устройства функциональной электроники-1

Они наблюдаются в узком контакте (или тонком) между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем диэлектрика.

Стационарный эффект Джозефсона проявляется в том, что постоянный ток через такой переход Джозефсона течет при нулевой разности потенциалов между сверхпроводниками. Это подтверждается вольтамперной характеристикой (ВАХ), приведенной на рис. 4.7. Этой ВАХ можно управлять током, протекающим через шину управления, расположенной рядом с переходом Джозефсона.

Нестационарный эффект Джозефсона заключается в появлении высокочастотных колебаний при приложении к переходу постоянного напряжения. Частота колебаний

ν = 2qUh ,

где q – заряд электрона,

h – постоянная Планка.

Так как носителем заряда является пара электронов (Куперовская пара), то их общий заряд равен 2q . Так как энергия E = 2qU и, с другой

стороны, E = hν , то из равенства этих энергий и вытекает приведенная формула для частоты колебаний. Величина ν простирается от санти-

метровых волн до инфракрасных. Например, при U = 1мв ν = 4,85Ч1011 Гц.

Варианты Джозефсоновских переходов показана на рис. 4.8. В Джозефсоновских криотронах рядом с переходом располагаются обмотки управления.

Энергия переключения обычного криотрона достигает 10− 12 Дж, т.е. того же порядка, что и у полупроводниковых элементов памяти. Энергия переключения Джозефсоновского криотрона достигает 10− 20 Дж. Это самый

высокий показатель для элементов памяти.

На сверхпроводниках создают кабели связи, приемники миллиметрового диапазона, магнитометры (СКВИДЫ), антенны [28].

61

10 -3 -2 -1

5. УСТРОЙСТВА НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

62

МАГНИТНЫХ ДОМЕНАХ

5.1. Понятие о цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), условия их устойчивости

ЦМД создаются в монокристаллической однородной магнитной среде. Этой средой служат монокристаллы ферритов редкоземельных металлов и

элемента иттрия. Различают ферриты двух групп: ортоферриты - Me2O3 ЧFe2O3 ( Me - металлы), ферриты-граниты – ( MeO3 )( Fe2O3 )5. Обе группы ферритов

являются материалами со слабыми магнитными свойствами. Кристаллы имеют единственное направление легкого намагничивания и обладают сильной анизотропией. Обычно используют тонкий слой ферритов, вектор

намагниченности Js которых направлен перпендикулярно слою. Эти слои

чаще всего получаются технологией эпитаксиального выращивания на магнитной диэлектрической подложке, имеющей аналогичную структуру решетки.

Если полученные пленки ферритов нагреть до определенной температуры (температуры Нееля) и затем охладить, то в пленках образуются лабиринтные, или полосовые, домены (рис. 5.1). Векторы намагниченности темных и светлых доменов направлены вдоль оси легкого намагничивания (перпендикулярно плоскости пленки), но в противоположные стороны.

Если перпендикулярно поверхности пленки приложить внешнее магнитное поле смещения, то полосовые домены, вектор которых направлен встречно внешнему полю, перестраиваются в ЦМД (рис. 5.2). Установлено, что ЦМД устойчивы лишь в ограниченном диапазоне полей смещения. Чрезмерное увеличение поля смещения вызывает сжатие и исчезновение (коллапс) ЦМД. При уменьшении этого поля диаметр ЦМД увеличивается и далее ЦМД переходят в полосовые домены.

Устойчивость ЦМД связана с уравновешиванием двух противоположных сил. Одна из них обусловлена энергией поля смещения и энергией доменных границ (она стремится уменьшить площадь доменной границы). Другая сила обусловлена магнитостатической энергией и стремится увеличить площадь доменной границы.

доменной границы, μ 0 = 4π Ч10− 7 Гнм - магнитная проницаемость вакуума, Js -

намагниченность насыщения, то условие устойчивости ЦМД можно описать графиком на рис. 5.3. Из графика видно, что dmin имеет место при h / l = 3 , причем dmin ≈ 4l .

63

Домены перемещаются в сторону меньшей напряженности поля, причем размер домена увеличивается. Пределы изменения напряженности поля ограничиваются, с одной стороны, критической напряженностью поля, а, с другой стороны – наименьшей напряженностью поля, которой соответствует устойчивый (максимальный) диаметр домена. Поэтому возможное перемещение домена ограничено.

Фиксацию домена можно осуществить с помощью матрицы дисков пермоллоя, нанесенных на поверхность ферритовой пленки, покрытой диэлектриком (рис. 5.5). Диски способствуют замыканию потока домена, уменьшают магнитостатическую энергию, ориентируют домен как показано на рис. 5.5.

Перепад напряженности магнитного поля для перемещения домена

65

создается с помощью напыленных проводниковых шин, образующих контуры с током (рис. 5.6).

При подаче тока в шину в контуре создается магнитное поле, направленное против Нсм и поэтому образуется результирующее уменьшение поля, куда и стремится домен. Подавая ток в соседний контур, можно добиться перемещения домена из одного контура в другой. Для этого в первом контуре нужно прекратить протекание тока. Локализованную область с пониженной результирующей напряженностью магнитного поля называют магнитостатической ловушкой.

Скорость перемещения домена пропорциональна току в контуре Ik. Графики зависимости времени перемещения домена от тока в контуре приведены на рис. 5.7. Для ортоферрита YFeO3, обладающего подвижностью

Ч бит

домены со скоростью 3 106 с .

Для перемещения доменов в двух направлениях используется система перпендикулярных контуров, нанесенных на ферритовую пленку с использованием тонких изолирующих прослоек.

Диск

Домен

Рис.5.5

66

Домен

Рис.5.8

67

Рис.5.9

С помощью контуров с токами обеспечивается продвижение доменов, имеющих диаметры (19 - 190) мкм, которые характерны для ортоферритов. Однако для доменов с диаметром в несколько мкм, характерных для феррит – гранатов, невозможно изготовить токопроводящие контуры малой ширины и пропускающие большие токи. Поэтому в феррит – гранатовых пленках используют свойства доменов втягиваться под нанесенные поверх пленки феррит – граната участки пермаллоевой пленки (аппликации), новый вид магнитостатических ловушек. Существуют два класса таких магнитостатических ловушек:

1)Клиновидные аппликации (рис. 5.8). За счет пульсирования поля смещения домен перемещается по клиновидным аппликациям, ограниченным направляющими полостями (все из пленки пермаллоя). Здесь быстродействие на порядок ниже, чем при использовании контуров.

2)Т – образные или шевронные аппликации (рис. 5.9 и 5.10). Здесь кроме перпендикулярной плоскости пленки поля смещения имеется

вращающееся поле управления Ну, параллельное плоскости пленки. Вращающееся поле Ну создает на концах пермаллоевых аппликаций северные

(+)и южные (-) магнитные полюсы. Они притягивают или отталкивают ЦМД, обеспечивая его перемещение. На рисунках показано, как перемещается ЦМД, втягиваясь под ближайшие северные (+) полюсы.

Вращающееся магнитное поле создается двумя ортогональными катушками, на которые подаются синусоидальные токи, сдвинутые по фазе

на 900. Поле смещения Нсм создается постоянным магнитом.

Пермаллоевые аппликации позволяют получить ЗУ с емкостью до 64 Мбит. Увеличить емкость ЗУ до 100 Мбит и более позволяет применение вращающегося поля и сформированных в феррит-гранатовой пленке ионолегированных областей с нулевыми магнитными свойствами, а также применение двух проводниковых перфорированных пленок с большим количеством микроотверстий.

5.3. Генерация и аннигиляция ЦМД

68

Для реализации ЗУ на ЦМД наряду с продвижением доменов необходимо также осуществлять запись «1» - генерацию ЦМД и запись «0» - аннигиляцию (уничтожение) ЦМД. Генерация доменов можно осуществлять двумя способами: 1) делением исходного нового домена; 2) непосредственным зарождением нового домена. Деление исходного домена осуществляется путем предварительного его растяжения и последующего разрыва с помощью токопроводящих контуров и пермаллоевых аппликаций. Применение токопроводящих контуров показано на рис. 5.11. Деление домена с помощью пермаллоевых аппликаций показано на рис. 5.12.

Аннигиляция ЦМД в устройствах с токопроводящими контурами осуществляется путем подачи в контур импульса тока с полярностью, противоположной направлению тока продвижения, и по величине достаточного для коллапсирования ЦМД.

Ну 1

2

Ну

3

4 Ну Ну

5 Ну

Рис.5.10

69

Аннигиляция ЦМД в устройствах с Т – образными или шевронными аппликациями производится путем подачи тока соответствующей величины и направления в контур, стоящей на пути следования доменов, или путем изменения направления вращения управляющего поля на противоположное, при этом все домены движутся в обратном направлении и сливаются с доменом, расположенным под диском (исходным доменом).

Непосредственное зарождение домена, часто используемое в феррит – гранатовых пленках, осуществляется с помощью контура с током соответствующего направления.

5.4 Считывание информации в устройствах на ЦМД

Задача считывания информации сводится к обнаружению направления намагниченности областей пластины, равной диаметру домена. Используется 3 метода: 1) электромагнитной индукции; 2) гальваномагнитной; 3) магнитооптический.

Индукционный метод можно использовать при достаточно больших размерах ЦМД (десятки мкм), в ортоферритах. ЦМД растягивается в полосовой домен, увеличиваются его размеры и магнитный поток. Схема считывающего устройства состоит из двух проводящих контуров (рис. 5.13). Одним из контуров заканчивается схема продвижения домена. Перемещаясь по каналу продвижения, ЦМД попадает внутрь правого контура. При подаче тока Iр (ток растяжения домена), создающего напряженность, встречную Нсм, ЦМД растягивается и занимает всю площадь внутри контура. Затем подается ток считывания Iсч противоположного направления, создается Н > Нкр и растянутый домен снимается и исчезает. В процессе коллапса домена на внутренней петле наводится импульс ЭДС. Выходное напряжение снимается

70