Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

транзисторах, которые обладают повышенным быстродействи­ ем, но меньшей информационной емкостью.

Оперативные ЗУ состоят из накопителя и схем управления.

Данные, которые необходимо запомнить, хранятся в накопите­ ле. Схемы управления включают усилители, разного рода клю­

чи, коммутаторы, дешифраторы и т. д.

Накопитель состоит из элементов памяти в основном на базе бистабильных ячеек (см. п. 9.4), каждая из которых хранит один

бит информации, соответствующей хранению логических О и 1.

Чаще всего бистабильная ячейка представляет собой симмет­

ричный триггер, содержащий два инвертора с перекрестными

обратными связями; выход первого инвертора соединен со вхо­

дом второго, а выход второго - со входом первого.

В 03-У используется достаточно много типов запоминающих

ячеек, некоторые из них, наиболее распространенные, пред­ ставлены на рис. 9.19.

Ячейка на МДП-транзисторах с р-каналами представляет со­

бой триггер (транзисторы VT1 -VT4 ) с управляющими ключами

VT5 и VT6 , соединенных шинами столбца У' и У" (рис. 9.19, а).

При отсутствии выборки напряжение на шине Х близко к нулю,

транзисторы VТ5 и VТ6 закрыты, триггер отключен от шин столб­

ца и элемент памяти хранит ранее записанную информацию.

При записи информации на одну из шин столбца подают на­

пряжение u0 , а на другую - напряжение U1 , после этого на ад­

ресную шину Х поступает положительный импульс с амплиту­

дой, близкой к напряжению источника питания Иип' который

открывает транзисторы VT5 и VT6 и в точках А и В устанавлива-

ются такие же напряжения, что и на шинах У', У", и триггер на­

ходится в необходимом состоянии.

В режиме считывания при поступлении на шину Х импульса

выборки VT5 и VT6 отпираются и на шинах столбца устанавли-

ваются напряжения, соответствующие состоянию триггера (U0 на одной из шин и И1 на другой), которые воспринимаются уси­

лителем считывания. Таким образом, импульс на адресной ши­ не в обоих режимах играет роль тактового импульса.

На рис. 9 .19, б изображена запоминающая ячейка динамиче­ ского типа, в которой информация сохраняется с помощью кон­ денсаторов С1 и С2, сформированных транзисторами. Алгоритм

записи и считывания аналогичен предыдущему случаю.

При записи на шины У' и У" поданы соответственно уровни О

и -f:c = И1 • Уровень -f:c через ключ VT4 поступает на затвор VT1'

который будет открыт. На затвор VT2 подается уровень О и он будет закрыт. На емкостях С1 и С2 напряжения будут иметь зна­

чения соответственно Иci = -f:c, Ис2 = О. Остаточный ток запер­

того VT2 мал, и конденсатор С1 будет разряжаться очень мед­

ленно. Следовательно, Иci и Ис2 будут сохраняться длительное

время.

Для поддержания напряжения на емкости постоянным при ее неизбежном разряде при считывании осуществляют реге­

нерацию, т. е. периодически производят запись того же кода.

Динамические запоминающие ячейки из-за отсутствия источ­

ника питания в режиме хранения

не потребляют мощности, поэтому

они экономичнее статических.

линии питания, на нее подается минусовой потенциал. Эмитте­ ры Э12 и Э22 соединены с шинами столбца У' и У" и применяются

для записи и считывания.

Вторая шина строки Х", которая также используется как шина питания, на нее подается плюс. Транзисторы VT3 и VT4 вместе с генераторами I у и резисторами не входят в эле~ент па­

мяти и служат для его управления.

В режиме хранения при одном устойчивом состоянии VT1 от­

крыт и насыщен, а VT2 закрыт, т. е. Икэ~ = Икэнас ~ 0,1 В, Икэ2 ~ z И~п =Их" - ИХ'. В другом устойчивом состоянии, наоборот,

VT1 закрыт, а VT2 насыщен, т. е. Икэ~ = И~п' Икэ2 = Икэнас· На

базы VT3 и VT4 подают одинаковые напряжения. На шинах У'

и У" устанавливаются также одинаковые напряжения, при этом в управляющих эмиттерах Э12, Э22 токи практически от­

сутствуют.

В режиме считывания на шине Х' повышается напряжение, на шине Х" также повышается напряжение на такую или боль­

шую величину. При VT1 открытом, а VT2 закрытом напряжение

Ив2 на VT2 увеличивается так же, как и на шине Х'. Ток в эмит­

тере 3 21 равен нулю, поэтому напряжение на шине У" (Иу") не

изменяется. В управляющем эмиттере 3 12 транзистора VT1 по­ является ток считывания. Напряжение ИУ' повышается, а эмит­

терный переход VT3 запирается. Напряжение Ив1 транзистора

VT1 в первый момент скачком изменяется, управляющий эмит­ терный переход отпирается и Ив~ начинает изменяться, после

чего управляющий эмиттерный переход отпирается и Ив~ начи­

нает изменяться с той же скоростью, что и Иу•· На шинах У' и У"

возникает разность напряжений, поступающая на усилитель

считывания.

Задержка между поступлением импульса выборки на шину

Х' и моментом срабатывания усилителя считывания (время считывания) определяется процессом заряда емкости шины Су

током элемента памяти. При VT1 насыщенном, а VT2 закрытом

в режиме записи одновременно с подачей импульса выборки на

шину Х' повышается напряжение на базе транзистора VT4 •

В результате VT4 запирается и большой ток генератора Iy течет

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

ИФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

10.1.Общие положения. Возможности наноэлектроники и функциональной электроники

Основные тенденции развития микроэлектроники с момента

ее зарождения и до настоящего времени связаны с увеличением

степени интеграции и быстродействия ИС. Однако такие тенден­

ции имеют определенные пределы, обусловленные возможнос­

тями технологии, а также ограничениями, связанными с физи­

ческими и электрическими принципами преобразования инфор­ мации и энергии, заложенными в работу современных ИС. Для преодоления этих затруднений в технологии начинают широко

применяться рентгеновская и лазерная литографии, которые

позволяют получить разрешение при создании элементов с раз­

мерами менее 10 нм (1 нм= 10-9 м = 10-3 мкм). В США прогнози­

руется, что в ближайшие десять лет будут созданы МДМ-тран­ зисторы с шириной затвора в 20 нм. Разработанные технологии

разрешают разместить на кристалле 109 элементов. Уменьше­

ние элементов до размеров порядка нескольких десятков, пусть

даже сотен, периодов кристаллической решетки кристалла ИС

существенно изменяет физические процессы (основы) работы при­ боров в ИС. При таких характерных размерах начинают прояв­

ляться и преобладать волновые свойства электронов, перемещаю­ щихся через структурированные барьеры, существующие в крис­ таллической решетке. Размеры этих барьеров оказываются одного

порядка с длиной волны де Бройля для электрона Ад= h/mv, где h - постоянная Планка, т - масса электрона, v - скорость его

движения.

Из-за проявления волновых свойств в наноразмерных эле­ ментах основными физическими процессами, которыми обус­ ловлен перенос носителей, являются ннтерференцня и днфракцня

электронных волн, квантовые энергетические ограничения при

движении носителей заряда, связанные с малыми размерами объекта, и туннелнрованне электронов через пространственно уз­

кие потенциальные барьеры. Все перечисленные эффекты и со-

ставляют базу наноэлектроники, представляющей очередной этап

и направление развития микроэлектроники.

Функциональная электроника, функциональная микроэлектроника,

молекулярная электроника - различные названия еще одного

перспективного направления микроэлектроники, которое свя­

зано с получением непрерывных комбинированных сред с за­

данными свойствами для создания различных электронных приборов на основе использования физических принципов и яв­ лений, позволяющих получить компоненты со сложным функ­

циональным схемотехническим назначением.

В отличие от ИС, где используется технологическая интегра­ ция, в функциональной электронике не существует простых эле­

ментов типа диодов, транзисторов, резисторов и т. д.

Интегральные схемы в ближайшие годы достигнут своих предельных (критических) параметров, обусловленных физиче­

скими ограничениями и возможностями технологии. Появятся ИС с топологическими нормами порядка О,1 мкм; скорость внеш­ него обмена информацией ограничится 3 ГГц из-за проблемы

межсоединений, хотя частотный диапазон транзисторов будет су­

щественно выше; плотность упаковки будет на уровне 1010 эл/см2 (элементов/см2), а для микропроцессоров - 2·108 эл/см2 • Такие

параметры ИС уже сейчас недостаточны для многих систем опе­

ративного распознавания образов, искусственного интеллекта,

для разработки устройств параллельной обработки информации

и т. д. Разработчики ИС активно ищут способы преодоления тех­

нологических и физических барьеров. Одно из направлений бази­ руется на разработке трехмерных ИС. На этом пути необходимо

преодолеть следующие трудности: решить проблему взаимных помех элементов, разработать методы проектирования схем со

сложной трехмерной топологией, обеспечить низкую цену, срав­

нимую с планарными ИС. Однако и в трехмерной электронике про­

блема межсоединений тоже не может быть решена полностью,

а порой даже усложняется.

Любая микросхема - это совокупность очень большого чис­

ла искусственно созданных за счет технологических процессов

локализованных статических неоднородностей в кристалле по­ лупроводника (области эмиттера, коллектора, базы транзисто­ ра, резистор, изолирующие области и т. д.), которые соединяют между собой в соответствии со схемотехническими решениями, позволяющими обрабатывать, хранить и генерировать инфор­

мацию. В семидесятых годах прошлого столетия возникла идея

му взаимодействующих квантовых ям. Свойствами одномерной сверхрешетки, состоящей из квантовых. ям Шириной а, разде­

ленных потенциальным барьером шириной Ь и высотой И, мож­

но управлять варьированием параметров ямы и периода сверх­

решетки А= а+ Ь. Поведение электрона в такой сверхрешетке подобно перемещению его в одномерном кристалле с периодом

Полупроводники наиболее подходят для наблюдения кванто­

воразмерных эффектов, поскольку длины дебройлевских волн

для электронов невырожденного полупроводника при комнат­

ной температуре имеют порядок в десятки нанометров, что до­ статочно для наблюдения интерференционных. эффектов. Кроме

того, технология полупроводников~х материалов и структур по­

зволяет выращивать структуры с точностью до одного молеку­

лярного слоя, повторяя наращивание много раз. Указанные

свойс~ва полупроводников и структур на их основе делают их ос­ новными объектами для использования в наноэлектронике.

В качестве примера структур, где формируются квантовые

ямы и барьеры, через которые перемещается двумерный элек­ тронный газ, могут выступать пленочные структуры, МДП-струк­ туры и гетероструктуры. В МДП-структуре потенциальный барь­ ер формируется с одной стороны границей диэлектрика, где обра­

зуется контактная разность потенциалов с полупроводником, с

другой стороны роль второй граничной стенки выполняет элек­

тростатический потенциал на границе инверсного и обедненного слоев полупроводника (см. п. 6.2). Изменением напряжения на за­

творе можно регулировать параметры потенциальной ямы, т. е.

уровни энергии размерного квантования.

Потенциальная яма формируется на границе гетероперехода (см. п. 2. 7) за счет разрывов зоны проводимости для электронов и валентной зоны для дырок. Реализовать квантовую яму, близ­ кую к прямоугольной, наиболее просто с помощью двойной ге­

тероструктуры (см. п. 21.2). Тонкий; слой узкозонного полупровод­

ника, располагаемого между двумя широкозонными, представля­

ет собой прямоугольную квантовую яму, в которой движение

носителей в плоскости (например, ХУ) происходит без ограниче­

ний, а в направлении Z, перпендикулярном гетерограницам, это

движение ограничено, вследствие чего и возникает дискретный

энергетический спектр.

В структурах, где движение электрона ограничено по двум

координатам (квантовые нити), формируются двумерные по-·

тенциальные .ямы, что приводит к соответствующему квантова­

нию энергии электрона.

При ограничении движения электрона по трем направлени­ ям (координатам) свободное движение электрона невозможно и структура называете.я, как отмечалось выше, квантовой точкой с размерностью О. Электроны заперты в трехмерной потенциаль­ ной .яме и в соответствии с этим условием происходит квантова­ ние их энергии. Дискретный спектр разрешенных значений

энергии такой квантоворазмерной структуры подобен спектру

атомов и молекул, т. е. квантовые точки представляют собой ис­

кусственные атомы, в которых, в отличие от естественных, мож­

но изменять и формировать энергетический спектр с помощью изменения параметров трехмерной потенциальной .ямы. :Кванто­

вые точки можно сформировать за счет самоорганизации при

эпитаксиальном выр~щивании структур с различными парамет­

рами решетки. При монослойном эпитаксиальном наращивании арсенида индия (lnAs) из твердого раствора (ln1 _xGaxAs) при оп­ ределенных технологических условиях возможно образование

как отдельных неупорядоченных квантовых точек, так и их оп­

ределенное упор.ядочиван:Ие. Поперечные размеры таких кванто­

вых точек составляют единицы и десятки нанометров. Граница между указанными материалами должна быть резкой и высокого

качества, чтобы происходили интерференционные эффекты, оп­

ределяющие квантование энергетических уровней.

Таким образом, в квантовых .ямах происходит ограничение

движения электроноn по одной координате за счет формирования

по этому направлению потенциального барьера; в квантовых ни­

тях потенциальные барьеры существуют по двум координатам,

поэтому свобода движения остается только по одной :координате

и, наконец, в квантовых точках наличие трехмерных потенциаль­

ных барьеров ограничивает движение электронов по всем трем координатам. Движение электронов в области потенциальных

барьеров (и .ям), сопоставимых по размерам с длиной волны де

Бройля, приводит к квантованию энергии электронов, т. е. кван­

товоразмерные структуры формируют уровни, минизоны и подзо­

ны размерного квантования, что в конечном счете используете.я

для увеличения быстродействия наноэлектронных приборов. Рас­

смотренные квантоворазмерные структуры в наноэлектронных

приборах создаются различными методами, некоторые из кото­ рых будут рассмотрены на примере конкретных устройств.