- 10.3. Магнетоэлектроника
- 10.6. Диэлектрическая электроника
- Чем вызвана необходимость развития функциональной микроэлектроники как новой отрасли технической электроники
- Какие физические явления используются в функциональной микроэлектронике
- Что собой представляет оптоэлектронный прибор
- Какие функции выполняют оптоэлектронные приборы Как работает линия оптической связи
- В чем состоит сущность голографии Как используются принципы голографии при создании запоминающих устройств ЭВМ
- Как работает электроакустический усилитель
- Как устроена матрица памяти на тонких магнитных пленках Какие температуры считаются криогенными
- Что изучает хемотроника
- Чем занимается биоэлектроника как отрасль науки и техники Как устроен нейрон
Функциональная электроника. Тных волнах () и вид преобразователя (Пр) сверху () Пп полу
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
ная акустическая волна, движущаяся со скоростью  . Давление  в кристалле при этом от точки к точке меняется. В тех местах, где кристалл сжимается (> 0), пьезо-э.д.с. (Ев) замедляет движение электронов, а в тех местах, где растягивается, - ускоряет. В результате этого в начале каждого периода волны образуются сгустки электронов. При  > сгустки движутся в тормозящих участках волны и передают ей свою энергию, чем и обеспечивается усиление. Подобные акустоэлектронные усилители могут давать выходную мощность сигнала порядка нескольких ватт, имея полосу пропускания до 300 МГц. Их объем (в микроэлектронном исполнении) не превышает 1 см .Основным недостатком объемных ЭАУ является сравнительно большая мощность, рассеиваемая в звукопроводе. Более перспективными в этом отношении являются ЭАУ на поверхностных волнах. Структура такого усилителя показана на рис. 10.12,  . С помощью вход - Рис. 10.12. Структура электроакустического усилителя на поверхнос- тных волнах ( ) и вид преобразователя (Пр) сверху ( ): Пп — полу-проводник, Пэ — пьезодиэлектрик ного решетчатого пьезопреобразователя (рис. 10.12, ), напыляемого на поверхность пьезоэлектрического кристалла Пэ в последнем возбуждается акустическая волна. На некотором участке поверхность пьезокристалла соприкасается с поверхностью полупроводниковой пластины, в которой от источника Е проходит ток. Следовательно, на участке поверхностного контакта пьезокристалла и полупроводника произойдет взаимодействие акустической волны с потоком электронов. Именно на этом участке происходит акустическое усиление сигнала, который затем снимается в виде усиленного переменного напряжения с выходного преобразователя, работающего в режиме обратного пьезоэффекта.Достоинство ЭАУ поверхностного типа состоит в том, что материалы пьезоэлектрика и полупроводника могут быть разными. Первый из них должен обладать высокими пьезоэлектрическими свойствами, второй - обеспечивать высокую подвижность электронов. В качестве полупроводникового слоя в подобных усилителях используют обычно кремниевый монокристалл  -типа толщиной около 1 мкм, выращенный на сапфировой подложке эпитаксиальным способом. Этот материал имеет удельное сопротивление порядка 100 Ом · см и подвижность носителей заряда до 500 см /(В · с). Длина рабочей части поверхностного ЭАУ составляет примерно 10 мм, ширина 1,25 мм, потребляемая мощность постоянного тока порядка 0,7 Вт.Акустоэлектронные устройства являются весьма перспективными, особенно для широкополосных схем и схем сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. 10.3. Магнетоэлектроника Одним из наиболее перспективных направлений развития функциональной микроэлектроники является магнетоэлектроника, связанная с использованием свойств тонких магнитных пленок. Применение магнитных материалов в качестве носителей информации основано на том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, соответствующими двум пороговым участкам цикла перемагничивания - магнитному насыщению и размагничиванию (остаточной намагниченности). Длительный период в качестве магнитных материалов использовались, главным образом, ферритовые сердечники. Однако энергия, необходимая для перемагничивания ферритовых сердечников, и время, затрачиваемое на этот процесс, были относительно большими. С появлением тонкопленочных магнитных элементов удалось сократить эти показатели в десятки раз и совместить технологию изготовления тонкопленочных магнитных элементов с производством других элементов интегральных микросхем. Для магнитных пленок наиболее интересные электрические свойства связаны с гальваномагнитными эффектами, основанными на взаимодействии носителей тока с магнитным полем в пленке. Наиболее распространенным методом получения тонких магнитных пленок является вакуумное испарение.  Для нужд микроэлектроники и вычислительной техники чаще всего используются тонкие пленки пермаллоя (сплав никеля и железа с небольшими добавками меди, хрома н молибдена). Такие пленки обеспечивают необходимое сочетание достаточно высокого быстродействия, информационной емкости в ограниченном объеме с малыми энергетическими затратами на управление и сохранение информации.На рис. 10.13 показана схема построения матрицы памяти на тонких магнитных пленках. На стеклянной подложке 2 вначале Рис. 10.13. Схема построения матрицы формируется медная плёнка 3, на которую затем методом испаре- памяти на четких магнитных пленках: ния в вакууме наносится пермаллоевая магнитная пленка 1 тол- 1 - пленка; 2 - подложка; 3 - подслой ме- щиной порядка 0,01 мкм. Далее на основе полиамидной пленки 7, ди; 4 - диэлектрическая пленка; 5 – сигна- фольгированной с двух сторон в процессе стандартной фотолито- льно-разрядные шины: 6 - числовые ши- графии, формируют перпендикулярно расположенные друг к дру- ны; 7 - полиамидная пленка гу числовые и сигнально-разрядные шины шириной 0,07 мм и с шагом 0,14 мм. Полученная таким образом управляющая матрица проводников накладывается на стеклянную пластинку с пермаллоевой пленкой. Если теперь по числовой и сигнально-разрядной шинам пропустить токовые импульсы, то они при своем совпадении на перекрестии шин перемагнитят участок пленки. Следовательно, под перекрестием шин появится определенным образом сориентированный домен. Это локальное положение намагниченности можно принять за «1». Магнитостатические характеристики магнитной пленки обеспечивают стабильное положение сформированного домена и длительное хранение записанной информации. Для того чтобы такая ситуация была обнаружена (воспроизведена), в числовую шину подается переменный ток частотой 10 МГц, который раскачивает домен с такой же частотой относительно сигнально-разрядной шины на угол менее 90°. В результате составляющая полного магнитного потока домена изменяется по абсолютной величине между максимальным значением и нулем с частотой, вдвое большей, чем частота тока в числовой шине. При этом возникает (наводится) выходной сигнал, который снимается с сигнально-разрядной шины. Поданные в момент воспроизведения в числовую шину импульсы тока частотой 10 МГц вызывают появление выходного сигнала в сигнально-разрядной шине с частотой 20 МГц. Воспроизведенный сигнал сравнивается с сигналом от так называемой опорной шины, расположенной всегда над ячейками, хранящими «0». При воспроизведении «0» оба сигнала (воспроизведенный и опорный) находятся в фазе и выходное разностное напряжение, поступающее на усилитель, практически равно нулю. Если же воспроизводится «1», то полезный сигнал оказывается сдвинутым по фазе относительно опорного на 180° и амплитуда, выходного сигнала будет удваиваться. Это позволяет четко различить нулевой уровень сигнала от единичного и надежно представить воспроизведенную информацию в двоичном коде. Следует отметить, что на тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители и другие устройства. 10.4. Криоэлектроника Криогенная электроника, или криоэлектроника (от греческого «криос» - холод, мороз), - одна из новых и весьма перспективных отраслей науки, сформировавшаяся в последние годы. Ее интенсивному развитию способствовали, с одной стороны, широкие исследования явлений, происходящих в твердом теле при низких температурах, и практическое применение полученных результатов в различных отраслях радиоэлектроники, а с другой - достижения криогенной техники, позволившие разработать экономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждения. К криогенным температурам относят температуры в пределах 20...0 К. Известно, что сопротивление любого металла при понижении температуры падает. Однако в некоторых металлах и сплавах, помимо такого нормального уменьшения удельного сопротивления, наблюдается и совершенно новое явление: при температуре около 20 К и ниже их сопротивление падает до нуля. Такие материалы называются сверхпроводниками. В настоящее время сверхпроводимость удалось обнаружить примерно у двадцати элементов (в частности, свинца, ртути, алюминия, теллура), многих металлических сплавов (сплава свинца с золотом), а также у других соединений, содержащих неметаллы (сульфида, мели, карбида, молибдена и др.). Если в кольцо из сверхпроводящего материала ввести ток, то он будет присутствовать в нем очень долго (в течение многих месяцев и даже лет). Это объясняется тем, что электроны проходят через материал, находящийся в сверх проводящем состоянии, без потерь энергии. Известно также, что сверхпроводник характеризуется нулевой магнитной индукцией. Если материал становится сверх проводящим, то он как бы выталкивает любое заключенное в нем магнитное поле, а полный магнитный поток, охватывающий сверхпроводящую цель, измениться не может. Использование низких температур позволяет добиться кинетической упорядоченности (упорядоченности движения) носителей заряда, свести к минимуму тепловую хаотичность колебательных движений атомов в кристаллической решетке твердого тела, т. е. в значительной степени уменьшить уровень флуктуационных собственных шумов соответствующих приборов. Тем самым использование криогенных температур позволило значительно улучшить технические и экономические параметры электронных устройств, в том числе и в вычислительной технике. На основе явлений сверхпроводимости металлов и сплавов, появления у металлов при температуре ниже 20 К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности носителей заряда и других криогенных явлений удалось по-новому подойти к созданию усилительных и переключающих элементов, запоминающих устройств, фильтров, резонаторов, линий задержки и т. п.  Рис. 10.14. Криотронный Наиболее распространенным криогенным прибором является криот - переключатель рон, представляющий собой переключающий криогенный элемент, осно- ванный на свойстве сверхпроводников скачком менять свою проводимость под воздействием магнитного поля. На рис. 10.14 показана схема, поясняющая принцип действия криотрона. В своей первоначальной и простейшей форме криотрон представлял собой сверхпроводящий провод, который можно было переключать из состояния с нулевым сопротивлением в нормальное состояние при помощи магнитного поля, создаваемого электрическим током, протекающим по другому сверхпроводнику. Провод, переключаемый из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно, называется вентильным. В схеме на рис. 10.14 таким проводом служит танталовый провод, критическая температура которого равна 4,4 К. Другой провод, в данном случае сделанный из ниобия (его критическая температура равна 8 К), называется управляющим и наматывается в виде соленоида вокруг вентильного провода. Экспериментальным, путем установлено (эффект Мейснера): если приложить магнитное поле параллельно сверхпроводящей проволоке, то при определенной (критической) величине напряженности этого поля сопротивление проволоки внезапно восстанавливается. Физический смысл этого явления состоит в том, что изменение внешнего магнитного поля индуцирует токи на поверхности металла. Магнитное поле и поверхностный ток проникают в сверхпроводник на глубину 10 - 100 нм. Наличие тока в очень тонком поверхностном слое сверхпроводника приводит к увеличению его сопротивления. Напряженность внешнего магнитного поля в криотроне изменяется с помощью тока  , пропускаемого через управляющий провод. В зависимости от величины этого тока скачкообразно меняется ток вентильного провода от значения  , когда провод находится в сверхпроводящем состоянии, до значения  при восстановлении его сопротивления.Отношение изменений этих токов называют коэффициентом усиления по току  (10.3)Время перехода криотрона из одного состояния в другое составляет доли микросекунды, т. е. эти приборы обладают высоким быстродействием. Как и любой другой быстродействующий переключатель, криотрон можно применять в логических цепях ЭВМ. При использовании тонкопленочных криотронов они оказываются весьма миниатюрными: на 1 см площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности все еще ограничивают широкое внедрение криотронов в вычислительную технику.10.5. Хемотроника Хемотроника как новое научно-техническое направление возникло на стыке электрохимии и электроники. Это наука о построении разнообразных электрохимических приборов на основе явлений, связанных с прохождением тока в жидких телах с ионной проводимостью. Исследования показали, что жидкостные системы имеют ряд важных преимуществ перед системами на основе твердых тел. К основным достоинствам жидкостных (электролитических) приборов следует отнести: низкие рабочие напряжения (до 1 В) и малые токи (микроамперы), что позволяет создавать весьма экономичные приборы; появление нелинейности характеристик при малых приложенных напряжениях (0,05…0,005 В), что позволяет достичь высокой чувствительности нелинейных преобразователей; протекание физико-химических процессов в тонком слое (единицы микрометров), что дает возможность создавать микроминиатюрные элементы схем. Вместе с тем следует учитывать, что небольшая подвижность (порядка 5 · 10  см/(В · с)) значительно ограничивает сверху рабочий частотный диапазон этих приборов ( кГц).В настоящее время предложено большое число различных хемотронных приборов и устройств: управляемые сопротивления, точечные и плоскостные электрохимические диоды и транзисторы, интеграторы, блоки памяти ЭВМ, каскады усиления постоянного тока и др. Общность механизма работы хемотронных приборов и электрохимических механизмов восприятия, преобразования и хранения информации в сложнейших системах живых организмов (в том числе и в нейронах человеческого мозга) позволяет рассчитывать на создание в будущем на жидкостной основе биопреобразователей информации - своеобразных моделей человеческого интеллекта. Из разнообразных технических средств хемотроники наибольший интерес представляют управляемые сопротивления и запоминающие устройства. Конструкция электрохимического управляемого сопротивления (этот прибор иногда называют мимистором) показан на рис. 10.15. Принцип работы мимистора основан на изменении сопротивления проводника в результате катодного осаждения на него металла или анодного растворения. Мимистор, работающий с использованием  медного электролита, состоит из стеклянного корпуса 4, заполненного электролитом 1 (обычно  этанол).На одной из стенок герметично закрытой ванны нанесена электро- Рис. 10.15. Устройство хемотронного уп- проводящая подложка 6, имеющая выводы 7 и 5, расположенные равляемого сопротивления (мимистора) вне гальванической ванны. Электролит омывает электрод 2 с вы – выводом 3. Входные сигналы подаются на электропроводящую подложку 6 и электрод 2. В зависимости от полярности входных сигналов на подложке 6 медь будет или гальванически осаждаться, или анодно растворяться. Тем самым будет изменяться электрическое сопротивление медной пленки, находящейся на подложке 6. Воспроизведение величины изменяющегося сопротивления обычно производят с помощью мостовых измерительных схем. Приборы подобного типа имеют диапазон изменения сопротивления 0 - 1000 Ом, диапазон токов управления 0,05...1 мА, потребляемую мощность управления 10  …10 Вт, объем 0,2...0,4 см, массу - несколько граммов. Они могут работать при температурах –15 ... +100º С, устойчивы к ударным нагрузкам и вибрации. Все эти качества мимисторов делают ах весьма перспективными приборами для использования в автоматике, вычислительной .и .измерительной технике. Они находят применение для создания реле времени, счетчиков импульсов, интегрирующих устройств, самонастраивающихся систем автоматики и т. п.Принцип действия хемотронной ячейки памяти иллюстрирует рис. 10.16. В герметичном пластмассовом корпусе расположены два пластинчатых электрода 1 из золота или платины. Электроды с внутренней стороны изолированы эпоксидным покрытием 2, за исключением узкого зазора 3, ширина которого не должна превышать 0,1 мм. На противоположной стенке ячейки напротив зазора расположен медный электрод 4. Расстояние между этим электродом и пластинами Рис. 10.16. Хемотронная ячейка памяти: 1 – пластинчатые электроды из золота или платины; 2 – эпоксидное изолирующее покрытие; 3 – междуэлектродный зазор; 4 – медный электрод  электродами 1 составляет примерно 0,5 мм. Сопротивление между электродами 1 зависит от наличия раствора электролита в зазоре 3. Если зазор заполнен раствором, то это сопротивление велико. При подаче на электроды 1 напряжения, - отрицательного относительно электрода 4, последний начинает растворяться, и в зазоре 3 происходит отложение меди. Через некоторое время (время записи) зазор между электродами 1 будет замкнут осажденной медью и сопротивление между ними резко снизится из-за высокой проводимости меди. Если же на электроды 1 подать напряжение, положительное относительно электрода 4, то осажденная в зазоре медь растворяется и ячейка возвращается в прежнее состояние, характеризуемое высоким сопротивлением между электродами 1. Таким образом, ячейка имеет два устойчивых состояния, позволяющих записывать информацию в двоичном коде. С помощью несложной схемы коммутации на трехпозиционном переключателе SА можно осуществлять три вида операций - записи, воспроизведения и стирания. При положении І переключателя на электроды 1 от источника  через резистор  подается отрицательное относительно электрода 4 напряжение. При этом происходит запись - в зазоре 3 осаждается медь. При положении ІІІ переключателя полярность напряжения, поступающего от источника , изменяется. Медь в зазоре растворяется - происходит стирание. Положение ІІ переключателя соответствует воспроизведению когда к электродам 1 подключается измерительная схема, состоящая из источника  и резистора  . Выходным сигналом служит падение напряжения  на резисторе . При замкнутом зазоре  , при разомкнутом  .10.6. Диэлектрическая электроника При изучении свойств тонких пленок, различных металлических и неметаллических материалов, используемых в микроэлектронике, были обнаружены новые интересные физические явления. Так, в двухслойной пленочной структуре, состоящей из тонких (порядка 1-10 мкм) пленок металла и диэлектрика (рис. 10.17), приконтактная область диэлектрика обогащается электронами, эмитированными из металла. В массивных образцах диэлектрика эти узкие приконтактные области повышенной электропроводности практически не влияют на токовый режим. В тонких же пленках эмиттированные из металла в диэлектрик носители заряда существенно изменяют электропроводность диэлектрического слоя. Если те- Рис. 10.17. Эмиссия элек- перь приложить к диэлектрику, обогащенному носителями заряда, разность тронов из металлической потенциалов, то через него пройдет ток, величина которого будет зависеть от п  ленки в тонкий слой ди- числа эмитированных в диэлектрик из металла электронов. Это явление поз-электрика волило создать новый класс микроэлектронных приборов, составляющих технические средства диэлектрической электроники. В качестве примера рассмотрим принцип действия простейших диэлектрических приборов — диода и транзистора.  Диэлектрический диод (рис. 10.18, ) представляет собой пленочную структуру типа МДМ (металл-диэлектрик-металл). Металлические пленки изготавливают из разнородных металлов с различной работой выхода (из золота и индия), диэлектрическая пленка образована путем осаждения на металл тонкого слоя сернистого кадмия (CdS). Выпрямительный эффект в диэлектрическом диоде определяется различием работ выхода из истока и стока. По- Рис.10.18. Диэлектрический диод () иэтому в одном направлении возникают большие токи, а в обратном транзистор ( )- очень малые. Коэффициент выпрямления такого диода (отношение прямого тока к обратному) достигает значений 10  и выше. В диэлектрическом транзисторе (рис. 10.18, ) три электрода - исток, сток и затвор. Пленочные исток и сток могут быть выполнены из металла или, как показано на рисунке из обогащенного электронами кремния -типа. Слой затвора высокоомный. Им может служить диэлектрик или полупроводник -типа с низкой дырочной электропроводностью. Конфигурация затворного слоя и уровень электропроводности отдельных участков выбираются так, чтобы имитировать функции управляющей сетки в вакуумном триоде. Подаваемое на затвор внешнее напряжение управляет величиной тока между истоком и стоком.Приборы и устройства диэлектрической электроники микроминиатюрны, малоинерционны, обладают низким уровнем собственных шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и радиации. Создание эмиссионных токов в диэлектриках не требует затрат энергии. Поэтому диэлектрические приборы весьма экономичны. 1   0.7. Функциональные устройства, основанные на эффекте ГаннаПримером реализации эффекта Ганна (параграф 2.6) для построения схемы с регулируемой формой выходного сигнала может служить устройство, показанное на рис. 10.19, . Его основу составляет кристалл арсенида галлия длиной 1 мм, шириной 0,5 мм и толщиной 0,5 мм. К концам пластины приправлены омические контакты из чистого индия. На внешние клеммы 1 (катод) и 4 (анод) подается напряжение смещения, достаточное для возникновения доменов. Образовавшийся у катода домен движется к аноду. На одну из сторон кристалла через высокоомный слой 3 помещен управляющий электрод 2. Если контакт Рис. 10.19. Функциональное ус- SА замкнут, то, как только домен попадает в зону управляющего электро-тройство с регулируемой фор- да ток через прибор возрастает. При разомкнутом контакте SА ток на вы- мой выходного сигнала: - схе- ходе прибора не меняется.ма (1 - катод; 2 - управляющий Временная диаграмма выходного тока показана на рис. 10.19, . Дли-электрод; 3-высокоомный слой; тельность выходных импульсов зависит от времени прохождения домена 4-анод); -временная диаграм- под управляющим электродом.ма выходного тока Если вместо управляющего электрода на поверхность образца помес- тить светочувствительное сопротивление, то получится прибор, преобразующий световую информацию в электрическую. Такой прибор может служить для высокоскоростного считывания световых изображений и преобразования их в последовательность электрических импульсов. Если на образец поместить несколько управляющих электродов, то такой прибор обеспечит последовательное считывание информации с управляющих электродов и преобразование ее в цифровой код (рис. 10.20, (схема: 1-катод; 2-управляющий электрод; 3-анод)). На рис. 10.20, показаны временные диаграммы управляющих сигналов на электродах и тока в выходной цепи прибора. Экспериментальные исследования такого многоканального импульсного модулятора показали, что кристалл арсенида галлия длиной 300 мкм с десятью управляющими электродами (каждый длиной 20 мкм) производит считывание Рис.10.20. Многоканальный им- и временное уплотнение десяти входных импульсов (длительностью 2 нс)пульсный модулятор со скоростью, в десятки раз превышающей скорость, достигнутую в транзисторных устройствах. 10.8. Биоэлектроника Это направление функциональной микроэлектроники находится в стадии становления, однако оно является одним из наиболее интересных и перспективных. Биоэлектроника возникла как одно из ответвлений более общей науки - бионики, исследующей специфические явления, происходящие в живых организмах, и использующей эти явления в разнообразных научно-технических целях. Современная биоэлектроника охватывает проблемы изучения нервной системы человека, животных, а также моделирование нервных клеток (нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронных приборов и устройств, особенно в области электронной вычислительной техники. П  очти для всех биологических видов нервная система представляет собой сеть нейронов. Строение и функционирование отдельного нейрона показано на рис. 10.21. Нейрон состоит из тела клетки (сомы (2)) и имеет один или несколько входных отростков (дендритов (1)), а также выход- ных отростков (аксонов (3)). Место перехода аксона одного нейрона в дендрит другого называется синапсом. Тело клетки - это место сбора информации нейроном, поэтому на нем сгруппированы сотни и тысячи синаптических окончаний. В невозбужденном состоянии плазма нейрона имеет некоторый потенциал относительно окружающей среды. Величина его может колебаться в ту или другую сторону, т. е. возможен процесс адаптации - приспособления к внешним условиям. В теле клетки происходит пространственное и временное суммирование сигналов, поступающих от других нейронов. Дендриты собирают информацию от оканчивающихся на них синапсов и передают суммарный сигнал в сому.Рис. 10.21. Схематическое При достижении суммарным сигналом некоторого порогового значения в изображение нейрона соме вырабатывается импульс, который поступает в аксон, распространя-ется в нем, а затем разветвляется во многочисленные синапсы, направляясь к другим нейронам. Нервные клетки обладают огромными логическими возможностями, обусловленными большим количеством входов, выходов, обратных связей, изменяющих свою структуру по определенным, пока еще не изученным законам. Ни одна из искусственно созданных моделей нейронов не воспроизводит в настоящее время даже в грубом приближении тех логических возможностей, которые имеются в реальной нервной клетке. Важнейшими информационными свойствами, которыми должны обладать модели нейронов, являются: генерирование импульса при возбуждении; наличие порога возбудимости; пространственное и временное суммирование входных сигналов; большое количество входов и один выход; память. Существующие модели нейронов различной сложности, выполненные на транзисторах, туннельных диодах, логических микросхемах - это только первый шаг на пути создания искусственного мозга. Однако они являются той основой, на которой строятся модели, все более близкие как по выполняемым функциям, так и по своим конструктивным решениям к реальным нейронам. Контрольные вопросы и упражнения
|