Введение

Электроника – область науки, техники и производства, которая связана с исследованием, разработкой и изготовлением электронных приборов и устройств. Трудно представить себе успехи в радиовещании, телевидении и связи, вычислительной технике и автоматике, освоении космоса и морских глубин без электроники. Электроника значительно расширила возможности обмена информацией между людьми, резко увеличились скорость и объемы передачи информации на огромные расстояния.

Современный научно-технический прогресс в значительной степени определяется уровнем развития электроники.

Началом становления электроники можно считать открытие в 1883г. Томасом Эдисоном эффекта, названного впоследствии его именем. Эффект заключается в том, что после введения в вакуумную лампу накаливания металлического электрода и приложения к нему положительного потенциала, между электродом и нитью накаливания протекает электрический ток. Это явление легло в основу устройства всех электронныхламп и различных электровакуумных приборов.

Началом следующего этапа развития электроники можно считать изобретение в 1948 г. Шокли, Бардиным, и Браттейном полупроводниковоготранзистора – прибора, способного выполнять все функции электронной лампы. Малые габариты, высокая надежность и большой срок службы транзистора позволили на его базе создавать сложные электронные системы, в частности электронно-вычислительных машин, бортовые авиационные и космические компасы. Усложнение электронной аппаратуры, связанное с реализацией сложных функций обработки информации и резервированием цепей, привело к существенному увеличению числа электрорадиоэлементов и особенно числа межсоединений. Это обстоятельство привело к снижению надежности аппаратуры, а сама аппаратура становилась дорогостоящей и громоздкой.

Начало следующего этапа развития электроники связано с созданием в 1959 г. Килби и Нойсом интегральных микросхем. Началось бурное развитие важнейшего направления современной твердотельной электроники – интегральной электроники илимикроэлектроники. Микроэлектроника – раздел электроники, связанный с исследованием, разработкой и производством интегральных микросхем. Микроэлектроника основана на использовании современных конструкторских и схемотехнических методов проектирования и изготовления сложных, надежных электронных систем с высокой степенью миниатюризации за счет исключения дискретных навесных электронных элементов: конденсаторов, резисторов, диодов и т.д.

За годы, прошедшие после создания первых ИМС, размер транзистора уменьшался с 1 мм до 0,5 мкм, т. е. в 2000 раз, число транзисторов в ИМС близко к 10⁹. ФирмаIBMопубликовала примерные характеристики КМОП транзистора 2000 г.:

длина затвора 0,25 мкм;

толщина окисла 60 А°

напряжение питания 1,2 В

производительность 10¹⁵элемент Гц∙см^-2

время переключения 10 пс.

Возникают вопросы:

Каковы принципы дальнейшей миниатюризации? Какие физические и технологические факторы ограничивают этот процесс?

Основными ограничивающими факторами в развитии традиционной микроэлектроникипринято считать следующие проблемы.

1. Проблема межсоединений.По мере роста числа элементов в кристалле все более острой становится задача организации соединения элементов в электрическую цепь. Они организуются по поверхности кристалла, и занимают большую часть её площади. Приходится наращивать число уровней, что, в свою очередь, связано с рядом проблем. Но, даже в случае 12 уровней межсоединений в ИМС с 10⁴транзисторов, на долю межсоединений приходится половина площади кристалла.

2. Проблема пробоя. По мере уменьшения размеров элементов ИМС в них увеличиваются электрические поля. Возникает большая вероятность электрического пробоя изолирующих участков. Возможны также эффекты, сопровождающие сильные поля в полупроводниках, изменяющие концентрацию и подвижность носителей.

3. Проблема теплоотвода. С уменьшением размеров элементов ИМС уменьшаются их теплоотводящие поверхности и общий теплоотвод становится недостаточным. Корпуса с воздушным охлаждением позволяют рассеивать без специального теплоотвода не более 1 Вт/см^-2поверхности.

4. Проблема конструкции. Увеличение числа элементов в электрической схеме требует специального многослойного монтажа, который уменьшает надежность структур.

Необходимо также отметить, что даже частичное решение перечисленных проблем сопровождается усложнением и удорожанием технологии и производства ИМС.

Таким образом, из вышесказанного следует, что уже сейчас мы подходим к такому уровню интеграции, превышение которого наталкивается на ряд физических и технологических ограничений. Этих трудностей и ограничений позволяет избежать другое направление твердотельной электроники – функциональная электроника.

Функциональная электроника отличается от традиционной тем, что ее устройства выполняют определенные функции, однако не содержат транзисторов, резисторов и т. д. Выполнение функции обусловлено использованием физических или физико-химических эффектов и явлений – операций наддинамическими неоднородностями. Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от ее окружения свойствами. Она генерируется, локализуется или перемещается по рабочему объему в результате определенных физико-химических процессов, при взаимодействиях с физическими полями или другими динамическими неоднородностями. В процессе перемещения неоднородности может происходить перенос или обработка информации. Динамические неоднородности могут перемещаться по объему тела, возникать и исчезать, взаимодействовать друг с другом, изменять свои характеристики в зависимости от функциональных задач.

Кинетика динамических неоднородностей не вызывает дефектообразования в кристалле, поэтому устройства функциональной электроники более надежны, чем устройства интегральной электроники. Помимо этого мир физических явлений и эффектов в твердом теле так богат и многообразен, что практически любая функция передачи информации может быть реализована методами функциональной электроники [1].

Таким образом, функциональную электроникуможно определить как направление электроники, основанное на базе физики твердого тела и принципах физического моделирования для осуществления приема, хранения передачи и обращения информации, при которых принцип физического моделирования реализуется с помощью физической интеграции динамических неоднородностей [2].

Использование методов функциональной электроники позволяет также существенно снизить сложность, массогабаритные показатели и стоимость за счет отказа от методов реализации функции с помощью традиционных транзисторов, диодов и т. д.

В качестве динамических неоднородностей используются зарядовые пакеты, магнитные домены магнитного потока, вихри Абрикосова и т.д.

Криоэлектроника– направление функциональной электроники, использующее эффекты и явления сверхпроводимости. В первую очередь, это эффекты переключения (S–N), эффекты Джозефсона, квантования магнитного потока и использование вихрей Абрикосова.

Применение низких температур в электронике началось в середине 60-х гг. Обращение к низким температурам было связано со стремлением к снижению уровня собственных шумов входных цепей радиоэлектронных устройств, предназначенных для приема любых сигналов. В конце 60-х гг. охлажденные до температуры жидкого азота (77 К) усилители стали широко применяться в системах спутниковой связи, в частности, в системе «Орбита». Несмотря на достигнутые хорошие результаты, это направление, строго говоря, нельзя отнести к криоэлектронике как области функциональной электроники. В этом случае используются традиционные схемы обработки сигналов, и только температура является низкой. Кроме того, получаемые в то время сверхпроводники работали при гораздо более низких, гелевых (≈4 К) температурах.

Первым элементом криоэлектроники, вероятно, следует считать проволочный криотрон, состоящий из сверхпроводниковой проволоки (вентиля) и сверхпроводниковой обмотки с более высокой температурой перехода. При включении тока в обмотке создается закритическое магнитное поле и вентиль из сверхпроводящего (R=0) переходит в несверхпроводящее состояние. Время переключения такого криотрона из ниобия было большим (10^-5с), что обусловлено значительной индуктивностью обмотки. Гораздо лучшие характеристики имели криотроны следующей модификации – пленочные, представляющие собой вентильную и управляющую тонкие перекрещивающиеся пленки. У таких криотронов время переключения составило 10^-7с.

Дальнейшее повышение характеристик криотрона стало возможным после открытия эффектов Джозефсона(1962 г.). Предсказанные теоретически, а позднее обнаруженные экспериментально (1963 г.), эффекты Джозефсона представляют собой замечательное проявление квантовой природы сверхпроводимости в макроскопических масштабах. Создание на основе этих эффектовД-криотронапозволило снизить время переключения до 10^-13– 10^-12с. Малый объем Д-криотрона (10^-15см³) и низкие энергетические потери (10^-7Вт) поставили новый прибор вне конкуренции.

В 1964 году был поставлен эксперимент на двух Д-переходах, включенных параллельно, показавший наличие интерференции сверхпроводящих токов и влияние на нее магнитного поля. Так появился сверхпроводящий квантовыйинтерференционный прибор – СКВИД– самый магниточувствительный (10^-9– 10^-8) прибор и базовый элемент СКВИД – электроники.

Другое направление криоэлектроники связано с вихрями Абрикосова– квантами магнитного потока. Существование таких квантов (флуксонов) в промежуточном состоянии сверхпроводников второго рода было обосновано в 1957 г. А.А. Абрикосовым. Вихри Абрикосова, способные передвигаться по сверхпроводнику, являются типичным примером динамической неоднородности – основы функциональной электроники, которую можно использовать для создания устройств обработки информации. Факт наличия или отсутствия магнитного вихря в данном месте представляет собой единицу информации – бит.

Все перечисленные работы были сделаны в гелиевом диапазоне температур, поскольку самый “высокотемпературный” сверхпроводник (Nb₃Ge) имел температуру перехода 25,2 К. Существовала парадоксальная ситуация: в криоэлектронике были созданы перспективные разработки, однако, они не могли пойти в массовое производство из-за сложности и высокой стоимости гелиевых криостатов. Так продолжалось до 1986 г., когда Беднорц и Мюллер обнаружили способности керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) переходить в СП состояние при 30 К. Открытие спровоцировало бум аналогичных исследований. В 1987 г. – Чу и др. синтезировали соединения Y123, имеющие температуру СП перехода 93 К, то есть уже выше точки кипения азота. Жидкий азот гораздо более дешев, доступен и прост в эксплуатации, чем жидкий гелий. Появились высокотемпературный сверхпроводник и возможность трансформировать криоэлектронику в область азотных температур, т.е. в высокотемпературную криоэлектронику. Позднее были получены новые ВТСП материалы : в январе 1988 г. Маеда и др. получили серию висмутсодержащих ВТСП материалов и Bi-2223 с температурой СП перехода 108 К, месяц спустя Шенн и Херман получили сверхпроводники Te-2223 с T_С=125 К, в 1993 г. Антипов Е.В. и Путилин С.Н. (МГУ) открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников, причем Hg-1223 имеет T_С=135 К.

Казалось бы, в имеющихся разработках нужно использовать новые материалы и направить криоэлектронные разработки в серийное промышленное производство. Однако на этом пути возникает ряд проблем, из которого можно выделить три основные группы:

1. Проблемы технологического плана.Технологии изготовления ВТСП материалов довольно просты, особенно керамические. Но, как оказалось, эти технологии дают материалы с низкими параметрами и чтобы получить качественные сверхпроводники, необходимы новые технологии. Кроме того, новые материалы являются керамикой с присущими ей особенностями (хрупкость, зернистость). Для получения проводов и проводящих лент необходимо разрабатывать новые технологии. Есть и другие задачи подобного плана.

2. Проблемы адаптации.Как выяснилось, новые материалы имеют иные параметры (глубина проникновения, длина когерентности и др.), вследствие чего простая замена материалов на ВТСП в разработках низкотемпературной криоэлектроники невозможна, необходима адаптация разработок под новые материалы, часто поиск совершенно новых решений. Так, ВТСП материалы имеют аномально малую длину когерентности, вследствие чего барьеры, которые преодолевает СП ток должны иметь меньшую толщину. С учетом этого факта должны разрабатываться туннельные структуры.

3. Проблемы преимущества.Аномальные значения параметров ВТСП материалов могут быть использованы в новых разработках. Например, малое значение упомянутой длины когерентности позволило разработать Джозефсоновский переход на границе разориентированных тонких пленок, простой в исполнении, но имеющий достаточно высокие параметры. Существуют и другие проблемы высокотемпературной криоэлектроники. Мы надеемся, что предлагаемое пособие поможет разобраться в них.