Основы наноэллектроники

ЛЕКЦИЯ14. Перспективы развития функциональной электроники.

Повышение степени интеграции интегральных схем можно решить путем применения приборов функциональной электроники.

Функциональная микроэлектроника позволяет реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.

В функциональной микроэлектронике начинают использовать:

Оптические явления (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнетооптика) – на их основе зародилась оптоэлектроника

Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника).

Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), в которых используются электромагнитные процессы на доменном уровне.

Покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности (домены и шнуры) в однородных полупроводниках.

Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне (квантовая и молекулярная микроэлектроника).

Элементы на основе эффекта Ганна.

Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок.

Аморфные материалы (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,5×10^-10 с. Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) являются Si, Ge, As, Te, In, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе окислов этих полупроводников или окислов тугоплавких металлов переходной группы, например, Ti, Ta, Mo, Nb.

Приборы на эффекте Джозефсона, суть которого состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами.

Акустоэлектроника – направление функциональной микроэлектроники, связанное с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале.

Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.

На принципе электромеханического резонанса основано действие прибора, называемого резонистором и представляющего собой транзистор с резонирующим затвором На пьезоэлектрическом эффекте основана работа некоторых радиотехнических функциональных приборов – кварцевых генераторов, фильтров, ультразвуковых линий задержки, акустоэлектронных усилителей и преобразователей.

Относительно новым классом акустоэлектронных приборов являются приборы, использующие поверхностные акустические волны.

Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.

На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.

На основе использования явления взаимодействия ПАВ с носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структурах разработаны акустоэлектронные усилители.

Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи рабочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем электрические токи. Если теперь приложить постоянное электрическое поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупроводнике в направлении распространения ПАВ, то носители заряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазовую скорость ПАВ.

Рисунок 1.50 - Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:

1 – воздушный зазор;

2 – кремниевая пленка;
3 – сапфировая подложка;

4 – акустическая подложка

На рисунке1.50 показано устройство акустоэлектронного усилителя на поверхностных волнах. На сапфировой подложке 3 в пространстве между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристаллический слой кремния n -типа 2 толщиной около 1 мкм. У краев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода дрейфового напряжения U _др. Между акустической подложкой 4 и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усиливаемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 20 нм – для 1 ГГц).

Такие усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэффициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ.

Магнитоэлектроника — направление функциональной микроэлектроники, связанное с появлением новых магнитных материалов, обладающих малой намагниченностью насыщения, и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок.

Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где в качестве элемента памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления. Весьма перспективны устройства, памяти на цилиндрических магнитных доменах. Плотность записи таких устройств достигает 10⁵ бит/см² при скорости обработки информации 310⁶ бит/с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены (двойной электрический слой) могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Для создания доменов применяют тонкие магнитные пленки толщиной до 10 мкм, напыляемые на подложку из немагнитного материала. Следовательно, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которой посредством системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.

Применение тонких магнитных пленок в качестве носителей информации основано на том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями. Эти состояния пленки обеспечиваются благодаря одноосной магнитной анизотропии — предпочтительной ориентации вектора намагниченности, которая создается в процессе изготовления пленки или при ее последующей термической обработке с помощью внешнего магнитного поля.

Тонкие пленки пермаллоя (сплав никеля и железа с небольшими добавками меди, хрома и молибдена) можно изготовить так, что их магнитные свойства в разных направлениях будут сильно различаться. В направлении оси трудного намагничивания (ОТН) петля гистерезиса практически полностью отсутствует, зато под прямым углом к ней в направлении оси легкого намагничивания (ОЛН) петля гистерезиса является почти полной (рисунок1.51, а). Это свойство используется в двух видах интегральной памяти: элементе памяти с плоскими магнитными пленками (рисунок1.51, б) и элементе памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку (рисунок1.51, в).

А Б

Рисунок 1.51- Использование тонких магнитных пленок для элементов памяти ЭВМ(А): Плоская проволочная память(Б)

а – петля гистерезиса тонкой магнитной пленки;

б – элемент памяти с плоскими магнитными пленками; в – элемент памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку

При хранении информации пермаллойные элементы намагничены в одном или другом направлении оси легкого намагничивания, которое совпадает с продольным направлением в пленке и является окружностью для проволоки с электролитическим покрытием. При записи ток слов делает направление намагниченности почти совпадающим с направлением оси трудного намагничивания. Ток чисел отклоняет направление намагниченности в ту или другую сторону, так что после прохождения импульсов намагниченность устанавливается в направлении ОЛН.

Третьим типом интегральной памяти на магнитных пленках является плоская проволочная память (рисунок1.51). Ее изготовляют путем электролитического нанесения пленки пермаллоя на медно-бериллиевую проволоку. Прямые параллельные отрезки такой проволоки образуют линии чисел; проводящие ленты, протянутые в поперечном направлении, служат линиями слов. Запоминание осуществляется намагничиванием по окружности пленки, нанесенной электролизом на проволоку, причем это соответствует направлению оси легкого намагничивания, которое устанавливается при электролизе за счет пропускания постоянного тока через проволоку. Ток слов направляет поле по оси проволоки, т. е. в направлении оси трудного намагничивания. Это индуцирует напряжения в линиях чисел, причем небольшие токи чисел направляют поля вдоль оси легкого намагничивания.

На тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители и другие приборы.

Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор — это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства:

возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две);

возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами;

большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптическое направление иногда называют лазерным.

Для микроэлектроники представляет интерес в основном электронно-оптическое направление, которое позволяет решить одну из важных проблем интегральной микроэлектроники — существенное уменьшение паразитных связей между элементами как внутри одной интегральной микросхемы, так и между микросхемами. На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов — твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).

а

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней и внешними фотонными связями.. На рисунке1.52 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом.

б  

Рисунок 1.52,а - Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом;б -. Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон:

1 – источник света; 2 – приемник света; 3 – световой кабель

1 – планарная диффузия; 2 – селеновое стекло; 3 – омические контакты; 4 – диффузионная мезаструктура; 5 – источник света; 6 – приемник света

Другой тип оптрона — с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями — является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.

В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Между источником и приемником света в оптроне находится световод. В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т. д. На рисунке1.52,б показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.

Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.

Дата добавления: 2014-11-16