§8.1. Функционалды микроэлектрониканың негізгі даму бағыттары

ИМС ның негізгі құрылымында микросхеманың қосаберілетін (активті және пассивті) элементтерінің, элементтік(технологиялық) интеграцияның ұстанымы жатыр.ИМС құрамынан өзімен бірге активті (диодтар,транзисторлар) және пассивті(резистор,конденсатор,индуктивті катушка) элементтерді қамтитын аумақтарын бөліп алуға болады.Интегральды микроэлектроникада теориялық тізбектер заңының электрлік микросхемасымен сызылған, дискретті электрониканың негізгі ұстанымы сақталады.Бұл ұстаным микросхеманың элементтер санының өсуімен байланысты.

Микросхема интеграциясының өсу деңгейі және осыған қатысты элементтердің көлемінің төмендеуі тағайынды шектерді көрсетеді.Жоғарғы интеграцияда бір криссталдағы қаншама жүздеген ,мыңдаған элементтердің экономикалық тұрғыда орындалуы қиынға соғады.Қиын болатын мәселе топология мен сулықжылу.Сол себепті интегральды микроэлектроника күрделі радиоэлектронды аппаратураны толығымен қанағаттандыра алмайды.

Функционалды микроэлектроника базалық стандарттық элементтің қолданылуынсыз аппаратураның тағайындалған қызметін орындайтын,физикалық қатты денедегі, жаңа тіл табу ұстанымын ұсынады.Бұл жағдайда қатты дененің локальды көлемі мынадай қасиеттер көрсетеді,аталған қызметтің орындалуы үшін,қалаушының атқаратын қызметі электронды эквивалентті схеманы орындамайды.Функциональды микросхема шалаөткізгіштердің негізін орындап қана қоймайды сонымен қатар асаөткізгіштер негізін,

8.1 сурет функциональды микроэлектрониканың негізгі бағыты.

сегнетоэлектриктерді, фотоқұрылымды материалдарды және т.б орындайды.

Функциональды микроэлектроникада қолдануды бастайды(8.1 сурет)

1.Оптикалық құбылыс(когерентті және когорентті емес оптика,бейсызық оптика,электрооптика,магниттікоптика).Олардың құрамы ,төмендегі жарықтық ток ағынының құрамымен байланысты:

Зарядтық бейтараптылық,бірбағыттылық,гальваникалық байланыс пен электрлік контактының болмауы;

Жарықтық ток ағынының екіжақтылығы,кезектесушілік,көпканалды ақпараттың мүмкіншілігі;

Жоғары тасушы жиілік,демек,ақпаратты өңдеу каналының жоғары өткізу жолағы ;

Бұл ерекшеліктер функциональды микроэлектроника-оптоэлектрониканың негізгі бағыты.

2. Электрондардың тогымен және қатты денелердегі акустикалық толқындармен өзара байланысатын физикалық құбылыс.Мұндай құбылыс,электронды токтардың акустикалық толқыны және генерация сияқты,жоғарғыдауысты жылдамдықпен қозғалатын,функциональды микроэлектрониканың жаңа бағыты-акустоэлектроникалар.Бұл құбылыстың ерекшелігі акустикалық толқындардың таралуының аз жылдамдықты(1*10⁵ cм/c)электромагнитті толқындардан айырмашылығымен (3*10¹⁰см/с),тапсырысты жиілікті фильтрлерде,сонымен қатар СВЧ күшейткіштерде кідірістің кішігірім сызықтарын жүзеге асырады.

Бұл бағыттың артықшылығы,тапсырылған атқарылатын қызметтің жүзеге асырылуымен ғана емес,құрылым конфигурациясының талғамымен де құралады.

3.Жаңа магниттік материалдардың (әлсіз ферромагнетиктер және магнитті шалаөткізгіштер)құрылуына себеп болатын жаңа бағыт-магнетоэлектроникалар.Әлсіз ферромагнетиктердің нағыз ерекшелігіне классикалық магнитті материалдардың салыстырмалы түрде аз болуы жатады.

4.Бірдей шалаөткізгіштердегі қозғалмалы электронды әртүрліліктер(домендер мен шнурлар).Олардың зерттелінуі функциональды интегральды микросхемалардың құрылуына негізделген.

5.Молекулярлық деңгейдегі денелер құрылысының өзгерісімен сипатталатын құбылыс.Олар жаңа бағытттың құрылуы – кванттық микроэлектрониканың құрылуына себеп болды.Бұл бағыт фазалық ауысулардың қатты денелер мен сұйық криссталдарда байланысуын көрсететін магниттік және оптикалық құрылым.

Микроэлектронды құрылғы жоғары функциональды мүмкіндіктерді қамтиды.

6.Ганна эффектісі негізіндегі құрылғылар.СВЧ дағы генераторлар мен күшейткіштер мынадай,импулсьты-кодтық модуляторлар,компараторлар,аналогты-цифрлық құраушылар,логикалық элементтердің толық қатары,күрделі формадағы генераторлар тербелісі,регистрлар және сақтағыш құрылығыларды, функциональды құрылғыларды құруға мүмкіндік береді.Шектелген көлемді Ганна диодындағы режимде импусьты қуат 3─6кВт жиілігі 1,5 ─2 ГГц ке тең болады.

7. Салқын эмиссия құбылысы.Ол микроэлектрониканың жасалынуында электровакуумдық құрылғылардың құрылуына себеп болады.Берілген барлық вакуумдық құрылғылар(жоғары кіріс кедергісі,аз шуыл),олар өте биік радиоционды тұрақтылықты,өте аз көлемді,жоғарғы жұмыс жиілігін сипаттайды.

8.Тірі табиғат құбылысы,жиілікте,молекулярлық деңгейде,сонымен қатар эффективті байланыс мәселелерін шешуге мүмкіндік береді.Бұл құбылыс жаңа бағыт-биоэлектрониканы ашады.

9.Приборлардың заряд тасымалдау және қор жинау кезінде, элементтің қол жеткізу тығыздығы 3*10⁴ элемент/см².Ондай құрылғылар жеткілікті түрде өзімен бірге технологиялық металл-диэлектрикті шалаөткізгіштерді қабылдайды.Приборлар заряд ауысуы кезінде,немесе приборлардың зарядтық байланысы кезінде жүйенің және логикалық схеманың негізгі құраушысы бола алады. Кең түрде диэлектрик сапасына қарай транзисторлардың қолданылуы шалаөткізгіштердің бірден-бір негізгі кемшілігі болып саналады.Мұндай шалаөткізгіштер элемент тығыздығының 10⁸элемент/см² тан 10^-6с уақыт аралығына дейін орналасуына мүмкіндік береді.

Басқарудың басқа типі электрлік бірегейсіздікті біртекті материалдардағы -электродты аймақтарда потенциальды зарядтардың орналасуын қамтамасыз етеді.Бұл жерде орындалатын функция контактілер топологиясына жетеді.Өте перспективті әдістердің бірігуі,потенциальды шұңғылдағы үйлесімді зарядтар зарядтардың сақталуымен және қармалуымен үстіңгі қабаттарда ұзақ сақталатын үлкен көлемді ақпаратты қызметтерді қоса атқарады.

8.2 –сурет Тербелмейтін қабатталған эмиттердің құрылысы:

1-подложка; 2-алюминий,алтын немесе вольфрам;3- алтын; 4-SIO₂ Al₂O₃; 5- алюминий; 6-тегістелген SIO₂ қабаты;

10.Аморфты материалдар (кристаллды құрылымды иеленбейтін),симметриялы S бейнелі волть-амперлік сипаттамага ие болады.Ауыстырып-қосқыштар,ауыстырып-қосу уақыты 1,5*10^-10 с болатын негізде құрылған.Элемент негізінен халькогенидті әйнек 256 биттік электрлі баспа мүмкіндігінде және құрылым қабатының жоғары қалыңдығында құрылады.Шалаөткізгіштің сыйымдылығы 10⁶ битке дейін өсуі мүмкін.Бұл құрылғылар энергия шығынынсыз ақпараттың сақталуын қамтамасыз етеді және симметриялы вольт –амперлік сипаттамаға ие болады.Сонымен қатар жоғары радиоционды тұрақтылықты қамтамасыз етеді.

Аморфты шалаөткізгіштер базасында күшейетін перспективті құрылғылар-туннельді эмиттер қабатын көрсетеді.(8.2-сурет)Ішкі құрылысы бойынша олардың конденсаторлы металл типтес құрылғылар-диэлектрик-металлдардан айырмашылығы жоқ,бірақ, жұмыс істеу қызметі әртүлі болады.Диэлектрик қабаты өте жұқа,токты 0,01 А аралығында өткізуге қабілетті ,үстіңгі электродта жеткілікті түрде жұқа болып келеді (50нм ден көп емес).Қабатты эмиттердің жұмыс істеу принципі төмендегідей. Катодтағы электрондар(қалыңдық реті 0,5 мкм)диэлектрикке тиеді және аморфты пленканың қалыңдығынан диэлектриктер қарқынды жылдамдықпен үлкейе түседі немесе айтарлықтай дәрежеде энергия жоғалуын сейілтеді.

Диэлектриктің қалыңдығын минималды түрде таңдайды, себебі, пленканың жаппай құрылымы сақталу үшін және диэлектриктің ішінара ойықтары болмауы үшін. Диэлектриктің жұмыстық қалыңдығы көп жағдайда 40 нм - ден асырылмайды. "Ыстық" электрондар потенциалды барьер арқылы сарқылады және вакуумдегі сыртқы электрод арқылы көшеді. Пленкалы структура металл - диэлектрик - металл, шындығында, қарапайым катодтардан айырмашылығы шуламайтын (не шумит) суық катодтың функциясын орындайды, беттің бірлігі бар эмиссияның үлкен тогы кезіндегі өте аз өлшемге және көтерілген радиационды беріктілікке ие.

11. Джозефсон эффектісі негізіндегі приборлар. Джозефсон эффектісіне неізделген прибордың параметрлері интегралды микроэлектрониканың приборлар параметріне сәйкес біраз жоғарылатылады. Зерттеулердің көрсетуі бойынша, Джозефсон эффектісіне неізделген жеке приборлардың жедел қозғалысы 20 - 30 пс жетеді, ал таралу қуаты 100 нВт - ге тең, қарапайым ИМС - ға қарағанда бірнеше есе кіші. Мұндай приборларды дайындау кезіндегі неізгі қиындық - 2 нм қалыңдығы кезіндегі тұрақты диэлектрикті алу.

Функционалды микроэлектрониканың дамуының кейбір бағыттарын ашып қарастырамыз.