Тема 2.2 Оптоэлектроника

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 вр 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 кристалловпараэлектриков, которые не переходят в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах (SrTiO3 - титанат стронция), и сегнетоэлектриков с низкой температурой Кюри-Вейсса.

Молекулярная электроника - область электроники, в которой функциональные электронные компоненты и устройства организованы на уровне отдельных молекул и их комплексов. Динамическими неоднородностями являются ансамбли солитонов (структурное возмущение, способное перемещаться в одном или двух направлениях подобно частице) или электронов.

Биоэлектроника – раздел молекулярной электроники, одно из направлений бионики, решающей задачи электроники на основе анализа структуры и жизнедеятельности живых организмов, исследует возможность применения биополимеров в качестве управляемых светом или электрическими импульсами модулей компьютерных и оптических систем.

Диэлектрическая электроника – изучает протекание токов, ограниченных объемным зарядом в диэлектриках, при термоэлектронной эмиссии из металлов и полупроводников, туннельной эмиссии. Динамическими неоднородностями являются домены, квазичастицы, неоднородности фоторефрактивной и электрооптической природы (сегнетоэлектрические домены, пиоэлектрики, сегнетоэластики, фазоны - возникают при фотостимулированных фазовых переходах в сегнетоэлектриках, флуктоны, экситоны, поляритоны).

Хемотроника (ионика) – возникла как научное направление на стыке двух развивающихся направлений электроника и электрохимии – наука, изучающаяперспективы построения информационных и управляющих систем на основе процессов протекающих в жидкостях и на границах жидких фаз. Динамическими неоднородностями являютсяионы в растворе.

Основные направления функциональной микроэлектроники можно свести в таблицу (см. рис. 1.4).

Таким образом, все основные направления функциональной электроники базируются на использовании различных физических явлений в твердом теле. В виде микросхем выпускается некоторая часть опто- , акусто- и магнитоэлектронных приборов, а также ПЗС.

Основные тенденции развития функциональной электроники:

- поиск новых перспективных видов континуальных (непрерывных) сред и динамических неоднородностей;

- разработка новых технологий для выращивания структур полупроводник-пьезоэлектрик, полупроводник-сегнетоэлектрик;

- изучение возможности использования взаимодействия динамических неоднородностей различной природы в однородной структуре.

Функциональная электроника не исключает традиционную схемотехническую микроэлектронику, а дополняет ее и расширяет границы и области ее применения. Поэтому наиболее перспективным направлением развития и совершенствования современных РЭС является разработка новых структур и систем, в которых в полной мере будут воплощены преимущества совместного использования элементов интегральной и функциональной электроники.

Рис. 1.4. Основные направления функциональной микроэлектроники