20.4 Направления фукциональной электроники. Типы неоднородностей в уфэ, примеры.

Функциональное устройство — это устройство, реализующее определенную аппаратурную функцию преобразования, обработки или накопления информации путем использования различных физических явлений без помощи традиционных схемных электрорадиоэлементов.

Классическим примером функционального прибора является широко используемый в радиотехнике и системах связи кварцевый резонатор. В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить области, соответствующие индуктивности, емкости или резистору.

В настоящее время ведутся исследования во многих перспективных научно-технических направлениях, которые относятся к функциональной микроэлектронике. Перечислим наиболее известные из них.

Оптоэлектроника, основой которой является когерентная и некогерентная оптика, фотоэлектрические и электрооптические, магнитооптические явления, нелинейная оптика. Уже находит применение ряд практических разработок, например, оптопары, оптоэлектронные каналы передачи информации, оптоэлектронные ИС.

Акустоэлектроника использует распространение акустических волн в твердом теле, пьезоэлектрический эффект, взаимодействие электрических зарядов с акустическими волнами, акустооптические явления.

Магнитоэлектроника развивается на основе использования новых совершенных магнитных материалов, позволяющих формировать и перемещать в слабых магнитных полях устойчивые образования микроскопических размеров — в виде цилиндрических магнитных доменов. Этому направлению функциональной микроэлектроники свойственна перспектива создания запоминающих устройств неразрушающего хранения и обработки цифровой информации с высокой плотностью записи.

Криогенная электроника, основывающаяся на понижении при криогенных температурах энергии носителей заряда, обеспечивает в имеющихся разработках усиление сигналов при низком уровне собственных шумов усилителя, а также возможность выполнения логических операций с чрезвычайно низкой работой переключения и высоким быстродействием.

Хемотроника использует химические, электрохимические, ионные взаимодействия в твердом теле и электролите. Позволяет выполнять схемные функции обработки и преобразования информации, которые трудно осуществить другими методами.

Электротепловые функциональные микросхемы используют медленно протекающие процессы теплопередачи для создания тепловых линий задержки, логических элементов, генераторов инфранизких частот и др.

Приборы с переносом заряда (ППЗ), основанные на явлениях накопления и переноса зарядов, выполняют функции динамических запоминающих устройств, цифровых и аналоговых линий задержки, фоточувствительных схем для преобразования оптических изображений в электрические сигналы. ППЗ представляют собой, по существу, МДП-структуры с высокой степенью интеграции.

Приборы на эффекте Ганна позволяют реализовать усилители и генераторы СВЧ и ряд других функциональных устройств, характеризующиеся низким уровнем шумов. Мощность излучения генераторов на эффекте Ганна достаточна для использования их в составе радиолокаторов, например в составе фазируемой антенной решетки.

Аморфные материалы, обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой, позволяют создать ключи, имеющие время переключения 1,5 • 10^-10 с. На основе халькогенидных стекол созданы постоянные запоминающие устройства с неразрушающим хранением информации и с возможностью электрической перезаписи, имеющие высокую плотность упаковки элементов и высокую радиационную стойкость.

Диэлектрическая электроника основана на явлениях взаимодействия тонких диэлектрических пленок с металлом, имеющим малую работу выхода. В результате оказывается возможным получение управляемого эмиссионного тока, создание диэлектрического диода, диэлектрического транзистора.

Биоэлектроника является одним из направлений бионики, изучающей строение и функционирование живых организмов и нервной системы человека. Исследования нервной системы показали, что она обладает рядом важнейших преимуществ перед самыми совершенными вычислительными системами. К ним относится совершенство восприятия информации, чрезвычайно высокая надежность и способность к резервированию, микроминиатюрность, незначительное потребление энергии, высокая степень самоорганизации.

Основной особенностью полупроводниковых приборов и ИС является наличие кристалла полупроводникового материала с большим количеством созданных в его поверхностном слое статических неоднородностей.

Статические неоднородности характеризуются следующими особенностями: создаются в ходе необратимых технологических процессов в процессе производства; в основном сохраняют характеристики в течение всего срока эксплуатации; жестко связаны с определенными координатами и не могут перемещаться в объеме прибора .

Динамические неоднородности создаются физическими методами.

Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (сегнетоэлектрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (ПАВ), магнитные статические волны (МСВ), волны пространственного заряда (ВПЗ), волны зарядовой плотности (ВЗП) и т.д.). Их появление, перемещение и исчезновение в объеме твердого тела не связано с процессом изготовления устройства. Особенностями динамических неоднородностей является то, что они создаются физическими средствами в ходе эксплуатации прибора, а не технологическими в процессе производства; могут возникать и исчезать, а также изменять свои характеристики во времени; могут существовать длительное время, и эта длительность определяется функциональными задачами устройства; не связаны жестко с координатами; являются непосредственными носителями информации, которая может быть представлена как в цифровой, так и в аналоговой форме .

В настоящее время в функциональной электронике разрабатываются приборы, в каждом из которых используется какой-либо один тип динамических неоднородностей. В перспективе стоит вопрос о переходе ко второму этапу — созданию устройства на базе интеграции различных физических эффектов. Это даст возможность осуществить «параллельный» перенос и обработку большого массива информации, создать устройство с многослойной структурой, использовать большую часть площади кристалла, повысить надежность и устойчивость к внешним воздействиям.