикофарад.

Готовое устройство ставим в удобный корпус. Антенну можно накрутить на пальчиковую батарейку, так чтобы она приняла форму пружины и спрятать ее внутри корпуса с жучком. Ток потребления жучка в пределаx 5 милиампер. Прослушивающее устройство готово к использованию. Схему прислал - АКА.

Обсудить статью ПРОСЛУШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Шишкин Г. Г., Агеев И. М.

Рассматриваются особенности квантовых компьютеров, электронных устройств на сверхпроводниках, а также приборов нанобиоэлектроники. Каждая глава снабжена контрольными вопросами и заданиями для самоподготовки.

Для студентов технических вузов, аспирантов, преподавателей и практических специалистов в области электроники.

Издательство: БИНОМ. Лаборатория знаний
Год издания: 2011
Формат: 60x90/16
Страниц: 408

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Раздел 1. Физические и технологические основы

наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Глава 1. Теоретические основы наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Основные положения квантовой механики,

используемые в наноэлектронике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2. Момент импульса и спин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

1.3. Магнитный резонанс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4. Туннельный переход через потенциальный барьер. . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.5. Квантовые потенциальные ямы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.6. Интерференционные эффекты в наноструктурах. . . . . . . . . . . . . . . . . .27

Элементы зонной теории и транспортные явления

в наноразмерных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

1.8. Сверхрешетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Плотность энергетических состояний

в низкоразмерных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.10. Одноэлектроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

Физические основы спинтроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Глава 2. Физические свойства наноструктур

и наноструктурированных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.1. Классификация низкоразмерных структур и наноматериалов. . . . . . . . . 54

2.2. Свойства двумерных структур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.3. Свойства одномерных структур и материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

2.4. Свойства углеродных наноструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

Свойства наночастиц и материалов с наночастицами. . . . . . . . . . . . . . . . .92

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Глава 3. Технология создания наноматериалов

и наноструктур и методы их диагностики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.1. Методы диагностики нанообъектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

Эпитаксиальные методы создания тонких пленок

и гетероструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

3.3. Технология создания квантовых точек и нитей. . . . . . . . . . . . . . . . 112

Основные технологические методы создании

углеродных наноматериалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118

3.5. Методы зондового сканирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

Нанолитография. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Раздел 2. Наноэлектронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Глава 4. Полупроводниковые гомо+ и гетероструктуры

и приборы на их основе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.1. Электрические гомо+ и гетеропереходы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

4.2. Туннельные диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159

4.3. Биполярные транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168

Полевые транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232

Глава 5. Наноэлектронные приборы на основе

квантово+размерных структур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

5.1. Резонансно+туннельные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

5.2. Одноэлектронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

5.3. Спинтронные приборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

5.4. Полупроводниковые фотоприборы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды. . . . . . . . . . . 290

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

Глава 6. Базовые логические элементы квантовых компьютеров. . . . . . . 318

6.1. Общие сведения о квантовых компьютерах. . . . . . . . . . . . . . . . . .318

Базовые элементы полупроводникового кремниевого

квантового компьютера на основе ядерно+магнитного

резонанса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .324

Базовые элементы для квантовых компьютеров

на квантовых точках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

Логические элементы квантовых компьютеров

на сверхпроводниках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341

Глава 7. Сверхпроводимость и электронные устройства

на сверхпроводниках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

7.1. Основные свойства сверхпроводящего состояния. . . . . . . . . . . . . 342

7.2. Сверхпроводники 1+го и 2+го рода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355

Джозефсоновские переходы и их модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364

7.4. Аналоговые сверхпроводниковые устройства. . . . . . . . . . . . . . . . 374

Криотроны, логические элементы и элементы памяти

на джозефсоновских переходах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383

Электронные устройства, использующие ВТСП. . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

Глава 8. Нанобиоэлектроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

8.1. Общие положения и термины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

8.2. Электропроводные свойства ДНК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394

8.3. Приборы на основе биоэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

Конечный биоавтомат Шапиро. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

Контрольные вопросы и задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404

Наноэлектронные приборы и устройства создаются с помощью методов нанотехнологии. Под нанотехнологией подразумевается совокупность технологий, процессов и методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами с целью получения новых материалов, приборов и устройств. Нанотехнология может использоваться в электронике, материаловедении, химии, механике, биомедицине и других областях науки и техники. А атомной и квантовой физике характерной единицей длины принято считать величину 1 А или 10 -10 м., данный выбор обусловлен тем, что ангстрем соответствует диаметру самого маленького из атомов - атома водорода. Диаметры других атомов могут лишь немного превышать 2 А. Нанометр в 10 раз больше.

Область нанодиапазона от 1 нм до 100 нм. В живой природе, состоящей так же, как и неживая материя, из атомов, молекулы протеина и липидов имеют размеры до 10 нм. Масштаб рибосом и вирусов лежит в пределах 100 нм. Например, один из продуктов нанотехнологии - нанотрубки,а также элементы сверхбольших интегрированных схем тоже имеют размеры ~100нм. Именно это дает надежду на успешное совмещение технологий живых и неживых систем, создание микроминиатюрных устройств, лекарств. Следует отметить, что с возрастанием производительности микрочипов они становятся дешевле и потребляют меньше энергии по сравнению с чипами предшествующего поколения.

Рис. 5.

По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Это и есть основные объекты исследований и разработок новой области электроники - наноэлектроники.

Разработанные за последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов.

Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживается недостаточной их изученностью, а главное, отсутствием удобных для массового производства технологий, позволяющих конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологии, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века.

В основе приборов наноэлектроники лежат волновые свойства электрона и связанные с этим другие физические явления и эффекты. Движение электрона и связанной с ним волны де Бройля в наноразмерных твердотельных структурах определяется эффектами, споряженными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры. И эти эффекты будут вносить тем больший вклад в электрические процессы в элементе, чем меньше его размер. Когда же размер элемента сравнится с длиной волны электрона, эти эффекты станут преобладающими.

На данном рисунке приведена уникальная фотография, экспериментально подтверждающая наличие дебройлевской волны. С помощью туннельного микроскопа удалось рассадить 48 атомов железа на поверхности меди. Сформирован «квантовый загон» радиусом 7,1 нм. Волны внутри загоны представляют собой стоячие волны зарядовой плотности, соответствующие решению уравнения Шредингера. Возникновение или отсутствие изображения зависит от положения вновь имплантированного атома. Если дебройлевские волны складываются в фазе в процессе конструктивной интерференции, то изображение появляется. При деструктивной интерференции оно исчезает. Эта картинка - одно из доказательств волновой природы отдельного атома или электронов и внешних его орбит.

Решение проблем перехода от микро- к наноэлектронике вовсе не отрицает дальнейшего пути развития микроэлектроники. Однако становление наноэлектроники сулит новые научные достижения и разработки в области технологии во многих отраслях науки и техники. Развитие научных исследований наноструктур и нанотехнологий позволит получить материалы и приборы с новыми уникальными свойствами и, следовательно, решить ряд актуальных задач как в области электроники, так и во всех остальных отраслях науки и промышленности. В наномире будут работать и «старые» идеи схемотехнической электроники, в основе которых лежит использование усовершенствованного транзистора. Вместе с тем, наномир способствует рождению свежих идей, связанных с волновыми свойствами электрона, с солитонами, как носителями информационного сигнала, с новыми материалами, с новой технологией. Поэтому и появляются новые приборы и устройства наноэлектроники, реализованные либо на совершенно новых принципах, либо на хорошо забытых методах обработки информации.

После принципиального шага в развитии электроники – перехода к интегральным схемам – в соответствии с законом Мура шел процесс дальнейшей миниатюризации устройств и уменьшения их электропотребления. Например, в ближайшие годы предполагается уменьшение размера микрофона мобильного телефона настолько, что он будет сопоставим с толщиной человеческого волоса. На рисунке 6.1 приведены для сравнения фотографии первой интегральной схемы Дж. Килби (1958) и первой интегральной схемы на одной углеродной нанотрубке (2006). Плотность информации в устройствах современной наноэлектроники сопоставима с плотностью информации, зашифрованной в ДНК.

Специалисты области микроэлектроники обоснованно называют её развитие одним из стратегических направлений мирового научно-технического прогресса. Именно развитие микроэлектроники сделало возможным реализацию идей нанотехнологии и послужило од-ним из объективных факторов, вызвавших третью научно-техническую революцию. И в настоящее время электроника является основной практической областью применения нанотехнологии. Вместе с тем наноэлектроника отличается от микроэлектроники рядом существенных моментов. Это совершенно новая область науки и техники, которая использует быстродействующие и сверхминиатюрные системы, функционирующие на основе квантовых эффектов. Удивительные новые возможности наноэлектроники сопровождаются неизвестными ранее трудностями, связанными с квантовой природой процессов в ее устройствах. Такая ситуация вообще характерна для наноструктур. Возникают проблемы, связанные с различными пределами (ограничениями), обусловленными фундаментальными законами физики: предел однозначного представления и обработки информации; предел, связанный с тепловым делением; предел терминированного (точного) управления устройствами и т. д.

Например, серьезную проблему для компьютеров составляет тепловыделение, которое уже сейчас близкая к критическому. Плотность упаковки элементов на чипе лимитируется не только размерами атомов, но ипринципом Ландауэра, по которому потеря каждого бита информации поводит к выделению тепла в количестве k Б T ln 2, где k Б – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, ln 2 ≈ 0,7. Чем больше скорость компьютера, тем больше тепловыделение. Для борьбы сперегревом в суперкомпьютерах предлагается создавать локальные низкие температуры или даже размещать на компьютере на геостационарных орбитах, используя низкую температуру космоса. Выгодная особенность оптических компьютеров как раз состоит в том, что в них свет проходит через оптическую систему практически без тепловыделения, тепло выделяется только в детекторах, считывающих информацию.

Именно тепловыделение создает основные трудности для реализации суперкомпьютера с частотой 3 – 10 квадриллионов (10 15) в секунду (3–10 petaflops). Группа японских компаний надеется достичь такого предела к 2011 г. за счет проекта в 700 млн долларов. В 2006 г. в Иокогаме был продемонстрирован петафлопный суперкомпьютер MDGrape-З с рекордной теоретической производительностью 1 квадриллион операций в секунду. Специалисты компании «IBM», одного из лидеров в области суперкомпьютеров, сравнивают производительность такой системы с производительностью стопки ноутбуков высотой около 2400 м.

Стоит вспомнить, что первая электронно-вычислительная машина ENIAC, созданная в 1946 г. «IBM» по заказу Министерства обороны США, производила 5 тыс. операций в секунду. При этом она весила 30 т и состояла из 18 тыс. электронных ламп.

Еще один пример физического предела, связанного с переходом к наноразмерам, – предельная толщина изолирующего слоя оксида кремния в транзисторе. Если слой тоньше 1,5–2 нм (4–5 молекул), возникают неконтролируемые туннельные переходы и перегревы.

В кратком изложении трудно описать все проблемы и перспективы наноэлектроники. Выделим нижеследующие.

Переход на наноразмеры поставил задачу создания молекулярного компьютера, который должен включать молекулярные транзисторы, наноустройства памяти, наноразмерные провода. Если молекулярный транзистор будет размером порядка 1 нм (3–5 размеров атома), плотность размещения элементов электроники возрастет по сравнению с нынешней в 10 тыс. раз. Однако нанотранзистор – это квантово-механическое устройство, и протекающий через него ток нельзя рассматривать как непрерывный поток электронной «жидкости»: он дробится на небольшое число электрических зарядов. Конструирование и использование нанотранзистора базируются на законах квантовой механики и достаточно сложны.

Любой транзистор представляет собой систему, в которой можно управлять силой тока между двумя элементами влиянием на них третьего элемента. Молекулярный транзистор может представлять собой всего одну молекулу с переменными электрическими свойст­вами. Таким образом, в ней будут совмещены все три элемента транзистора. Например, молекула фотохромного соединения меняет свою конфигурацию в результате электрохимического окисления. Уже созданы нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок, фуллеренов и пр.

В микроэлектронике в транзисторах используется полупроводник, так как в нем легко управлять концентрацией носителей заряда. Но полупроводниковыми свойствами могут обладать также кластеры металла при определенном числе атомов в них. Для стабильности системы берутся кластеры с магическим числом атомов.

Полученные результаты научных исследований пока не привели к созданию массовой технологии нанотранзисторов, но ведущие лаборатории мира и крупнейшие фирмы в области электроники ведут активную работу и не расшифровывают полностью свои практи­ческие разработки, имеющие большое экономическое и военное значение.

Важная составляющая молекулярного компьютера – память – будет четко разделяться на оперативную, быстродействующую, и память более «медленную», но зато с длительным хранением информации. Отдельным элементом памяти также может быть отдельная молекула, которая под внешним воздействием (например, лазерного излучения) меняет свое состояние. Два состояния молекулы соответствуют двоичному коду. В этом случае возможны проблемы, связанные с самопроизвольным переходом молекулы в другое состояние из-за теплового движения или туннельного перехода, что приведет к потере информации.

И наконец, еще одна необходимая составляющая молекулярного компьютера – нанопровода, соединяющие все его элементы. Здесь вы двигаются различные вари анты. Один из них – использование углеродных нанотрубок, в том числе наполненных атомами металла. Возможно использование макромолекул полимеров, проводящих электрический ток. В 2005 г. в журнале «Nature» появилось сообщение о «микробной нанопроволоке», которую вырабатывают микроорганизмы Geobacter (рис. 6.2). Они при переработке отбросов сточных вод превращают химическую энергию в электроэнергию. Этот процесс сопровождается построением электропроводящих структур. Заметим, что планируется использование колоний этих бактерий для биологической очистки воды от химикатов, нефти и тяжелых металлов, а также для получения батарей нового типа, актуальных для глубоководных сенсоров. Появлялись сообщения о металлизации паутины, нитей дрожжевых белков и пр.

Во всех случаях главной остается проблема присоединения нанопровода к другим наноэлементам молекулярного компьютера. Для массовой технологии таких способов пока нет. Надежды, как часто в нанотехнологии, связаны с развитием механизмов самоорга­низации.

Разновидностью молекулярного компьютера является биологический компьютер, все части которого построены из биомолекул. В частности, им активно занимается Американское агентство оборонных перспективных исследовательских разработок «DARPA» (именно в его недрах родился Интернет).

Возможно, в будущем подобные устройства будут вживляться в человеческий организм в качестве постоянного активного сенсора.