Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕВС
РЕФЕРАТ
На тему:
"ОСНОВНІ НАПРЯМКИ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ"
МІНСЬК, 2008
Сучасна мікроелектроніка базується на інтеграції дискретних елементів електронної техніки, при якій кожен елемент схеми формується окремо в напівпровідниковому кристалі. При цьому в основі створення, ІМС лежить принцип елементної (технологічної) інтеграції, що супроводжується мікромініатюризація елементів (активних і пасивних) мікросхеми. У ІМС можна виділити області, що представляють собою активні (діоди, транзистори) і пасивні (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) елементи. У інтегральної мікроелектроніці зберігається головний принцип дискретної електроніки, заснованої на розробці електричної схеми за законами теорії ланцюгів. Цей принцип неминуче пов'язаний із зростанням числа елементів мікросхеми, і межелементних сполук в міру ускладнення виконуваних нею функцій.
Підвищення ступеня інтеграції мікросхем і пов'язане з. цим зменшення розмірів елементів має певні межі. Інтеграція понад кілька сотень тисяч елементів (в окремих випадках і мільйонів) на одному кристалі виявляється економічно недоцільною і технологічно важко здійсненним.
Складними стають проблеми топології і відводу тепла. Тому у віддаленій перспективі інтегральна мікроелектроніка вже не буде повністю задовольняти розробників складної радіоелектронної апаратури.
Функціональна мікроелектроніка передбачає принципово новий підхід, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, грунтуючись безпосередньо на фізичних явищах у твердому тілі. У цьому випадку локальному об'єкту твердого тіла додаються такі властивості, які потрібні для виконання даної функції, і проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електричної схеми не потрібно. Функціональні мікросхеми можуть виконуватися не тільки на основі напівпровідників, але і на основі таких матеріалів, як надпровідники, сегнетоелектрики, матеріали з. фотопровідним властивостями та ін Для переробки інформації можна використовувати явища, не пов'язані з електропровідністю (наприклад, оптичні та магнітні явища в діелектриках, закономірності поширення ультразвуку і т.д.).
Таким чином, функціональна мікроелектроніка охоплює питання отримання спеціальних середовищ з наперед заданими властивостями та створення різних електронних пристроїв методом фізичної інтеграції, тобто використання таких фізичних принципів і явищ, реалізація яких дозволяє отримати прилади зі складним схемотехническим або системотехнічним функціональним призначенням.
У функціональній мікроелектроніці починають використовувати (рис.1):
Кафедра ЕВС
РЕФЕРАТ
На тему:
"ОСНОВНІ НАПРЯМКИ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ"
МІНСЬК, 2008
Сучасна мікроелектроніка базується на інтеграції дискретних елементів електронної техніки, при якій кожен елемент схеми формується окремо в напівпровідниковому кристалі. При цьому в основі створення, ІМС лежить принцип елементної (технологічної) інтеграції, що супроводжується мікромініатюризація елементів (активних і пасивних) мікросхеми. У ІМС можна виділити області, що представляють собою активні (діоди, транзистори) і пасивні (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) елементи. У інтегральної мікроелектроніці зберігається головний принцип дискретної електроніки, заснованої на розробці електричної схеми за законами теорії ланцюгів. Цей принцип неминуче пов'язаний із зростанням числа елементів мікросхеми, і межелементних сполук в міру ускладнення виконуваних нею функцій.
Підвищення ступеня інтеграції мікросхем і пов'язане з. цим зменшення розмірів елементів має певні межі. Інтеграція понад кілька сотень тисяч елементів (в окремих випадках і мільйонів) на одному кристалі виявляється економічно недоцільною і технологічно важко здійсненним.
Складними стають проблеми топології і відводу тепла. Тому у віддаленій перспективі інтегральна мікроелектроніка вже не буде повністю задовольняти розробників складної радіоелектронної апаратури.
Функціональна мікроелектроніка передбачає принципово новий підхід, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, грунтуючись безпосередньо на фізичних явищах у твердому тілі. У цьому випадку локальному об'єкту твердого тіла додаються такі властивості, які потрібні для виконання даної функції, і проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електричної схеми не потрібно. Функціональні мікросхеми можуть виконуватися не тільки на основі напівпровідників, але і на основі таких матеріалів, як надпровідники, сегнетоелектрики, матеріали з. фотопровідним властивостями та ін Для переробки інформації можна використовувати явища, не пов'язані з електропровідністю (наприклад, оптичні та магнітні явища в діелектриках, закономірності поширення ультразвуку і т.д.).
Таким чином, функціональна мікроелектроніка охоплює питання отримання спеціальних середовищ з наперед заданими властивостями та створення різних електронних пристроїв методом фізичної інтеграції, тобто використання таких фізичних принципів і явищ, реалізація яких дозволяє отримати прилади зі складним схемотехническим або системотехнічним функціональним призначенням.
У функціональній мікроелектроніці починають використовувати (рис.1):
ФУНКЦІОНАЛЬНА МІКРОЕЛЕКТРОНІКА |
Надпровідність |
Плазмові явища |
Фазові переходи |
Ефекти накопичення та переносу зарядів |
Оптичні явища |
Електрон-фононні взаємодії |
Магнітні явища |
Поверхневі явища та електронну ефект |
Явища живої природи |
Кріоелектроніка |
ПЗЗ |
Хемотроніка |
Біоелектроніка |
Оптоелектроніка |
Акустоелектроніка |
Магнетоелектроніка |
Діелектрична електроніка |
Прилади на ефекті Ганна |
ЗУ |
МПД-ІМС |
Нейронноподобние елементи |
Перетворювачі |
АЦП |
Підсилювачі |
Генератори |
ЗУ |
СВЧ-ІМС |
ЗУ |
Підсилювачі |
Випрямлячі |
Перетворювачі |
Інтегратори |
ОЗУ |
Перетворювачі |
Фільтри |
Резонатори |
Кварцові фільтри |
Підсилювачі |
Перетворювачі |
Перемикачі |
Прилади на ефектах Джозефсона |
Підсилювачі |
Оптоелектронні мікросхеми |
Інтегральна оптика |
Світловоди |
Оптрони |
Голографія |
Аналоги реле |
Фотоприймачі і випромінювачі |
Рис. 1. Основні напрямки функціональної мікроелектроніки.
· Зарядова нейтральність, односпрямованість, відсутність гальванічних зв'язків та електричних контактів;
· Двомірність світлового потоку, а отже, можливість багатоканальної обробки інформації;
· Висока несуча частота і, отже, більша смуга пропускання каналів обробки інформації.
Ці особливості стали основою інтенсивно розвивається напряму функціональної мікроелектроніки - оптоелектроніки.
Фізичні явища, пов'язані із взаємодією потоку електронів з акустичними хвилями в твердому тілі. Такі явища, як генерація і посилення акустичних волі потоком електронів, що рухаються зі надзвукові швидкості, зумовили появу нового напряму функціональної мікроелектроніки - акустоелектроніки. Особливість цих явищ полягає в малій швидкості поширення акустичних хвиль (1.105см / с) на відміну від електромагнітних хвиль (3.1010 см / с), що дозволяє реалізувати мініатюрні лінії затримки, фільтри з заданими частотними властивостями, підсилювачі НВЧ та інших
Перевага цього напрямку полягає в тому, що реалізація заданої функції забезпечується лише вибором конфігурації пристрою.
Нові магнітні матеріали (слабкі феромагнетики та магнітні напівпровідники), поява яких призвело до створення нового напрямку - магнетоелектронікі. Відмінною особливістю слабких феромагнетиків є мала в порівнянні з класичними магнітними матеріалами намагніченість насичення. Це дає можливість керувати рухом магнітних доменів, званих бульбашками, у двох і трьох вимірах слабкими магнітними полями і здійснювати тим самим функції зберігання, переміщення і обробки великих обсягів інформації.
Характерні розміри "бульбашок", що складали приблизно 1 мкм, дозволяють досягти, високій щільності запису інформації (1.108 бит/см2). Велика перевага таких систем полягає в тому, що зберігання інформації здійснюється без харчування, а переміщення "бульбашок" - малим розсіюванням потужності. Ряд нових матеріалів - магнітних напівпровідників, що володіють властивостями магнетиків і напівпровідників, - дозволяє створювати прилади з великою функціональною гнучкістю.
Спочиваючі і рухомі електричні неоднорідності (домени і шнури) в однорідних напівпровідниках. Їх дослідження стимулювало створення функціональних інтегральних мікросхем.
Так як в даному випадку використовується однорідний матеріал, то реалізація заданої функції може бути досягнута вибором відповідної конфігурації пристрою. Високі швидкості руху неоднорідностей електричного поля (1.107 см / с) зумовлюють високу швидкодію (менше 1.10-9 с), а також генерацію та посилення в діапазоні НВЧ.
Явища, пов'язані зі зміною структури конденсованих тіл на молекулярному рівні. Вони привели до виникнення нового напрямку - квантової або молекулярної мікроелектроніки. До цього напряму належать фазові переходи в твердих тілах і рідких кристалах, що супроводжуються різкими змінами електричних, оптичних та магнітних властивостей. Зумовлена цим висока чутливість до зовнішніх впливів дозволяє легко, здійснювати ряд операцій з управління та перетворенню потоків інформації в різних функціональних системах.
Цікавими матеріалами з ще не цілком розкритими, перспективами використання їх в мікроелектроніці є органічні напівпровідники.
Мікроелектронні пристрої з використанням доменів володіють високими функціональними можливостями.
Елементи на основі ефекту Ганна. Крім генераторів і підсилювачів НВЧ вони дозволяють створювати такі функціональні пристрої, як імпульсно-кодові модулятори, компаратори, аналого-цифрові перетворювачі, нейрісторние лінії затримки, повний ряд логічних елементів, генератори коливань складної форми, регістри зсуву і запам'ятовуючі пристрої (ЗП). На основі цих елементів можуть бути створені надшвидкодіючі мікросхеми (теоретично до 10-12 с), що перевершують за швидкодією кращі кремнієві мікросхеми, принаймні, на порядок при тому ж рівні розсіюваною потужності.
Малогабаритні НВЧ-генератори на діодах Ганна вже минули стадію лабораторних розробок. Вони володіють низьким рівнем шумів (порівнянним з клістроном) і потужністю випромінювання, достатньої для використання в радіолокаційних пристроях в діапазоні частот 1 - 80 Ггц. Такі: діоди в прогонових режимі генерації забезпечують вихідну потужність 20 - 350 мВт - у безперервному режимі И.1 - 400 Вт - в імпульсному режимі. У режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду діоди Ганна дозволяють отримувати імпульсну потужність 3 - 6 кВт на частоті 1,5 - 2 ГГц при к. п. д.10 - 20%.
Явища холодної емісії, які дозволили створити електровакуумні прилади в мікроелектронному виконанні з застосуванням плівок. Володіючи всіма перевагами вакуумних приладів (високі вхідні опори, малі шуми), вони характеризуються дуже високою радіаційною стійкістю, досить малими розмірами, високими робочими частотами.
Явища живої природи, зокрема на молекулярному рівні, дозволяють використовувати принципи збереження та обробки інформації в живих системах для створення надскладних систем обробки інформації, що наближаються за своїм функціональні; можливостям до людського мозку (штучний інтелект), а також вирішувати проблему ефективного зв'язку "людина - машина ". Ці явища відкривають новий напрям - біоелектроніці. Розвиток цього напрямку може призвести до науково технічної революції в електроніці, наслідки якої важко передбачити.
Функціональні мікросхеми, в яких використовується ефект накопичення та переносу зарядів, що дозволяє реалізувати щільність розміщення елементів 3.104 елемент/см2. Такі прилади по суті представляють собою МДН-структури, вони дуже технологічні (кількість технологічних операцій в два рази менше в порівнянні із звичайною МДП-технологією). Прилади з перенесенням заряду (ППЗ), або прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ), можуть стати основою побудови логічних схем, ліній затримки, схем пам'яті та систем для отримання зображень. Порівняльна простота технології виготовлення ПЗЗ в порівнянні з системами на звичайних МДП-транзисторах і майже десятикратне зменшення площі схеми (~ 0,0016 мм2 на 1 біт інформації) повинні привести до істотного зниження вартості систем на ПЗС. Використання польових транзисторів з нітридом кремнію в якості діелектрика затвора дозволяє переборювати один з основних недоліків напівпровідникових ЗУ - втрату інформації при відключенні живлення. Такі ЗУ дають можливість реалізувати щільність розміщення елементів до 108 елемент/см2 при часі запису 10-6 с.
Інший тип управління електричними неоднорідностями в однорідному матеріалі полягає в приміщенні зарядів в потенційні ями в приелектродних області. І тут виконання заданих функцій досягається топологією контактів. Дуже перспективно об'єднання методів, що поєднують заряд у потенційних ямах з захопленням і зберіганням заряду в поверхневому шарі (електретний ефект), що дозволяє поєднати тривале зберігання великих обсягів, інформації та її обробку.
Цікаві можливості для реалізації швидкодіючих ЗУ великого обсягу представляють перемикачі на основі аморфних матеріалів (що не мають кристалічної будови), що володіють симетричною S-образної вольт-амперної характеристикою. Час перемикання приладу складає 1,5.10-10 с. На основі елементів з халькогенідних стекол створено постійне ЗУ на 256 біт з можливістю електричного перезапису і високою щільністю упаковки структури, порівнянної з досягнутою щільністю в біполярної і МДП-технології. Ємність ЗУ може зрости до 106 біт. Ці прилади забезпечують зберігання інформації без витрати енергії і зчитування без руйнування, мають симетричністю вольт-амперних характеристик і високою радіаційною стійкістю.
Найбільш перспективними з аморфних напівпровідників (плівки товщиною не більше 1 мкм) є S, Ge, As, Ті, In, Sb, Se або їх сплави, а також діелектрики на основі оксидів цих напівпровідників або оксидів тугоплавких металів перехідної групи, наприклад Gr, Ti , "Та, Mo, Nb.
Аморфні матеріали класифікують наступним чином:
· Матеріали з різко змінюються, значенням питомого опору (рис.2, а);.
· Матеріали з негативним диференціальним опором до 106 Ом (рис.2, б);
· Матеріали з двома керованими станами електропровідності (рис.2, в); опору цих матеріалів можуть відрізнятися на сім порядків, а час перемикання складає 10-9 с;
· Матеріали з двома стійкими станами перемикання (рис.2, г);
· Функціональні матеріали, які об'єднують властивості перелічених матеріалів (рис.2, д).
Рис.2 Загальний вигляд вольт-амперних характеристик різних аморфних матеріалів.
Аналіз вольт-амперних характеристик аморфних матеріалів показує, що їх провідність в ряді випадків стрибком змінюється на кілька порядків і зберігається в такому стані необмежено довго. Ці властивості аморфних матеріалів вже дали можливість побудувати порогові перемикачі, комірки пам'яті, перебудовуються ключі пам'яті з двома стійкими станами. Відзначимо, що інтервал робочих температур аморфних перемикачів і елементів пам'яті становить від - 180 до +180 ° С.
Становлять великий інтерес функціональні елементи з керованим негативним опором на основі аморфних матеріалів. Ці прилади можна підрозділити на дві категорії: 1) прилади, керовані струмом і володіють негативним диференціальним опором (прилади з S-подібною характеристикою); 2) прилади, керовані напругою і володіють ефектом пам'яті (прилади з N-подібною характеристикою). Перший тип приладів реалізується на плівках оксидів Та, Ti, Nb, другий - на плівках діелектриків, що містять оксиди, сульфіди і флюорид.
Рис.3. Структура розжарюваного плівкового емітера: 1 - підкладка; 2 - алюміній, золото або вольфрам, 3 - золото, 4 - SiO2 або Al2O3, 5 - алюміній; 6 - грунтуючий подслой з SiO2.
На основі аморфних напівпровідників розвиваються перспективні прилади - тунельні плівкові емітери (рис.3). За зовнішнім виглядом ці прилади майже не відрізняються від конденсаторних структур типу "метал - діелектрик - метал", проте принцип їхньої роботи інший. Плівка діелектрика дуже тонка, здатна пропускати струми до 0,01 А, верхній електрод також досить тонкий (не більше 50 нм). Принцип роботи плівкових емітерів наступний. Електрони з катода (товщиною близько 0,5 мкм) потрапляють в діелектрик і залежно від товщини аморфної плівки діелектрика розганяються в ньому до великих швидкостей або розсіюються зі значним втратами енергії. Товщину діелектрика вибирають мінімальної, проте такий, щоб зберігалася суцільна структура плівки і не було часткових мікропробоев діелектрика. Робоча товщина діелектрика зазвичай не перевищує 40 нм. Так звані гарячі електрони просочуються через потенційний бар'єр і мігрують через зовнішній електрод у вакуум. Плівкова структура метал - діелектрик - метал виконує фактично функцію холодного катода, який на відміну від звичайних катодів майже не шумить, має підвищену радіаційною стійкістю і дуже малими розмірами при великому струмі емісії з одиниці поверхні.
Когерентні властивості сигналу для створення низки нових твердотільних функціональних приладів: генераторів синусоїдальних коливань, підсилювачів, умножителей, перетворювачів частоти, фазовращателей, трансформаторів, ліній затримки, нейрісторних ліній, логічних елементів, елементів пам'яті і т.д. Слід особливо виділити специфічне фізичне явище, засноване на квантових когерентних властивості носіїв заряду - ефект Джозефсона. Суть його полягає в тому, що через досить тонку (близько 2 нм) діелектричну прошарок між надпровідними шарами при низьких температурах навіть у відсутність різниці потенціалів може протікати своєрідний тунельний струм, легко керований порівняно слабкими зовнішніми сигналами. Значення параметрів приладів, заснованих на цьому ефекті, істотно перевищують значення відповідних параметрів приладів інтегральної мікроелектроніки. Дослідження показали, що швидкодія окремих приладів на ефекті Джозефсона досягає 20 - 30 пс, а потужність розсіювання дорівнює 100 НВТ, тобто у багато разів менше, ніж у звичайних інтегральних мікросхемах. Основні труднощі при виготовленні таких приладів - отримання стабільного діелектрика при товщинах близько 2 нм.
Розглянемо більш детально деякі напрямки функціональної мікроелектроніки.
В даний час в обчислювальній техніці та автоматики використовують магнітні плівки та прилади на циліндричних магнітних доменах.
Найпростішим магнітним елементом є котушка з дроту. Припустимо, що вона має w витків. Якщо через котушку пропустити постійний струм I, то в ній виникає магнітне поле під впливом магніторушійної сили: F = Iw. Позначивши довжину котушки через l, можна визначити напруженість магнітного поля, як H = F / l = Iw / l.
Розділивши магніторушійних силу на опір зовнішнього простору Rв, отримаємо значення магнітного потоку, тобто φ = F / Rв. Віднісши значення φ до одиниці площі, через яку проходить магнітний потік, визначимо індукцію В = φ / S. Потім, розділивши індукцію В на напруженість магнітного поля H, визначимо магнітну проникність μ = В / H, яка є характеристикою матеріалу, що заповнює об'єм котушки. Існують матеріали (залізо, нікель, кобальт і їхні сплави), які володіють аномально великими значеннями магнітної проникності (μ = 108). З наведених вище співвідношень легко визначити значення індуктивності L = w2Sμ / l.
Серед магнітних матеріалів з точки зору мікромініатюризації найбільш перспективні феромагнетики, які в результаті сильного електростатичного магнітної взаємодії між електронами сусідніх атомів розбиваються на велику кількість областей мимовільної намагніченості (домени). Магнітні моменти атомів у доменах паралельні. Домени мають певну форму і розміри 10-1-10-6 див. Оптимальною вважається доменна структура циліндричної форми.
Сусідні домени поділяються перехідними шарами, званими кордонами або стінками доменів. Процес перемагнічування феромагнетиків у зовнішньому магнітному полі відбувається або обертанням доменів, або зміщенням їх меж або протіканням обох процесів одночасно. При зміні температури може змінюватися магнітний стан феромагнетиків. У феромагнетиках існують певні напрямки намагнічування (магнітна анізотропія).
Тонкі магнітні плівки (ТМП) виготовляють з металів, сплавів та феритів. Для створення ТМП на підкладку з немагнітного матеріалу (скла) вакуумним розпиленням або електроосадження наносять тонкий шар магнітного матеріалу товщиною 0,05 - 10 мкм. Вакуумне розпилення забезпечує отримання найбільш якісних плівок, причому найбільш вдалі результати виходять при напиленні пермаллоя. Недолік електроосадження полягає в тому, що плівки, одержувані цим способом, мають гірші характеристиками в порівнянні з вихідними магнітними матеріалами.
Тонкі магнітні плівки характеризуються анізотропією, що приводить до зміни форми петель гістерезису при намагнічуванні за різними напрямками плівки. Так, по осі легкого намагнічування плівка має прямокутну петлю гістерезису, а по осі важкого намагнічування - непрямокутну петлю з дуже малим гістерезисом. Товщина плівки значно менше її лінійних розмірів. При певній товщині плівка виявляється однодоменних, що призводить до особливостей перемагнічування ТПМ. Процес перемагнічування відбувається дуже швидко (за наносекунди), тобто ТМП може забезпечити значне підвищення швидкодії. Намагнічування відбувається тільки в площині плівки, дозволяючи використовувати плоскі керуючі обмотки.
На ТМП виконують запам'ятовуючі пристрої для цифрових обчислювальних машин з окремих запам'ятовуючих елементів, які наносяться на загальну підкладку у вигляді матриці в єдиному технологічному циклі. Для запам'ятовуючих елементів формують плоскі ТМП квадратної (мал. 5) чи круглої форми. У таких елементах можна використовувати перемикання взаємно перпендикулярними полями. Запис інформації в елементах пам'яті проводиться подачею двох імпульсів струму. Плоскі тонкоплівкові елементи пам'яті володіють великими потоками розсіювання, тому краще використовувати циліндричні ТМП, які мають замкнутий магнітопровід і, отже, менші потоки розсіювання. Провідники для управління такими ТМП пропускають через отвір циліндра, а також намотують на його зовнішньому діаметру. Циліндричні ТМП можна наносити безпосередньо на дроти управління.
Рис. 5. Запам'ятовує елемент на ТМП: 1, 3, 4 - числова, розрядна і вихідна шини, 2 - ТМП
У приладах на структурах з циліндричних магнітних доменів (ЦМД) застосовують монокристалічні плівки з ортоферрітов або гранатів. Товщини плівок відповідають розмірам одиночних доменів, які утворюються при дії сильних зовнішніх магнітних полів. При зміні цих полів ЦМД переміщуються. У плівках монокристалів вісь легкого намагнічування спрямована перпендикулярно площині плівки, а вісь важкого намагнічування розташована в її площині. Діаметр ЦМД становить одиниці - десятки мікрометрів.
Структури на гранатах термостабільні, ніж на ортоферрітах. Крім того, в гранатах розміри ЦМД менше, що дозволяє збільшити щільність запису інформації. Розміри і кількість ЦМД визначаються зовнішнім магнітним полем зміщення.
Прилади на ЦМД використовують для побудови логічних та запам'ятовуючих пристроїв, де поодинокі ЦМД служать елементарним носієм інформації. Кожне інформаційне стан пристрою визначається положенням ЦМД в магнітній монокристаллической плівці. Положення і число ЦМД в пристроях повинно бути строго визначеним.
Запам'ятовуючі пристрої на основі приладів із ЦМД представляє собою схему просування доменів, яка є запам'ятовуючим регістром. Інформація в регістр записується у вигляді послідовності ЦМД, що розташовані по його довжині відповідно до вхідною інформацією. Якщо інформація являє собою довгу послідовність вхідних сигналів, що перевищують необхідну довжину магнітної монокристаллической плівки, то регістр виконується багаторядним.
Оперативна пам'ять ЦМД служить аналогом електромеханічного пристрою, що запам'ятовує (магнітної стрічки, диска, барабана). Однак воно значно перевищує електромеханічний пристрій по надійності, швидкодії, обсягами інформації, що запам'ятовується і відрізняється малими масою і габаритами, споживаючи значно менше енергії.
За допомогою приладів на ЦМД може бути створений повний набір логічних елементів, з яких будуються складні логічні пристрої, в тому числі з використанням оптичних методів зчитування.
2. Опадчій Ю.Ф. та ін Аналогова та цифрова електроніка: Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчій, О.П. Глудкін, А.І. Гуров; Під. ред. О.П. Глудкін. М.: Гаряча Лінія - Телекому, 1999. - 768 с.
3. Акімов М.М. та ін Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА: Довідник / М.М. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Білорусь, 2004. - 591 с.
Найбільш перспективними з аморфних напівпровідників (плівки товщиною не більше 1 мкм) є S, Ge, As, Ті, In, Sb, Se або їх сплави, а також діелектрики на основі оксидів цих напівпровідників або оксидів тугоплавких металів перехідної групи, наприклад Gr, Ti , "Та, Mo, Nb.
Аморфні матеріали класифікують наступним чином:
· Матеріали з різко змінюються, значенням питомого опору (рис.2, а);.
· Матеріали з негативним диференціальним опором до 106 Ом (рис.2, б);
· Матеріали з двома керованими станами електропровідності (рис.2, в); опору цих матеріалів можуть відрізнятися на сім порядків, а час перемикання складає 10-9 с;
· Матеріали з двома стійкими станами перемикання (рис.2, г);
· Функціональні матеріали, які об'єднують властивості перелічених матеріалів (рис.2, д).
Рис.2 Загальний вигляд вольт-амперних характеристик різних аморфних матеріалів.
Аналіз вольт-амперних характеристик аморфних матеріалів показує, що їх провідність в ряді випадків стрибком змінюється на кілька порядків і зберігається в такому стані необмежено довго. Ці властивості аморфних матеріалів вже дали можливість побудувати порогові перемикачі, комірки пам'яті, перебудовуються ключі пам'яті з двома стійкими станами. Відзначимо, що інтервал робочих температур аморфних перемикачів і елементів пам'яті становить від - 180 до +180 ° С.
Становлять великий інтерес функціональні елементи з керованим негативним опором на основі аморфних матеріалів. Ці прилади можна підрозділити на дві категорії: 1) прилади, керовані струмом і володіють негативним диференціальним опором (прилади з S-подібною характеристикою); 2) прилади, керовані напругою і володіють ефектом пам'яті (прилади з N-подібною характеристикою). Перший тип приладів реалізується на плівках оксидів Та, Ti, Nb, другий - на плівках діелектриків, що містять оксиди, сульфіди і флюорид.
Рис.3. Структура розжарюваного плівкового емітера: 1 - підкладка; 2 - алюміній, золото або вольфрам, 3 - золото, 4 - SiO2 або Al2O3, 5 - алюміній; 6 - грунтуючий подслой з SiO2.
На основі аморфних напівпровідників розвиваються перспективні прилади - тунельні плівкові емітери (рис.3). За зовнішнім виглядом ці прилади майже не відрізняються від конденсаторних структур типу "метал - діелектрик - метал", проте принцип їхньої роботи інший. Плівка діелектрика дуже тонка, здатна пропускати струми до 0,01 А, верхній електрод також досить тонкий (не більше 50 нм). Принцип роботи плівкових емітерів наступний. Електрони з катода (товщиною близько 0,5 мкм) потрапляють в діелектрик і залежно від товщини аморфної плівки діелектрика розганяються в ньому до великих швидкостей або розсіюються зі значним втратами енергії. Товщину діелектрика вибирають мінімальної, проте такий, щоб зберігалася суцільна структура плівки і не було часткових мікропробоев діелектрика. Робоча товщина діелектрика зазвичай не перевищує 40 нм. Так звані гарячі електрони просочуються через потенційний бар'єр і мігрують через зовнішній електрод у вакуум. Плівкова структура метал - діелектрик - метал виконує фактично функцію холодного катода, який на відміну від звичайних катодів майже не шумить, має підвищену радіаційною стійкістю і дуже малими розмірами при великому струмі емісії з одиниці поверхні.
Когерентні властивості сигналу для створення низки нових твердотільних функціональних приладів: генераторів синусоїдальних коливань, підсилювачів, умножителей, перетворювачів частоти, фазовращателей, трансформаторів, ліній затримки, нейрісторних ліній, логічних елементів, елементів пам'яті і т.д. Слід особливо виділити специфічне фізичне явище, засноване на квантових когерентних властивості носіїв заряду - ефект Джозефсона. Суть його полягає в тому, що через досить тонку (близько 2 нм) діелектричну прошарок між надпровідними шарами при низьких температурах навіть у відсутність різниці потенціалів може протікати своєрідний тунельний струм, легко керований порівняно слабкими зовнішніми сигналами. Значення параметрів приладів, заснованих на цьому ефекті, істотно перевищують значення відповідних параметрів приладів інтегральної мікроелектроніки. Дослідження показали, що швидкодія окремих приладів на ефекті Джозефсона досягає 20 - 30 пс, а потужність розсіювання дорівнює 100 НВТ, тобто у багато разів менше, ніж у звичайних інтегральних мікросхемах. Основні труднощі при виготовленні таких приладів - отримання стабільного діелектрика при товщинах близько 2 нм.
Розглянемо більш детально деякі напрямки функціональної мікроелектроніки.
Магнітоелектронние прилади
Найбільш ефективним напрямком мікромініатюризації магнітних елементів і пристроїв є застосування нових фізичних явищ, коли використовуються електромагнітні процеси на доменному рівні. Магнітоелектронние прилади мають високий ступінь інтеграції, забезпечують велику щільність запису інформації, мають підвищену надійність, температурну та часову стабільності, можуть здійснювати зберігання записаної інформації без споживання енергії.В даний час в обчислювальній техніці та автоматики використовують магнітні плівки та прилади на циліндричних магнітних доменах.
Найпростішим магнітним елементом є котушка з дроту. Припустимо, що вона має w витків. Якщо через котушку пропустити постійний струм I, то в ній виникає магнітне поле під впливом магніторушійної сили: F = Iw. Позначивши довжину котушки через l, можна визначити напруженість магнітного поля, як H = F / l = Iw / l.
Розділивши магніторушійних силу на опір зовнішнього простору Rв, отримаємо значення магнітного потоку, тобто φ = F / Rв. Віднісши значення φ до одиниці площі, через яку проходить магнітний потік, визначимо індукцію В = φ / S. Потім, розділивши індукцію В на напруженість магнітного поля H, визначимо магнітну проникність μ = В / H, яка є характеристикою матеріалу, що заповнює об'єм котушки. Існують матеріали (залізо, нікель, кобальт і їхні сплави), які володіють аномально великими значеннями магнітної проникності (μ = 108). З наведених вище співвідношень легко визначити значення індуктивності L = w2Sμ / l.
Серед магнітних матеріалів з точки зору мікромініатюризації найбільш перспективні феромагнетики, які в результаті сильного електростатичного магнітної взаємодії між електронами сусідніх атомів розбиваються на велику кількість областей мимовільної намагніченості (домени). Магнітні моменти атомів у доменах паралельні. Домени мають певну форму і розміри 10-1-10-6 див. Оптимальною вважається доменна структура циліндричної форми.
Сусідні домени поділяються перехідними шарами, званими кордонами або стінками доменів. Процес перемагнічування феромагнетиків у зовнішньому магнітному полі відбувається або обертанням доменів, або зміщенням їх меж або протіканням обох процесів одночасно. При зміні температури може змінюватися магнітний стан феромагнетиків. У феромагнетиках існують певні напрямки намагнічування (магнітна анізотропія).
Тонкі магнітні плівки (ТМП) виготовляють з металів, сплавів та феритів. Для створення ТМП на підкладку з немагнітного матеріалу (скла) вакуумним розпиленням або електроосадження наносять тонкий шар магнітного матеріалу товщиною 0,05 - 10 мкм. Вакуумне розпилення забезпечує отримання найбільш якісних плівок, причому найбільш вдалі результати виходять при напиленні пермаллоя. Недолік електроосадження полягає в тому, що плівки, одержувані цим способом, мають гірші характеристиками в порівнянні з вихідними магнітними матеріалами.
Тонкі магнітні плівки характеризуються анізотропією, що приводить до зміни форми петель гістерезису при намагнічуванні за різними напрямками плівки. Так, по осі легкого намагнічування плівка має прямокутну петлю гістерезису, а по осі важкого намагнічування - непрямокутну петлю з дуже малим гістерезисом. Товщина плівки значно менше її лінійних розмірів. При певній товщині плівка виявляється однодоменних, що призводить до особливостей перемагнічування ТПМ. Процес перемагнічування відбувається дуже швидко (за наносекунди), тобто ТМП може забезпечити значне підвищення швидкодії. Намагнічування відбувається тільки в площині плівки, дозволяючи використовувати плоскі керуючі обмотки.
1 |
2 |
3 |
4 |
На ТМП виконують запам'ятовуючі пристрої для цифрових обчислювальних машин з окремих запам'ятовуючих елементів, які наносяться на загальну підкладку у вигляді матриці в єдиному технологічному циклі. Для запам'ятовуючих елементів формують плоскі ТМП квадратної (мал. 5) чи круглої форми. У таких елементах можна використовувати перемикання взаємно перпендикулярними полями. Запис інформації в елементах пам'яті проводиться подачею двох імпульсів струму. Плоскі тонкоплівкові елементи пам'яті володіють великими потоками розсіювання, тому краще використовувати циліндричні ТМП, які мають замкнутий магнітопровід і, отже, менші потоки розсіювання. Провідники для управління такими ТМП пропускають через отвір циліндра, а також намотують на його зовнішньому діаметру. Циліндричні ТМП можна наносити безпосередньо на дроти управління.
Рис. 5. Запам'ятовує елемент на ТМП: 1, 3, 4 - числова, розрядна і вихідна шини, 2 - ТМП
У приладах на структурах з циліндричних магнітних доменів (ЦМД) застосовують монокристалічні плівки з ортоферрітов або гранатів. Товщини плівок відповідають розмірам одиночних доменів, які утворюються при дії сильних зовнішніх магнітних полів. При зміні цих полів ЦМД переміщуються. У плівках монокристалів вісь легкого намагнічування спрямована перпендикулярно площині плівки, а вісь важкого намагнічування розташована в її площині. Діаметр ЦМД становить одиниці - десятки мікрометрів.
Структури на гранатах термостабільні, ніж на ортоферрітах. Крім того, в гранатах розміри ЦМД менше, що дозволяє збільшити щільність запису інформації. Розміри і кількість ЦМД визначаються зовнішнім магнітним полем зміщення.
Прилади на ЦМД використовують для побудови логічних та запам'ятовуючих пристроїв, де поодинокі ЦМД служать елементарним носієм інформації. Кожне інформаційне стан пристрою визначається положенням ЦМД в магнітній монокристаллической плівці. Положення і число ЦМД в пристроях повинно бути строго визначеним.
Запам'ятовуючі пристрої на основі приладів із ЦМД представляє собою схему просування доменів, яка є запам'ятовуючим регістром. Інформація в регістр записується у вигляді послідовності ЦМД, що розташовані по його довжині відповідно до вхідною інформацією. Якщо інформація являє собою довгу послідовність вхідних сигналів, що перевищують необхідну довжину магнітної монокристаллической плівки, то регістр виконується багаторядним.
Оперативна пам'ять ЦМД служить аналогом електромеханічного пристрою, що запам'ятовує (магнітної стрічки, диска, барабана). Однак воно значно перевищує електромеханічний пристрій по надійності, швидкодії, обсягами інформації, що запам'ятовується і відрізняється малими масою і габаритами, споживаючи значно менше енергії.
За допомогою приладів на ЦМД може бути створений повний набір логічних елементів, з яких будуються складні логічні пристрої, в тому числі з використанням оптичних методів зчитування.
ЛІТЕРАТУРА
1. Петров К.С. Радіоматеріали, радіокомпоненти і електроніка: Навчальний посібник для вузів. - СПб: Питер, 2003. - 512 с.2. Опадчій Ю.Ф. та ін Аналогова та цифрова електроніка: Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчій, О.П. Глудкін, А.І. Гуров; Під. ред. О.П. Глудкін. М.: Гаряча Лінія - Телекому, 1999. - 768 с.
3. Акімов М.М. та ін Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА: Довідник / М.М. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Білорусь, 2004. - 591 с.