Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

1.2. Динамическая неоднородность.

Типы динамических неоднородностей

Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от его окружения свойствами, который не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определенных физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализирована или перемещаться по рабочему объему континуальной (непрерывной) среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы.

В процессе перемещения динамической неоднородности может происходить, например, перенос информации. Деградация динамической неоднородности не приводит, как правило, к потерям и сбоям в процессах обработки информации.

В функциональной микроэлектронике начинают использовать:

1. Оптические явления (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнетооптика). Их свойства_, связанные со свойствами светового потока, следующие:

зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов;

двухмерность светового потока, а, следовательно, возможность многоканальной обработки информации;

высокая несущая частота и, следовательно, большая полоса пропускания каналов обработки информации.

Эти особенности стали основой интенсивно развивающегося направления функциональной микроэлектроники - оптоэлектроники.

2. Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. Такие явления, как генерация и усиление акустических волн потоком электронов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, обусловили появление нового направления функциональной микроэлектроники - акустоэлектроники. Особенность этих явлений заключается в малой скорости распространения акустических волн (110⁵ см/с) в отличие от электромагнитных волн (310¹⁰ см/с), что позволяет реализовать миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотными свойствами, усилители СВЧ и др.

Преимущество этого направления состоит в том, что реализация заданной функции обеспечивается лишь выбором конфигурации устройства.

3. Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), появление которых привело к созданию нового направления - магнетоэлектроники. Отличительной особенностью слабых ферромагнетиков является малая по сравнению с классическими магнитными материалами намагниченность насыщения. Это дает возможность управлять движением магнитных доменов, называемых пузырями, в двух и трех измерениях слабыми магнитными полями и осуществлять тем самым функции хранения, перемещения и обработки больших объемов информации.

Характерные размеры «пузырей», составляющих примерно 1 мкм, позволяют достичь высокой плотности записи информации (110⁸ бит/см²). Большое преимущество таких систем состоит в том, что хранение информации осуществляется без питания, а перемещение «пузырей» — малым рассеянием мощности. Ряд новых материалов — магнитных полупроводников, обладающих свойствами магнетиков и полупроводников, — позволяет создавать приборы с большой функциональной гибкостью.

4. Покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности (домены и шнуры) в однородных полупроводниках. Их исследование стимулировало создание функциональных интегральных микросхем.

Так как в данном случае используется однородный материал, то реализация заданной функции может быть достигнута выбором соответствующей конфигурации устройства. Высокие скорости движения неоднородностей электрического поля (110⁷ см/с), обусловливают высокое быстродействие (меньше 110⁹ с), а также генерацию и усиление в диапазоне СВЧ.

Микроэлектронные устройства с использованием доменов обладают высокими функциональными возможностями.

5. Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне. Они привели к возникновению нового направления - квантовой или молекулярной микроэлектроники. К этому направлению относятся фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, сопровождающихся резкими изменениями электрических, оптических и магнитных свойств. Обусловленная этим высокая чувствительность к внешним воздействиям позволяет легко осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных системах.

Интересными материалами с еще не вполне раскрытыми перспективами использования их в микроэлектронике являются органические полупроводники.

6. Элементы на основе эффекта Ганна. Эффект Ганна – явление генерацции ВЧ-колебаний электрического тока в случае приложения к образцу п-типа арсенида галлия или антимонида индия постоянного напряжения, превышающего некоторое критическое значение. Помимо генераторов и усилителей СВЧ они позволяют создавать такие функциональные устройства, как импульсно-кодовые модуляторы, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, нейристорные линии задержки, полный ряд логических элементов, генераторы колебаний сложной формы, регистры сдвига и запоминающие устройства (ЗУ). На основе этих элементов могут быть созданы сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически до 10^-12 с), превосходящие по быстродействию лучшие кремниевые микросхемы, по крайней мере, на порядок при том же уровне рассеиваемой мощности.

Малогабаритные СВЧ-генераторы на диодах Ганна уже миновали стадию лабораторных разработок. Они обладают низким уровнем шумов (сравнимым с клистронами) и мощностью излучения, достаточной для использования в радиолокационных устройствах в диапазоне частот 1 - 80 ГГц. Такие диоды в пролетном режиме генерации обеспечивают выходную мощность 20 - 350 мВт - в непрерывном режиме и 1 - 400 Вт - в импульсном режиме. В режиме ограниченного накопления объемного заряда диоды Ганна позволяют получать импульсную мощность 3 - 6 кВт на частоте 1,5 - 2 ГГц при кпд 10 - 20 %.

7. Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок. Обладая всеми преимуществами вакуумных приборов (высокие входные сопротивления, малые шумы), они характеризуются очень высокой радиационной стойкостью, весьма малыми размерами, высокими рабочими частотами.

8. Явления живой природы, в частности на молекулярном уровне, позволяющие использовать принципы хранения и обработки информации в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации, приближающихся по своим функциональным возможностям к человеческому мозгу (искусственный интеллект), а также решать проблему эффективной связи «человек - машина». Эти явления открывают новое направление - биоэлектронику. Развитие этого направления может привести к научно-технической революции в электронике, последствия которой трудно предвидеть.

9. Функциональные микросхемы, в которых используется эффект накопления и переноса зарядов, что позволяет реализовать плотность размещения элементов 310⁴ элемент/см². Такие приборы по существу представляют собой МДП-структуры, они весьма технологичны (число технологических операций в два раза меньше по сравнению с обычной МДП-технологией). Приборы с переносом заряда (ППЗ), или приборы с зарядовой связью (ПЗС), могут стать основой построения логических схем, линий задержки, схем памяти и систем для получения изображений. Сравнительная простота технологии изготовления ПЗС по сравнению с системами на обычных МДП-транзисторах и почти десятикратное уменьшение площади схемы (порядка 0,0016 мм² на 1 бит информации) должны привести к существенному снижению стоимости систем на ПЗС. Использование полевых транзисторов с нитридом кремния в качестве диэлектрика затвора позволяет преодолевать один из основных недостатков полупроводниковых ЗУ — потерю информации при отключении питания. Такие ЗУ дают возможность реализовать плотность размещения элементов до 10⁸ элемент/см² при времени записи 10^-6 с.

Другой тип управления электрическими неоднородностями в однородном материале состоит в помещении зарядов в потенциальные ямы в приэлектродной области. И здесь выполнение заданных функций достигается топологией контактов. Очень перспективно объединение методов, сочетающих заряд в потенциальных ямах с захватом и хранением заряда в поверхностном слое (электретный эффект), что позволяет совместить длительное хранение больших объемов информации и ее обработку (электроника переноса заряда).

10. Интересные возможности для реализации быстродействующих ЗУ большого объема представляют переключатели на основе аморфных материалов (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,510^-10 с. На основе элементов из халькогенидных стекол создано постоянное ЗУ на 256 бит с возможностью электрической перезаписи и высокой плотностью упаковки структуры, сравнимой с достигнутой плотностью в биполярной и МДП-технологии. Емкость ЗУ может возрасти до 10⁶ бит. Эти приборы обеспечивают хранение информации без расхода энергии и считывание без разрушения, обладают симметричностью вольт-амперных характеристик и высокой радиационной стойкостью.

Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) является Si, Ge, As, Те, In, Sb, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе оксидов этих полупроводников или оксидов тугоплавких металлов переходной группы, например Gr, Ti, Та, Mo, Nb.

Аморфные материалы классифицируют следующим образом:

- материалы с резко изменяющимся значением удельного сопротивления (рис. 1.1, а);

- материалы с отрицательным дифференциальным сопротивлением до 10⁶ Ом (рис. 1.1, б);

- материалы с двумя управляемыми состояниями электропроводности (рис. 1.1, в); сопротивления этих материалов могут различаться на семь порядков, а время переключения составляет 10^-9 с;

- материалы с двумя устойчивыми состояниями переключения (рис. 1.1, г);

- функциональные материалы, объединяющие свойства перечисленных материалов (рис. 1.1, д).

Рис. 1.1. Общий вид вольт-амперных характеристик

различных аморфных материалов

Анализ вольт-амперных характеристик аморфных материалов показывает, что их проводимость в ряде случаев скачком изменяется на несколько порядков и сохраняется в таком состоянии неограниченно долго. Эти свойства аморфных материалов уже дали возможность построить пороговые переключатели, ячейки памяти, перестраиваемые ключи памяти с двумя устойчивыми состояниями. Отметим, что интервал рабочих температур аморфных переключателей и ячеек памяти составляет от - 180 до + 180 °С.

/ б

Представляют большой интерес функциональные элементы с управляемым отрицательным сопротивлением на основе аморфных материалов. Эти приборы можно подразделить на две категории: 1) приборы, управляемые током и обладающие отрицательным дифференциальным сопротивлением (приборы с S-образной характеристикой); 2) приборы, управляемые напряжением и обладающие эффектом памяти (приборы с N-образной характеристикой). Первый тип приборов реализуется на пленках окислов Та, Ti, Nb, второй - на пленках диэлектриков, содержащих окислы, сульфиды и флюориды.

На основе аморфных полупроводников развиваются перспективные приборы - туннельные пленочные эмиттеры (рис. 1.2). По внешнему виду эти приборы почти не отличаются от конденсаторных структур типа «металл - диэлектрик - металл, однако принцип их работы иной. Пленка диэлектрика очень тонкая, способная пропускать токи до 0,01 А, верхний электрод также достаточно тонкий (не более 50 нм). Принцип работы пленочных эмиттеров следующий. Электроны из катода (толщиной порядка 0,5 мкм) попадают в диэлектрик и в зависимости от толщины аморфной пленки диэлектрика разгоняются в нем до больших скоростей либо рассеиваются со значительными потерями энергии. Толщину диэлектрика выбирают минимальной, однако такой, чтобы сохранялась сплошная структура пленки и не было частичных микропробоев диэлектрика. Рабочая толщина диэлектрика обычно не превышает 40 нм. Так называемые «горячие электроны» просачиваются через потенциальный барьер и мигрируют через наружный электрод в вакуум. Пленочная структура металл - диэлектрик - металл выполняет фактически функцию холодного катода, который в отличие от обычных катодов почти не шумит, обладает повышенной радиационной стойкостью и очень малыми размерами при большом токе эмиссии с единицы поверхности.

Рис. 1.2. Структура накаливаемого пленочного эмиттера:

1 - подложка; 2 - алюминий, золото или вольфрам; 3 - золото;

4 - SiО₂ или АlО₃; 5 - алюминий;

6 - грунтующий подслой из SiО₂

11. Когерентные свойства сигнала для создания ряда новых твердотельных функциональных приборов: генераторов синусоидальных колебаний, усилителей, умножителей, преобразователей частоты, фазовращателей, трансформаторов, линий задержки, нейристорных линий, логических элементов, ячеек памяти и т. д. Следует особо выделить специфическое физическое явление, основанное на квантовых когерентных свойствах носителей заряда - эффект Джозефсона. Суть его 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 слабым внешними сигналами. Значения параметров приборов, основанных на этом эффекте, существенно превышают значения соответствующих параметров приборов интегральной микроэлектроники. Исследования показали, что быстродействие отдельных приборов на эффекте Джозефсона достигает 20 - 30 пс, а мощность рассеяния равна 100 нВт, т. е. во много раз меньше, чем в обычных интегральных микросхемах. Основная трудность при изготовлении таких приборов - получение стабильного диэлектрика при толщинах порядка 2 нм.

1.3. Основные направления и тенденции развития

функциональной микроэлектроники

В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают направления в функциональной электронике, например, функциональная акустоэлектроника, функциональная магнетоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, функциональная диэлектрическая электроника, молекулярная электроника и т. п. Объединяющим их признаком является динамическая неоднородность как носитель или транслятор или хранитель информации.

Например, традиционная полупроводниковая схемотехническая электроника отличается от полупроводниковой функциональной электроники носителем информационного сигнала. В приборах схемотехнической микроэлектроники - аналоговых или цифровых ИС - информация хранится или обрабатывается в ячейках в виде заряда, потенциала или тока определенного уровня на определенной статической неоднородности.

Напротив, в ПЗС-матрицах, относящихся по своей физической природе к изделиям функциональной полупроводниковой электроники, информация хранится (либо обрабатывается) в виде динамической неоднородности - зарядового пакета, состоящего из электронов или дырок. Статические неоднородности, различные схемы обрамления в этих изделия играют вспомогательную роль.

Основные направления развития функциональной микроэлектроники:

Оптоэлектроника - это направление электроники, основанное на использовании фотонов для передачи, приема, хранения и переработки информации. Динамическими неоднородностями в оптоэлектронике являются сгустки фотонов.

Акустоэлектроника   это направление электроники, основанное на использовании фононов для передачи, приема и переработки информации. Динамическими неоднородностями в акустоэлектронике являются фононы. Фонон  это квант энергии упругого колебания кристаллической решетки вещества.

Магнетоэлектроника   это направление электроники, развиваемое на основе использования новых совершенных магнитных материалов, позволяющих формировать и перемещать в слабых магнитных полях устойчивые образования микроскопических размеров (цилиндрические магнитные домены), т.е. динамическими неоднородностями в магнитоэлектронике являются цилиндрические магнитные домены – ЦМД (общепринятая аббревиатура).

Функциональная полупроводниковая электроника - это направление электроники, основанное на использовании взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводниковых континуальных средах с физическими полями. Динамическими неоднородностями являются зарядовые пакеты, домены Ганна, токовые шнуры, волны пространственного заряда (ВПЗ), фононы, поляроны, биполяроны, флуктуоны, экситоны Френкеля, экситоны Ванье-Мотта, поляритон.

Разновидность функциональной полупроводниковой электроники - электроника переноса заряда  это направление электроники, основанное на использовании электрических зарядов неосновных носителей в полупроводниковых структурах для передачи, приема, хранения и обработки информации. Динамическими неоднородностями здесь являются зарядовые пакеты (сгустки) электронов или дырок, искусственно созданные в приповерхностной или внутренней области полупроводника.

Устройства, в которых используются зарядовые пакеты, получили название приборов с переносом заряда.

Плазменная электроника   это направление электроники, основанное на использовании ионизированных частиц в качестве функциональных элементов. Динамическими неоднородностями здесь являются заряженные частицы вещества.

Криоэлектроника  это направление электроники, основанное на использовании электронных явлений, проявляющихся при низких криогенных температурах, когда возникает явление сверхпроводимости (наиболее низкую (криогенную) температуру 4,2 К дает жидкий гелий). Динамическими неоднородностями являются сверхпроводники первого и второго рода, высокотемпературные сверхпроводники, параэлектрики. В криоэлектронике используются эффект Джозефсона (стационарный и нестационарный), сверхпроводящие туннельные, мостиковые переходы на эффекте Джозефсона, структуры на узкозонных соединениях (InSb, InAs) и твердых растворах (BiSb (антимонид висмута), CdHgTe (теллурид кадмия - ртути), PbSnTe (халькогенид свинца - олова), а также нелинейных кристаллов-параэлектриков, которые не переходят в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах (SrTiO₃ - титанат стронция), и сегнетоэлектриков с низкой температурой Кюри-Вейсса.