Функциональная электроника - новое направление в микроэлектронике

Современная электроника твердого тела в значительной степени является интегральной электроникой; в основе ее лежит принцип элементной (технологической) интеграции—изготовление на одном кристалле большого количества электронных приборов, соединенных между собой в электрическую схему.

Схемотехнический путь развития интегральной электроники неизбежно связан с ростом числа элементов и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых интегральной схемой функций. Однако чисто количественное наращивание степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Анализ традиционных путей развития интегральной электроники показывает, что в настоящее время достигнут настолько высокий уровень интеграции, что приходится считаться с рядом физических и технологических ограничений при его дальнейшем повышении. Только интегрализация элементов на определенном этапе уже не обеспечивает достижения положительных результатов.

Функциональная электроника предлагает качественно новый подход. В основе лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется.

При физической интеграции носителем информации является не состояние некоторой схемы, созданной на основе традиционных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), а состояние локального объема в однородной активной среде с динамически изменяемыми параметрами. Изменения состояния локального объема однородного материала достигаются не технологическими, а физическими способами, например инжекцией зарядов в локальный объем с помощью светового излучения либо воздействием электрических или магнитных полей, возбуждением поверхностных волн и т. д.

Таким образом, основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определенных функций. Запись и обработку информации выполняет не схема, включающая в себя множество приборов и элементов, а сама активная среда, в которой накапливается подвергаемая обработке информация.

Любой прибор традиционной электроники сам по себе накапливать информацию не может. Так, в элементе памяти на триггере запись информации осуществляется не самим транзистором, входящим в состав схемы, а всей схемой триггера, содержащей как минимум два транзистора. Запись и обработка сигнала непосредственно в приборах традиционной электроники не осуществляются — эти функции выполняет схема, включающая в себя множество приборов. Активная среда устройств функциональной электроники обладает двумя характерными свойствами: в ней может храниться и обрабатываться большой объем информации; управление ею обеспечивает изменения алгоритма обработки сигнала. С этой точки зрения устройства функциональной электроники по своим отличительным признакам близки к процессору ЭВМ, реализуемому в виде интегральных схем на традиционных транзисторных структурах. Заметим, что во многих случаях устройства функциональной электроники могут хорошо сочетаться с цифровыми ИС, дополняя и расширяя их возможности.

В настоящее время существует несколько направлений исследований, основанных на непосредственном использовании физических явлений, потенциально пригодных для создания функциональных устройств. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены, пакеты волн различной природы и т. п. Данный перечень может быть расширен и дополнен в ходе проведения исследований. Цель всех этих исследований — создание принципов конструирования и производства достаточно экономичных устройств с высокой степенью интеграции. Внутри этой проблемы можно выделить наиболее актуальную проблему—создание интегральных устройств памяти большого объема, энергонезависимых, малогабаритных и малопотребляющих, с достаточно высоким быстродействием.

Рассмотрим некоторые примеры реализации функциональных устройств, в основу которых положены существенно различные физические явления.

Память ПЗС и ЦМД. Активной средой в ПЗС служит полупроводниковая пластина с системой электродов на ней (см. 3.4), под каждый из которых может быть введен объемный заряд, образованный сгустками носителей. Приложение электрических потенциалов, изменяющихся во времени в определенной последовательности, заставляет перемещать такие зарядовые пакеты. Наличие или отсутствие заряда означает 1 или 0 в системе записи информации.

Отметим, что устройства памяти, выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовых пакетов в качестве динамической неоднородности - носителей информации, обладают значительными возможностями для повышения плотности их упаковки и повышения доли выхода годных. Они, например, занимают на 60—70% меньшую площадь, чем однотранзисторные МДП-элементы. Схемы, выполненные на ПЗС-структурах, требуют меньшего количества обслуживающих схем, чем МДП ЗУ.

Создание приборов на ЦМД, как направление функциональной электроники, основано на непосредственном использовании доменной структуры ферромагнетиков. Фактически доменные устройства представляют собой однородную активную среду, в которой носителями информации являются цилиндрические (или плоские) магнитные домены, а ее переработка и хранение осуществляются за счет перемещения и взаимодействия этих доменов (см. 2.4).

ЦМД обладают важным комплексом свойств: их можно контролируемо создавать и уничтожать, осуществляя ввод и вывод информации, а перемещая с высокой скоростью, производить сдвиг информации. Именно способность ЦМД к перемещению, а также к устойчивому сохранению размера, формы и положения в среде является основной предпосылкой к технической реализации ЗУ. Малые размеры доменов и большая их подвижность дают возможность создавать на их основе устройства большой функциональной гибкости с исключительно высокими параметрами. При этом функции логики, запоминания и коммутации реализуются без нарушения однородности структуры материала носителя.

Память на поверхностных акустических волнах. Направление функциональной электроники, которое охватывает устройства и приборы, использующие явления возбуждения, распространения и взаимодействия акустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках, получило название акустоэлектроники.

В устройствах акустоэлектроники используются звуковые волны высокой частоты (1 МГц—10 ГГц), как объемные, так и поверхностные. Преимущества поверхностных акустических волн (ПАВ)—малые потери на преобразование при их возбуждении и приеме, доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств. Именно эти преимущества и обусловили то, что большинство устройств выполняется на ПАВ.

ПАВ представляет собой волну механической деформации (упругую волну), распространяющуюся вдоль поверхности твердого тела или вдоль границы раздела твердого тела с другими средами. Благодаря сравнительно низкой скорости распространения волны возможно на ограниченном по длине пространстве ее распространения обеспечить существенную задержку сигнала во времени или осуществить динамическую запись информации значительного объема.

Особый класс нелинейных акустоэлектронных устройств составляют устройства, основанные на принципе запоминания и хранения сигнальной информации. В качестве носителей информации используется заряд объемных или поверхностных ловушек в полупроводниках, создание и запоминание зарядовых пакетов с помощью электронного пучка. Операции записи и считывания осуществляются с помощью ПАВ. Время хранения информации зависит от конкретного механизма запоминания и достигает нескольких недель.

Устройства на основе спиновых волн. Устройства обработки информации на ПАВ, работающие в диапазоне 10—1500 МГц, отличаются рядом достоинств: малыми размерами и незначительной массой, возможностью синтеза заданных характеристик, удобством сопряжения с интегральными схемами и др.

Однако для обработки информации этими устройствами в диапазоне частот выше 1 ГГц требуется понижение частоты, что приводит к дополнительному искажению сигнала и усложнению конструкции системы.

Переход к частотам 1—20 ГГц осуществляется в устройствах на спиновых волнах, которые представляют собой волновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственных за ферромагнитные свойства вещества. Обусловлены спиновые волны обменным взаимодействием, благодаря которому изменение магнитного момента одного атома передается соседнему, и т. д. Возбуждение спиновых волн обычно осуществляется в тонких пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферромагнитной подложке. Пленка находится в статическом магнитном поле, приводящем вещество в состояние магнитного насыщения, благодаря чему обеспечивается исходная ориентация спинов.

Линии задержки на спиновых волнах характеризуются малыми потерями, возможностью осуществить несколько выводов информации.

Функционально ПАВ и спиновые волны равноценны, но последние могут быть использованы на более высоких частотах.

Большими функциональными возможностями обладают устройства, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Действие этих устройств основано на использовании метода спинового эха—импульсного метода наблюдения ЯМР.