292 |
Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ |
шенные П3С, к которым относятся П3С со скрытым каналом переноса зарядовых пакетов (рис. 10.6), двухтактным управле нием, на МНОП-структурах и структурах с плавающим затво ром. Эти приборы имеют более простую технологию изготовле
ния, меньшее расстояние между затворами, в них устранено пе
ресечение линий металлизации для соединения затворов и т. д.
Время хранения записанной информации в этих структурах до ходит до нескольких десятков тысяч часов. Важным достоинст вом П3С с объемным (скрытым) каналом является низкий уро вень шумов за счет устранения взаимодействия зарядовых па
кетов с поверхностными состояниями.
Помимо этого, в объемных П3С больше подвижность элект
ронов, что увеличивает эффективность переноса и. тактовую
частоту прибора. В этом приборе движение зарядовых пакетов ограничено в пределах объемного (скрытого) канала, располо
женного под границей с окислом (см. рис. 10.6) и формируемого
внутри тонкого (толщина около 4 мкм) приповерхностного слоя
п-типа, расположенного на кремниевой подложке р-типа. Кон
центрация доноров в п-слое Nд::::: 2 • 1015 см-3 , в то время как в
подложке концентрация акцепторов Na::::: 2 • 1014 см-3 • Входная
и выходная п+-области размещаются на границах п-слоя. Если по
дложка и затворы (металлические электроды) заземлены, вход
ная цепь разомкнута, а к выходной области подключен источник
питания (например, +20 В), смещающийр-п-переход на границе
с подложкой в обратном направлении, то под затворами образуют ся не только приповерхностные обедненные области, но и обеднен ная область р-п-перехода. Обе обедненные области при относи тельно больших напряжениях на п-слое перекрываются (смыка ются) в вертикальном направлении. Распределение потенциала,
Металлические электроды
п
Рис. 10.6
Глава 10. Наноэлектроника и функциональная электроника |
293 |
соответствующее минимуму энергии электронов, имеет макси
мум на некотором расстоянии от поверхности (~ 3 мкм) внутри п-слоя. Сигнальные электроны, введенные в обедненную область,
будут смещаться полем в область минимума потенциальной энер
гии на глубину~ 3 мкм, т. е. аналогично ПЗС с поверхностным зарядом в этой потенциальной яме будет накапливаться заряд. Глубину потенциальной ямы можно менять напряжением на за
творе, а перемещать заряды - за счет изменения напряжения на
затворах, так же как в ПЗС с поверхностным каналом. Недостат ком ПЗС со скрытым каналом является значительно меньшая ве личина максимального зарядового nакета, что обусловлено уве
личением расстояния от затвора до места накопления заряда.
10.4. Элементы акустоэлектроники
Акустоэлектрические микросхемы используют электрические и высокочастотные акустические сигналы. Они изготавливают
ся технологическими методами микроэлектроники, но не со
держат традиционных элементов ИС: транзисторов, диодов, ре зисторов и т. д. Использование в акустоэлектронных приборах электрических и акустических сигналов требует применения в этих приборах преобразователей электрических сигналов в акус
тические и акустических в электрические, а также наличия
акустических трактов (звукопроводов). Для преобразования од ного вида сигналов в другой применяют прямой и обратный пье
зоэлектрические эффекты. Акустический сигнал представляет собой волну упругих механических возмущений, распростра
няющихся в твердом теле со скоростью звука порядка 105 м/с.
Для преобразования и обработки сигналов наиболее важным яв
ляется использование в акустоэлектронных приборах поверхно стных акустических волн (ПАВ), распространяющихся в по
верхностном слое пьезокристалла.
Толщина слоя, в котором распространяется (существует) ПАВ,
имеет значение порядка длины акустической волны лак = vaкff,
где vак и f - соответственно скорость распространения и частота
акустической волны. Для основных материалов, применяемых в акустоэлектрических приборах, таких, как Si02 (пьезокварц),
LiNЬ03 (ниобат лития), Bi12Ge020 (германат висмута), пьезополу проводники (GaAs и InSb), скорость акустической волны лежит
в пределах (1,6 .. .4)105 см/с. При частоте f = 107 ••• 1010 Гц длина акустической волны составляет лак= 100... 0,1 мкм.
294 Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМ.Ы
Наибольшее распространение в радиоэлектронике и других областях техники получили: из пассивных акустоэлектронных
приборов - линии задержки и полосовые фильтры, а из актив ных - устройства, в которых используется также и усиление
сигналов.
В линиях задержки акустоэлектронный прибор применяется как замедляющая система (см. п. 13.3), в которой происходит
сильное уменьшение скорости распространения сигнала за счет
его преобразования из электромагнитного (электрического) в
акустический. Поскольку скорость акустической волны, в част
ности ПАВ, примерно на пять порядков меньше, чем у электро
магнитной волны, это позволяет создавать малогабаритн~е ин
тегральные линии задержки (Л3) электромагнитных сигналов. Конструктивно Л3 состоит из входного преобразователя, зву копровода и выходного преобразователя. Наибольшее распрост ранение нашли встречно-штыревые преобразователи, устройст во которых иллюстрирует рис. 10. 7, где 1 и 2 - штыри, объеди
ненные соответственно шинами 3 и 4; 5 - поглощающее покрытие, 6 - направление распространения ПАВ. Расстояние
между соседними штырями, отходящими от одной шины, назы-
|
|
|
1 |
|
3 |
иBX(t) |
|
|
|
|
А |
у |
|
|
|
~ |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
а) |
|
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
б)
Рис. 10.7
296 |
Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ |
Простейшие акустоэлекrрнческне полосовые фильтры содержат входной многоэлектродный преобразователь и выходной преоб
разователь с малым числом электродов, полоса пропускания ко
торого значительно шире, чем входного. Амплитудно-частот ная характеристика (АЧХ) такого фильтра определяется вход ным преобразователем. Форма АЧХ искажается из-за конечной длины входного преобразователя, пространственной расходи мости ПАВ при ее распространении к выходному преобразова телю, отражений и других факторов. Для получения оптималь ной АЧХ применяют фильтры со значительно более сложной структурой. В фильтрах, использующих избирательные свойст
ва преобразователей, не удается получить малую полосу про пускания. Узкополосные фильтры выполняются на основе резо наторов ПАВ. Резонаторы используют отрезки звукопровс:щов с
отражателями с двух противоположных сторон. По длине резо
натора должно укладываться целое число акустических полу
волн. В такой резонатор помещают широкополосный преобразо
ватель. В активных акустоэлектронных приборах, в частности
усилителях, осуществляется взаимодействие свободных электро нов пьезополупроводника (GaAs, InSb) с ультразвуковыми вол
нами с частотой 107 ••• 1013 Гц. Если под действием переменно
го электрического поля возбуждается акустическая волна, а
постоянное электрическое поле создает дрейф электронов в
направлении распространения волны, то при скорости элек
тронов, большей скорости волны, возможно усиление, а при
скорости электронов, меньшей скорости волны, происходит ос
лабление. Аналогичный механизм реализуется в электроваку
умных приборах СВЧ с динамическим управлением (см. гл. 13). Подвижность электронов в GaAs и InSb много больше, чем в Ge и Si и других полупроводниках, поэтому в них проще реализо
вать указанный механизм.
10.5. Элементы СБИС
на цилиндрических магнитных доменах
Магнитные свойства тонких эпитаксиальных пленок на основе
гранатов, имеющих химическую формулу R 3Fe50 12 , где R - ред- коземельный элемент (У, Cd и др.), используются для запоми нания и обработки информации. В качестве носителей инфор
мации в таких пленках выступают цилиндрические магнитные
Глава 10. Наноэлектроника и функциональная электроника |
297 |
домены (ЦМД). Информационная ем кость СБИС определяете.я диаметром ЦМД, который имеет размеры поряд
ка микрона. Магнитные СБИС приме
няются как различного рода запоми
нающие устройства (ЗУ). При малой
толщине пленки магнитные домены
занимают все поперечное сечение
пленки, а их векторы намагничен
ности перпендикулярны ее поверхно
сти (рис. 10.8, а). В исходном состоя
нии домены имеют форму полос, при
этом соседние полосы (заштрихован
ные и белые на рис. 10.8, а) имеют
~
1 а)
~~Л
_t t t сУ
б)
Рис. 10.8
противоположные направления вектора намагниченности (по
казаны стрелками), так что результирующая намагниченность
пленки равна нулю. При приложении перпендикулярного по
верхности внешнего магнитного пол.я напряженностью Н
(рис. 10.8, б) домены, у которых вектор их намагниченности
совпадает с направлением внешнего пол.я, расширяются, а до
мены с противоположным направлением вектора намагничен
ности сужаются. При напряженности внешнего магнитного по
л.я больше некоторой величины Нмин полосовые домены превра- щаются в цилиндрические (см. рис. 10.8, б), диаметр которых уменьшаете.я с ростом Н и при некотором Н > Нмакс ЦМД резко
исчезают (коллаuсируют), т. е. такие домены существуют при
нмин < н < нмакс•
Таким образом, дл.я существования ЦМД необходимо иметь
определенное поле смещения, нужная напряженность которого
создаете.я с помощью постоянного магнита и имеет значения
2000... 3000 А/м.
Помимо зависимости от Н, на диаметр ЦМД (d, см. рис. 10.9) сильно влияют материал и толщина пленки (h, см. рис. 10.8, б),
обеспечивающая минимальный диаметр dмин "" h "" 0,3 мкм.
Между соседними доменами существуют магнитостатические силы отталкивания. В неоднородном магнитном поле ЦМД дви жете.я в сторону убывания Н. Однако скорость такого движения
невысока (~ 103 см/с), что .являете.я одной из причин низкого
быстродействия. При использовании ЦМД в элементах памяти необходима фиксация положения домена, что будет соответст-
298 |
Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ |
Рис. 10.9
вовать хранению лог. 1, а отсутствие домена - хранению лог. О. Фиксация ЦМД осуществляется с помощью магнитостатиче ских ловушек, представляющих собой области с низким значе нием потенциальной энергии ЦМД (потенциальные ямы). Наи более часто используются ловушки, создаваемые тонкими (де сятые доли мкм) ферромагнитными пленками из пермаллоя
(80% Ni, 20% Fe), наносимыми на поверхность, на которой формируется ЦМД. Пермаллоевая пленка ослабляет внешнее
магнитн_ое поле и «Замыкает» магнитный поток, что притягива
ет к ней ЦМД. Возможно получение ловушек с помощью прово
дящей петли с током, создающим магнитное поле с направлени
ем, противоположным вектору поля смещения.
Систему пермаллоевых ловушек, расположенных на рас
стоянии меньше диаметра домена, можно использовать в каче
стве регистра и перемещать ЦМД по определенному адресу. Для
этого применяют управляющее магнитное поле, вектор напря
женности которого направлен параллельно поверхности и вра
щается в плоскости пермаллоевых ловушек (аппликаций). Вра
щающееся поле можно создать с помощью двух взаимно пер
пендикулярных катушек, в которых токи сдвинуты по фазе на
90°. Рассмотрим процесс перемещения ЦМД на примере эле
мента регистра из двух шевроновых пермаллоевых апплика
ций. На рис. 10.9 показано положение ЦМД (заштрихованный
Глава 10. Наноэлектроника и функциональная электроника |
299 |
кружок) в различные фазы вращающегося управляющего маг
нитного поля. Каждый ряд соответствует фазовому сдвигу Нупр =
= Н11 на четверть периода вращения. Под влиянием Нупр в пер маллоевых пленках образуются магнитные полюса, которые со здают дополнительное магнитное поле с составляющей, направ ленной по или против вектора смещения (Нем). В нулевой фазе
(t = t 0 =О) ЦМД располагается в верхней части шеврона, где ре
зультирующее поле смещения минимально и где в этот момент
формируется (располагается) северный полюс, который притя
гивает ЦМД. Через четверть периода (t = Т/4) северный полюс и
соответственно ЦМД перемещаются к правой стороне шеврона и т. д. В результате через период (t = Т) ЦМД займет верхнее по
ложение в соседней ловушке (последний ряд на рис. 10.9). Таким образом, время сдвига на один разряд регистра равно периоду вращающегося поля. Типичная частота вращения магнитного
поля составляет величину порядка 100 кГц при напряженнос
ти - 2000.. .4000 А/м. Частота ограничена индуктивностью ка тушек и мощностью потерь. Скорость перемещения доменов до
стигает сотен метров в секунду, плотность записи информации
может быть 104 ••• 105 бит/мм, а скорость записи 105 ••• 106 бит/с.
Для считывания информации применяют петли, изготовлен ные из полупроводника, обладающего магниторезистивным эф фектом. Эти петли наносят на основную пленку, и при пропус кании через них тока магнитное поле в петле будет изменяться
в момент прохождения под ней ЦМД. Это вызовет изменение со
противления петли и соответственно тока в ней, что соответст
вует лог. 1.
Повышение информационной емкости устройств на ЦМД ограничивается магнитостатическим взаимодействием между
ЦМД, которое требует необходимого минимального расстоя ния между ними. Для нормальной работы расстояние между ЦМД в соседних элементах памяти должно быть не менее 4d, где d - диаметр ЦМД. В результате площадь элемента памяти
получается большой, а информационная емкость устройства
оказывается недостаточной для современньiх СБИС. Этот недо
статок в значительной мере устранен при кодировании инфор
мации с помощью более мелких объектов, так называемых пар
вертикальных блоховских линий (ВБЛ), заключенных в доменной
300 |
Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ |
|
---01--------- |
1! Контрольные вопросы11---- |
'------- |
1.Каковы возможности и перспективы нано- и функциональ
ной электроники?
2.Объяснить, что такое квантовые ямы, квантовые нити и
квантовые точки.
3. В каких наноэлектронных приборах· используются кванто
вые ямы, квантовые нити и квантовые точки?
4. Резонансное туннелирование и его использование в нано электронных приборах.
5. Каковы особенности наноэлектронных приборов?
6. Приборы с зарядовой связью: основные принципы форми-
рования, хранения и переноса зарядовых пакетов.
Параметры и характеристики П3С. Разновидности П3С.
Основные элементы акустоэлектроники и их характеристи ки, достоинства, области применения, принципы работы.
10. Элементы СБИС на цилиндрических магнитных доменах.
РАЗДЕЛ 3
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
СЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ
ИДИНАМИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
Глава 11
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
11.1. Общие сведения
Электровакуумным прибором называется устройство, в котором
рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой обо
лочкой (баллоном), имеет высокую степень разрежения или за полнено специальной средой (парами или газами) и действие
которого основано на электрических явлениях, связанных с
движением заряженных частиц в вакууме или газе. В соответ ствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы
подразделяются на электронные и ионные (газоразрядные).
В электронном электровакуумном приборе (ЭВП) электрический
ток обусловлен движением только свободных электронов в ва-
кууме. Семейство электронных вакуумных приборов весьма об
ширно и объединяет такие группы приборов, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлект
ронные приборы и др.
Принцип действия ионного электровакуумного прибора основан
на использовании свойств электрического разряда в газе или парах металлов. Эти приборы называют также газоразрядными (ГРП). К ним относятся газоразрядные приборы дугового, тлею
щего, высокочастотного разрядов и др.
