- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Введение
- •Концептуальная диаграмма
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 1структура и свойства твердых тел
- •Равновесное расположение частиц в кристалле
- •Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ
- •Решетки Бравэ
- •Нормальные колебания решетки. Фононы
- •Структура реальных кристаллов
- •Структурозависимые свойства
- •Жидкие кристаллы
- •1.7. Аморфное состояние
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 2физические основы квантовой механики
- •2.1. Волновые свойства микрочастиц
- •2.2. Уравнение Шредингера. Волновая функция
- •2.3. Свободный электрон. Фазовая и групповая скорости
- •2.4. Электрон в потенциальной яме
- •2.5. Туннелирование микрочастиц сквозь потенциальный барьер
- •Коэффициент прозрачности барьера
- •2.6. Квантовый гармонический осциллятор
- •2.7. Водородоподобный атом. Постулат Паули
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3элементы статистической физики
- •3.1. Термодинамическое и статистическое описание коллектива. Функция распределения
- •3.2. Фермионы и бозоны. Вырожденные и невырожденные коллективы
- •Возможные варианты состояний
- •3.3. Функция распределения Максвелла-Больцмана Химический потенциал
- •3.4. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия Ферми
- •3.5. Функция распределения Бозе-Эйнштейна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4элементы зонной теории твердых тел
- •4.1. Обобществление электронов в кристалле
- •4.2. Модель Кронига-Пенни
- •4.3. Зоны Бриллюэна
- •4.4. Эффективная масса электрона
- •4.5. Зонная структура изоляторов, полупроводников и проводников. Дырки
- •4.6. Примесные уровни
- •Донорные примеси
- •Акцепторные примеси
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5электропроводность твердых тел
- •5.1. Проводимость и подвижность носителей
- •5.2. Механизмы рассеяния и подвижность носителей
- •5.3. Концентрация носителей и уровень Ферми в полупроводниках
- •5.4. Электропроводность полупроводников
- •5.5. Электропроводность металлов и сплавов
- •5.6. Сверхпроводимость
- •Температура сверхпроводящего перехода
- •5.7. Основы теории Бардина – Купера – Шриффера
- •5.8. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6 равновесные и неравновесные носители заряда
- •6.1. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей. Время жизни
- •6.2. Уравнения непрерывности
- •6.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках
- •3 − Экситонное поглощение; 4 − решеточное поглощение;
- •5 − Поглощение свободными носителями
- •2 − Полупроводниковая пленка; 3 − контактные площадки; 4 − защитное покрытие
- •6.4. Полупроводники в сильном электрическом поле
- •6.5. Токовые неустойчивости в сильных электрических полях
- •6.6. Эффект Ганна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7 Контактные явления
- •7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл
- •7.2. Контакт металл – полупроводник
- •7.3. Электронно-дырочный переход
- •7.4. Выпрямляющее действие p-n-перехода. Пробой
- •7.5. Гетеропереходы
- •7.6. Эффект Зеебека
- •7.7. Эффект Пельтье
- •7.8. Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды
- •7.9. Излучательные процессы в p-n – переходе. Светодиоды
- •Инжекционные полупроводниковые лазеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8поверхностные явления в полупроводниках
- •8.1. Поверхностные энергетические состояния
- •8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое
- •8.3. Поверхностная проводимость
- •8.4. Эффект поля. Полевые транзисторы
- •8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 9 Электронные процессы в тонких пленках и тонкопленочных структурах
- •9.1. Структура и свойства тонких пленок
- •Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
- •9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-д-m – структура
- •Глубина обогащенного слоя [20]
- •Глубина области обеднения
- •9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
- •9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
- •9.5. Токи, ограниченные пространственным зарядом
- •9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
- •9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
- •1. Диоды с резонансным туннелированием
- •2. Диэлектрические диоды
- •3. Тонкопленочный триод на основе топз
- •4. Транзисторы на горячих электронах
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10 перспективы развития микроэлектроники
- •10.1. Ограничения интегральной электроники
- •10.2. Функциональная электроника
- •10.3. Системы пониженной размерности. Наноэлектроника
- •10.4. Квантовые одно- и двумерные структуры
- •10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника
- •3 А) б) игла островок изолятор затвор исток
- •Контрольные вопросы и задания
- •Заключение
- •Приложения п.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы си Основные единицы
- •Некоторые производные механические единицы
- •Некоторые производные единицы электрических величин
- •Некоторые производные единицы магнитных величин
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •Алфавитно-Предметный указатель
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
10.2. Функциональная электроника
Итак, существующие физические и технологические ограничения интегральной электроники вызваны схемо- и системотехническим подходом к реализации заданных функций. Функциональная электроника использует иной подход к достижению поставленных целей.
Основу функциональной электроники составляют принципы физическогомоделирования, реализуемого на базе твердого тела. Физические процессы и явления, происходящие в твердом теле, моделируют функции передачи и преобразования информации. Если интегральная электроника используетстатические неоднородности(потенциальные барьеры), то функциональная электроника основана на физических принципах интеграциидинамических неоднородностей.
Статические неоднородности играют в функциональной электронике вспомогательную роль, например, при вводе и выводе информации или в управляющих элементах.
Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от его окружения свойствами. Среда, где генерируются и существуют динамические неоднородности, должна обладать вполне определенными для данных неоднородностей свойствами. Такая среда называется континуальной(от лат. – непрерывный).
Динамическая неоднородность может быть локализована или перемещаться по рабочему объему континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями. В процессе перемещения неоднородностей происходят перенос и обработка информации.
Известно большое количество динамических неоднородностей различной природы и континуальных сред, где эти неоднородности могут существовать. Это электрические домены и домены Ганна в полупроводниках, цилиндрические и полосовые домены в ферромагнетиках, поверхностные акустические волны в диэлектриках, вихри Абрикосова в сверхпроводниках и т.д.
Таким образом, функциональная электроника представляет собой направление электроники, где изучаются возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средахв совокупности с физическими полями, а такжесоздаютсяприборыиустройствана основе этих процессов для обработки, генерации и хранения информации.
В зависимости от характера используемых физических эффектов и явлений, типа неоднородностей и континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений в функциональной электронике различают направления: оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнитоэлектроника и т.д. (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Схема развития функциональной электроники [2]
В качестве иллюстрации рассмотрим краткие характеристики некоторых направлений функциональной электроники с указанием их основных достоинств и недостатков.
1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКА представляет собой направление функциональной электроники, изучающее явления взаимодействия динамических неоднородностей оптической природы с электромагнитными полями в континуальной среде, в том числе и активной, а также возможность создания приборов и устройств (ОЭУ) для обработки и хранения информации. Базовые эффекты и явления: фоторезистивный и фотовольтаический эффекты, электрооптические явления, интерференция, эффект Фарадея, Керра, голография.
Динамическиенеоднородности: электромагнитные волны в диапазоне 0,2-20 мкм, волновые фронты, волновые пакеты и др.
Континуальныесреды –пассивные и активные оптические среды.
ОсновныеОЭУ: ЗУ, ассоциативные голографические ЗУ, оптроны, логические устройства, устройства отображения информации, Фурье-процессоры и т.д.
ДостоинстваОЭУ: высокочастотность (высокая пропускная способность), острая фокусировка когерентного излучения (плотность записи информации до 109бит/см2), пространственная модуляция (возможность обработки параллельных потоков информации).
НедостаткиОЭУ: временная деградация, гибридность, низкая технологичность.
Выше мы уже рассматривали некоторые элементы ОЭУ: светодиоды, инжекционные полупроводниковые лазеры, фоторезисторы, фотодиоды (пп. 6.3, 7.8 – 7.10).
2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА является направлением функциональной электроники, где исследуются акустоэлектронные эффекты и явления в различных континуальных средах, а также возможность создания акустоэлектронных устройств (АЭУ) для обработки, передачи и хранения информации с использованием динамических неоднородностей акустической и (или) электромагнитной природы.
Базовыеэффектыиявления: прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, акустоэлектронный эффект, акустопроводимость, усиление звука, акустооптическое взаимодействие.
Динамическиенеоднородности: акустические, акустоэлектрические волны (поверхностные или объемные).
Континуальныесреды: диэлектрики, пьезоэлектрики, пьезополупроводники.
ОсновныеАЭУ: линии задержки, устройства частотной селекции (фильтры, резонаторы), генераторы, усилители, конвольверы, ЗУ.
ДостоинстваАЭУ: малая скорость волны (большие времена задержки), хорошие массогабаритные характеристики, простота реализации сложных функций, планарная технология.
НедостаткиАЭУ: малый коэффициент преобразования, большие транспортные потери.
3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА представляет собой направление в функциональной электронике, где изучаются магнитоэлектронные эффекты и явления в магнитоупорядоченных континуальных средах, а также возможность создания приборов и устройств хранения и обработки информации с использованием динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы.
Базовые эффекты и явления: эффект Холла, магниторезистивный эффект, намагничивание ферромагнетиков, образование и взаимодействие магнитных доменов, воздействие внешнего магнитного поля на размеры и поведение доменов.
Динамическиенеоднородности: цилиндрические магнитные домены, границы доменов, точки Блоха, магнитные вихри Абрикосова, магноны.
Континуальныесреды: ферромагнитные тонкие пленки феррит-гранатов и феррит-шпинелей, сверхпроводники первого и второго рода.
ОсновныеМЭУ: ЗУ, линии задержки, процессоры сигналов, логические элементы.
ДостоинстваМЭУ: простота реализации сложных функций, планарная технология, энергонезависимость, большой объем и быстродействие ЗУ.
НедостаткиМЭУ: большие габариты и масса.
Подобным образом можно оценить и другие направления функциональной электроники [16, 23].
Приведем оценку и сравнение некоторых параметров интегральных устройств. В функциональной электронике не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами неоднородностей. В устройствах функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан весь целиком, а не последовательно в виде отдельных битов информации, как в устройствах интегральной электроники. Возможно создание устройства, позволяющего проводить обработку информации в цифровом и аналоговом виде одновременно. Все это позволяет достичь производительностиболее 1015операций/с, что на несколько порядков выше предельной производительности ИС.
Уникальным свойством приборов функциональной электроники является способность использовать в процессах обработки информации элементарные функциивысшегопорядкатакие, как Фурье-преобразование, операция свертки, операция корреляции и др. Важно, что обработка и хранение информации осуществляются одновременно в активной среде прибора. Поэтому такое изделие функциональной электроники рассматривается как процессор, выполняющий функции высшего порядка.
Обработка информации в процессорах этого типа происходит в аналоговомвиде, без перевода сигнала в цифровой код и обратно, преобразование осуществляетсямоментальнов одном функциональном устройстве. Аналогичные преобразования на цифровых интегральных устройствах выполняются за достаточно большое время, это сложные и энергопотребляющие устройства.
Названные и другие особенности выгодно отличают устройства функциональной электроники, которая, однако, развивается не в качестве альтернативы, исключения интегральной электроники, а параллельно; они взаимно дополняют друг друга. Более того, созданы устройства, содержащие настолько весомую долю статических неоднородностей, что целесообразно называть их функционально-интегрированными. К таким устройствам, в частности, относятся ПЗС-устройства, где используются МДП-структуры, типичные элементы микроэлектроники.
Резюмируя сказанное, можно предположить, что будущее электроники за такими устройствами, которые соединяют достоинства обеих ее направлений – функционального и интегрального, за устройствами функциональноймикроэлектроники(см. например, [16, 23]).