4. Барьеры в сегнетоэлектриках

Ранее отмечалось, что при измерениях электропроводности стремятся создать омические контакты у образца сегнетоэлектрика. Но можно поступать и наоборот — создавать выпрямляющий контакт и получать диод на сегнетоэлектрике. Например, на рис.11 приведена в. а. х. диода на керамическом образце титаната бария, где выпрямляющий эффект возникает в приэлектродном слое BaTiO₃ на контакте с серебряным электродом, полученным вжиганием серебряной пасты. Другой невыпрямляющий контакт получают путем напыления серебра в вакууме либо применения амальгамы индия.

Рис. 11. Асимметричная в. а. х. диода на керамическом образце титаната бария с выпрямляющим контактом

На рис. 12 приведен другой пример нелинейных и несимметричных в. а. х. на сегнетоэлектриках. Кривая 1 получена на образце керамики Ва_0.8Sr_0.2ТiO_x-3 с одним омическим и другим выпрямляющими электродами, а кривая 2 — с двумя выпрямляющими электродами, так что она имеет симметричный варисторный ход.

Барьерные слои у выпрямляющих контактов в сегнетоэлектриках могут иметь весьма высокую емкость. С помощью таких слоев получены конденсаторы, например, емкостью 30000 пФ и рабочим напряжением 10 В. Создавая слоистые системы из пленочных конденсаторов с барьерными слоями, где отдельные конденсаторы соединяют параллельно, можно получать конденсаторы на очень большие емкости.

Рис.12. Несимметричная (1) и нелинейная (2) в. а. х. керамики Ва_0.8Sr_0.2ТiO_x-3 (диаметр образца 0,4 см, толщина — 0,05 см)

Таким образом, ясно, что в сегнетоэлектриках можно получать приэлектродные барьерные слои, которые могут создавать значительную асимметрию в. а. х.

Кроме того, в керамических сегнетоэлектриках наблюдаются барьеры не только у контактов с металлом электродов, но и внутри самой керамики на границах зерен. Имеются литературные данные (например, работы Хейванга) о влиянии запирающих слоев на границах зерен на комплексное сопротивление титаната бария и вообще на диэлектрическую дисперсию. Используют модель, аналогичную модели зерен и прослоек, и объясняют частотную зависимость диэлектрических параметров.

5.Применение в вычислительной технике

В адресных регистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, с помощью которых производится выбор требуемой ячейки памяти. При разработке вычислительных машин предпринимаются меры для уменьшения времени срабатывания этих переключателей. Желательно также уменьшить число необходимых селекторов.

В 1952 г. Андерсон высказал предположение, что сегнетоэлектрики с хорошей «прямоугольной» петлей гистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройств вычислительных машин, причем, как и в запоминающих устройствах на ферритах, возможна матричная селекция. При использовании матричной селекции существенная часть процесса выбора происходит в самих ячейках, причем при таком способе выбора на 10000 ячеек необходимо лишь 200 селекторов.

Рис 18. Расположение электродов для сегнетоэлектрического матричного элемента.

Рис 19. Кристалл титаната бария с нанесенной матрицей электродов (около трех электродов на 1 мм).

Принцип матричной селекции можно уяснить на (рис 18) Поляризация Р_S направлена по толщине кристалла. Электроды «строк» и «столбцов» нанесены на противоположные поверхности кристалла. Таким образом, ряд квадратных участков кристалла оказывается покрытым электродами с обеих сторон; каждый такой участок представляет собой одну ячейку памяти. Поле в каждой ячейке зависит от разности потенциалов сигналов, приложенных к электродам строки и столбца. Для «считывания» состояния поляризации ячейки служит импульс напряжения. Иными словами, считывающий импульс необходим для определения, находится ли ячейка в состоянии с поляризацией +Р_S или с поляризацией -Р_S. Прикладываемые к электродам строки и столбца ячейки импульсы имеют половинную амплитуду, но разные знаки; таким образом, только к этой ячейке приложен импульс полной амплитуды. В зависимости от состояния поляризации ячейки в данный момент появляется или не появляется сигнал переключения. Если ячейка переполяризовалась, то изменение ее заряда проявляется в виде импульса тока или в виде импульса напряжения на выходном конденсаторе.

Как было показано в лаборатории автора, нанесение электродов для создания плотности ячеек порядка 800 ячеек на 1 см² не представляет трудностей (рис 19). При переполяризации 0,1 мм² площади пластинки титаната бария за время, например, 10 мксек средний ток равен около 5 мA. Амплитуда считывающего импульса составляет от 10 до 20 B при использовании пластинки из титаната бария толщиной 0,1 мм. Если требуется неразрушающее считывание, то необходимо устройство для восстановления первоначального состояния поляризации ячейки после считывания. Добавочная регенерация необходима также потому, что воздействием на ячейку импульсов половинной амплитуды нельзя полностью пренебречь. С точки зрения стандартов вычислительной техники ни одно из этих усложнений не является очень большим.

Запоминающие устройства на сегнетоэлектриках сравнимы с запоминающими устройствами на ферритах; однако последние имеют преимущество, обусловленное тем, что техника ферритов развивалась уже в течение ряда лет. Следует отметить, что время переключения сегнетоэлектриков с точки зрения требований современной техники велико, если пользоваться матричной селекцией. Время переключения определяется амплитудой импульса, а амплитуда импульса в свою очередь — коэрцитивным полем материала. В случае титаната бария этот предел составляет около 10 мксек.

В сдвигающих регистрах и счетчиках вычислительных машин матричная селекция не употребляется, поэтому здесь можно использовать импульсы напряжения большей амплитуды. Это обстоятельство уменьшает указанный выше предел времени срабатывания. При малой емкости выходного конденсатора напряжение с выхода одной ячейки может быть непосредственно приложено к другой ячейке. Подобные регистры были построены с применением монокристаллов титаната бария и транзисторных управляющих цепей. Были также созданы регистры и накопители на керамиках. Одно из устройств, допускающих неразрушающее считывание информации с ячейки памяти, описано Кауфманом. Принцип его работы заключается в том, что при переполяризации ячейки в результате изменения знака спонтанной поляризации фаза выходного сигнала изменяется так, что последний находится или в фазе, или в противофазе с опорным переменным пьезоэлектрическим сигналом, вырабатываемым при ультразвуковой вибрации ячейки.

Сегнетоэлектрическая резонансная пара может служить основой бистабильных элементов вычислительных машин. Если частота срабатывания магнитных феррорезонансных пар составляет примерно 20 кГц, то с сегнетоэлектриками можно получить большее быстродействие. В одном из типов таких устройств применяются два контура последовательного резонанса, подключенных параллельно источнику переменного напряжения. В каждой такой цепи последовательно соединены нелинейный сегнетоэлектрический конденсатор и линейная индуктивность. Условие резонанса нелинейной цепи зависит от амплитуды. Если амплитуда напряжения мала, то в обоих плечах может иметь место линейный резонанс, но имеется такой интервал амплитуд, для которого осуществляется нелинейный резонанс, при котором заряд, протекающий в одном плече, много больше, чем в другом. Больший ток может протекать в любом из плеч. Переключение с одного состояния нелинейного резонанса на другое осуществляется при помощи индуктивной связи.

Заключение. Изучив данный класс материалов — сегнетоэлектрики, мы нашли, что их самое замечательное свойство состоит в том, что в них существуют области одинаково направленной спонтанной поляризации — сегнетоэлектрические домены. Под влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из многодоменного состояния в монодоменное. Это свойство сегнетоэлектриков используется для создания на их основе ЗУ ЭВМ. Многие сегнетоэлектрики обладают аномально высокими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физических свойств от температуры, достигающих экстремальных значений и максимальной нелинейности в окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика в сегнетоэлектрическую фазу.