Электроника и схемотехника аналоговых устройств

При подаче на вход VТ4 высокого уровня UZ = U1ВХ транзистор VТ4 входит в насыщение. UК4 = 0. Это обеспечивает запирание VТ2 и VТ3. ТТЛ полностью отключается от нагрузки, т.е. не потребляет и не отдает ток. Это состояние не зависит от входных сигналов UА и UВ. Эти схемы можно объединять по выходам на одну общую нагрузку, и в любой момент времени нагрузка должна обслуживаться любым элементом, и остальные элементы должны находиться в третьем состоянии;

б) схема ТТЛ с транзисторами Шоттки

Повысить быстродействие ТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента вместо обычных транзисторов транзисторы Шоттки, работающие в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические микросхемы ТТЛ, выполненные на базе транзисторов Шоттки, называются микросхемами ТТЛШ;

в) схема ТТЛ с открытым коллектором

Схема ТТЛ с открытым коллектором предназначена для согласования логических схем с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например, светодиодными инди-каторами, лампочками накаливания, обмотками реле и т.д. Ее отличие от ранее рассмотренной заключается в выпол-нении выходного уси-лителя мощности по однотактной схеме без собственного нагрузоч-ного резистора.

Принципиальная элек-трическая схема такого элемента приведена на рисунке 2.23. В данном элементе также отсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставится на выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъяв-ляются требования кванто-вания сигнала. Обычно выходной транзистор VT2 схемы выполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжением, чем обычный элемент.

Для защиты МЭТ от опасных отрицательных входных перепадов напряжения в ТТЛ между эмиттерами и землей включаются дополнительные диоды (на рисунке 2.23 VD1 и VD2).

Схемы ЭСЛ _ эмиттерно-связанной логики

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики имеют более высокое быстродействие, чем схемы ТТЛ (даже ценой большей рассеиваемой мощности), достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона, так как:

а) исключается насыщение транзисторов (время рассасывания избыточных носителей заряда t рас = 0);

б) в схеме применяются эмиттерные повторители (ЭП), ускоряющие процесс заряда емкости нагрузки, так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых мало, ток выходной большой;

в) меньше логический перепад

.

Наличие парафазного выхода дает возможность снимать прямые и инверсные значения, что позволяет уменьшить число используемых микросхем.

В отличие от простых схем ТТЛ, можно объединять выходы нескольких элементов ЭСЛ для расширения логических возможностей.

Особенность ЭСЛ заключается в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ) в ключевом режиме (токовый ключ), выполненный на двух транзисторах (см. рисунок 2.24), которые могут переключать ток и при этом никогда не входят в режим насыщения. Дифференциальным усилителем называют усилитель, предназначенный для усиления разности двух входных сигналов. При этом полученное выходное напряжение не должно зависеть от абсолютного значения входных сигналов, а также от температуры окружающей среды и других факторов

где Ку -- коэффициент усиления усилителя.

На базу одного из транзисторов, например, VTоп, подано некоторое постоянное опорное напряжение Uоп.

Изменение напряжения, подаваемого на вход UВХ ниже или выше Uоп приводит к перераспределению постоянного тока эмиттера Iэ, заданного токостабилизирующим резистором Rэ, между транзис-торами VT1 и VTоп.

При этом транзисторы не входят в режим насыщения, и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал времени рассасывания их неосновных носителей.

Существенный недоста-ток данной схемы -- выходное сопротивление выходов ве-лико, что не позволяет обеспечить высокое быстро-действие схемы. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключают эмиттерные повторители. Для получения нескольких логических входов используют один пороговый транзистор и несколько параллельно включенных входных транзисторов.

Рассмотрим логические элементы НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

а) схема инвертора на МДП приведена на рисунке 2.26.

Транзистор VT1 работает в ключевом режиме, VT2 - всегда в активном. VT2 является нелинейной нагрузкой.

При запертом VT1 транзистор VT2 _ в активном режиме, ближе к насыщению, при насыщенном VT1 транзистор VT2 - в активном, ближе к отсечке.

При подаче на вход х низкого уровня напряжения VT1 запирается, VT2 близок к насыщению, на выходе ключа высокий уровень напряжения. При подаче на вход х высокого уровня напряжения VT1 отпирается, VT2 близок к отсечке, на выходе ключа низкий уровень напряжения. Выполняется операция

;

б) в двухвходовой схеме ИЛИ-НЕ (см. рисунок 2.27) входные транзисторы VT1 и VT2 соединены параллельно. Если хотя бы на один из входов подан высокий уровень напряжения, соответствующий транзистор отпирается, и на выходе схемы будет низкий уровень. И только при подаче на все входы схемы низкого уровня транзисторы VT1 и VT2 запрутся, и на выходе появится высокий уровень. Выполняется операция

;

в) в двухвходовой схеме И-НЕ (см. рисунок 2.28) входные транзисторы VT1 и VT2 соединены последовательно. Если хотя бы на один из входов подан низкий уровень напряжения, соответствующий транзистор запирается, ток через входные транзисторы не течет, и на выходе схемы будет высокий уровень. И только при подаче на все входы схемы высокого уровня транзисторы VT1 и VT2 откроются, течет ток, и на выходе будет низкий уровень. Выполняется операция

.

Основу микросхем КМДП составляет ключевой каскад на двух соединенных стоками МДП-транзисторах VT1 и VT2 (см. рисунок 2.29) с различными типами проводимости. Транзистор VT1 имеет канал с проводимостью n-типа; VT2 - канал с проводимостью р-типа. На соединенные вместе затворы подается входной сигнал x. Для КМДП принято, чтобы единица отображалась высоким уровнем, а ноль - низким.

Напряжение питания Е положительной полярности может составлять от 3 до 15 В. Напряжение низкого уровня для микросхем КМДП равно 0,001 В, а напряжение высокого уровня практически равно напряжению питания.

При подаче на вход напряжения высокого уровня транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня. При подаче на вход напряжения низкого уровня транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. Напряжение источника питания через открытый транзистор VT2 подается на выход каскада -- это напряжение высокого уровня. Таким образом, данный ключевой каскад реализует логическую функцию НЕ.

Следует отметить одну важную особенность КМДП-ключа и интегральных микросхем на его основе -- в статическом режиме потребляемая от источника питания мощность меньше на несколько порядков по сравнению с мощностью самых маломощных логических элементов ТТЛ и ТТЛШ. Это объясняется тем, что в статическом режиме один из транзисторов закрыт и, следовательно, ток через ключ не проходит.

Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на основе КМДП-ключа приведена на рисунке 2.30. Если на оба входа поданы сигналы низкого уровня, то транзисторы VT3 и VT4 будут открыты, так как имеют канал с проводимостью р-типа, а транзисторы VT1 и VT2 -- закрыты, так как имеют канал с проводимостью n-типа. Таким образом, на выходе установится напряжение высокого уровня (логическая единица). При подаче напряжения высокого уровня хотя бы на один из входов соответствующий транзистор VT3 или VT4 закроется, т.е. ток через них не течет, а транзистор VT1 или VT2 соответственно откроется. На выходе установится напряжение низкого уровня (логический ноль). Видно, что данная схема реализует логическую функцию ИЛИ--НЕ.

Устройство базового элемента И--НЕ как бы обратно устройству элемента ИЛИ--НЕ: параллельно соединены транзисторы с каналами р-типа, а последовательно -- с каналами п-типа (см. рисунок 2.31). Работа данной схемы абсолютно идентична работе элемента ИЛИ--НЕ с тем исключением, что напряжение низкого уровня на выходе устанавливается только при одновременной подаче на оба входа элемента напряжения высокого уровня, а во всех остальных случаях на выходе будет присутствовать напряжение высокого уровня. Действительно, при одновременной подаче на входы x1 и x2 напряжения высокого уровня транзисторы VT1 и VT2 открываются, а транзисторы VT3 и VT4 закрываются. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня (логический ноль). При подаче хотя бы на один из входов напряжения низкого уровня один из параллельно включенных транзисторов VT3 или VT4 открывается, а соответствующий ему комплементарный транзистор (VT1 или VT2) закрывается. На выход в этом случае через соответствующий открытый транзистор передается напряжение источника питания. На выходе устанавливается напряжение высокого уровня (логическая единица).

ТЕМА №15. Перспективы развития электроники

Современные состояние развития электроники заключается в переход от микротехнологии к нанотехнологии.

Прогресс в развитии науки и технологии, материальной и инструментальной базы, метрологического обеспечения привел к освоению нанометрового диапазона размеров элементов и устройств и переходу к нанотехнике и нанотехнологии.

Научное сообщество вплотную приступило к изучению так называемого наномира, или мезомира, -- мира мезоскопической природы вещества. Физика, химия и биология начали интенсивно исследовать объекты и структуры, размеры которых измеряются в пределах нанометровой шкалы, что обусловило появление терминов «наномир», «наночастицы», «наноструктуры», «нанокомпозиты» и «нанотехнология». Объекты этого мира по размерной шкале расположены между миром элементарных частиц, атомов и молекул с одной стороны и макромиром -- с другой стороны, являясь промежуточным и связующим звеном между миром, в котором действуют законы квантовой механики, и миром, в котором действуют законы классической физики. Поэтому термин «мезомир» методически более правилен, поскольку отражает промежуточное положение этой области, но термин «наномир» стал более привычным.

Многие процессы, характерные для наномира, происходят в условиях, далеких от равновесного состояния, а объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Вследствие этого для описания процессов и физических явлений, протекающих в наномире, приходится использовать аппарат нелинейной динамики, а для исследования объектов наномира использовать понятия и методы фрактальной физики. Поэтому для описания наномира необходимо пользоваться системами нелинейных дифференциальных уравнений, имеющих несколько решений, что приводит к необходимости заниматься и проблемами эволюции объектов наномира, поскольку эволюция эта может происходить разными путями, в зависимости от изменения (иногда чрезвычайно незначительного) начальных условий и параметров.

Уход от вакуумной электроники и переход к твердотельной технологии привели к тому, что потоки электронов, заключенные в полупроводниковый кристалл, дали начало новой ветви эволюции элементной базы. Подвижность электронов в сочетании с малыми внутрикристаллическими размерами обеспечивает скорость, а строгий порядок атомов, т.е. структура твердого тела, -- организацию информационных потоков в микропространстве. Однако для этого необходимо сформировать кристалл с почти идеальным расположением атомов в решетке (так называемую матрицу -- аналог вакуума в электронных лампах) и с заданным распределением примесей, образующих внутри кристалла сложную пространственную фигуру (физический, но не конструкционный аналог сеток в электронных лампах).

Необходимо также создать на поверхности коммутационную разводку с малыми размерами (аналог выводов в электронных лампах). Кроме того, невысокая подвижность электронов, по сравнению со скоростью распространения электромагнитного поля, не позволяет реализовывать желаемое предельное быстродействие. Использование элементарных частиц (электронов) для переноса и передачи электрического сигнала, а следовательно, и информации, заранее обрекает разрабатываемые устройства на низкое быстродействие. Единственный выход -- использование в целях переноса сигнала и информации электромагнитных волн. Реализовать подобное быстродействие и создать устройство, получившее название «оптический компьютер», является одной из целей оптоэлектроники.

Тысячи остроумных приемов и десятки сложных физических явлений являются лишь фундаментом микроэлектроники. Не существует такого приема или явления, которые бы самодостаточно выразили ее сущность. Элементную базу микроэлектроники для достижения практически любой поставленной цели можно реализовывать на основе самых разнообразных физических явлений и использовать самые разные материалы: полупроводниковые, сверхпроводящие, магнитные или оптические. Реализовывать процессы обработки и передачи информации можно с помощью различных физических явлений и эффектов. При этом должен сохраняться единственный принцип -- обработка информационных сигналов в микроскопически малых областях твердого тела, в которых средствами современной технологии создано определенное распределение электронных свойств.

Нанотехнология является обширной областью новейших технологий, основанных на человеческих знаниях о природе объектов соответствующих размеров. В зависимости от того в каком измерении искомый объект содержит нанометровый размер, нанотехнологию можно подразделять на одномерную (тонкие пленки, в которых нанометровый размер имеет только толщина), двухмерную (структуры, полученные на тонких пленках и имеющие хотя бы один нанометровый размер в латеральной плоскости) и трехмерную (объекты, все три измерения в которых имеют нанометровую структуру -- нанодисперсные частицы и объекты). К трехмерной нанотехнологии можно отнести также трехмерные структуры, имеющие микро- и макроскопические размеры, но тонкую объемную структуру, состоящую из наноразмерных частиц (например, пористые материалы, полученные методами золь-гель-технологии, или пористые стекла и кварцоиды). Возможно, в будущем нам придется иметь дело с объектами, имеющими и протяженность бытия порядка наносекунд, или с аналогичными технологическими процессами, но пока целесообразно ограничиться тремя измерениями. В системах, которые можно отнести к наноразмерным, количество вещества, сосредоточенное на поверхности и в объеме, становится соизмеримым, что совершенно меняет структуру и свойства твердого тела.

Наноструктуру можно определить как совокупность наночастиц с наличием функциональных связей. Такие системы, обладающие ограниченным объемом, в процессе их взаимодействия с другими химическими веществами можно рассматривать как своего рода нанореакторы. Нанокомпозиты представляют собой объекты, в которых наночастицы разного рода упакованы вместе в макроскопический образец, в котором межчастичные взаимодействия становятся сильными и нивелируют свойства изолированных частиц.

Наночастицы представляют собой системы, обладающие избыточной энергией и высокой химической активностью. Частицы размером порядка 1 нм практически без дополнительной энергии вступают в процессы агрегации, ведущие к образованию наночастиц больших размеров, и в реакции с другими химическими соединениями, в результате которых получаются вещества с новыми свойствами. Запасенная энергия таких объектов определяется, в первую очередь, нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Большинство методов синтеза наночастиц приводит к их получению в неравновесном метаста- бильном состоянии. Это обстоятельство, с одной стороны, осложняет их изучение и использование в нанотехнологии, но, с другой стороны, неравновесность системы позволяет осуществлять необычные, непрогнозируемые и невозможные в равновесных условиях химические превращения и реакции.

Физико-химические свойства и реакции небольших частиц в газовой фазе, а в последнее время -- и в твердой, и в жидкой фазах начинают описывать количеством атомов или молекул, а не размером в нанометрах. Определенное значение может иметь и шкала атомно-молекулярных диаметров, в которой наибольший интерес представляют частицы размером 1... 100 атомно-молекулярных диаметров. В области подобных размеров наиболее часто наблюдаются различные эффекты, в которых свойства зависят от числа атомов в частице.

Поступательное развитие науки, техники и технологии позволило в последнее время практически перейти к освоению нано- метрового диапазона размеров объектов человеческой деятельности. Появилась и оформилась соответствующая наука -- нанотех нология. Значительное внимание стало уделяться проблемам, возникающим при создании и исследовании наноразмерных структур в различных областях науки и техники. Развитие нанотехнологии и наноэлектроники взывает необходимость промышленного освоения нанометрового диапазона размеров элементов. В будущем хотелось бы разработать практически реализуемые технологии, позволяющие оперировать отдельными атомами или молекулами и осуществлять в промышленных масштабах принципы атомной и молекулярной сборки.

В связи с этим неизбежным переходом возникает ряд технических, технологических и фундаментальных проблем, требующих своего разрешения. Их неординарность обусловливается исторически сложившейся особенностью нанотехнологии, заключающейся в том, что на одном поле нанонауки оперируют два совершенно разных и мало взаимодействовавших ранее научных направления: химическое, связанное с коллоидной химией и ультрадисперсным состоянием вещества, и физическое, связанное с развитием микроэлектроники и микротехнологии и базирующееся в основном на достижениях субмикронной технологии. Каждое направление имеет свои представления о приоритетах, устоявшуюся терминологию и методики работы.

С физической точки зрения это, во-первых, проблема создания функционирующего элемента с нанометровыми размерами; во-вторых, обеспечение его коммутации с другими аналогичными элементами; в-третьих, проблема создания групповых методов обработки, позволяющих получать требуемую структуру, как минимум, сразу на всей поверхности подложки или достаточно большой ее локальной области. Существуют также проблемы перехода к многоуровневым схемам, в дальней перспективе -- к объемным схемам (так называемая ЗО-технология) и связанные с этим проблемы трехмерной коммутации и теплоотвода.

С химической точки зрения это гигантский комплекс проблем, связанный с получением и исследованием ультрадисперсных частиц и наночастиц, размерные эффекты в нанохимии, многофазные комплексы в пределах одной наночастицы, нанореакторы и наноконтейнеры и многое другое.

Таким образом, нанотехнология -- совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле -- этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и. исследований таких объектов.

Наноматериал -- материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистемная техника -- созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Наноиндустрия -- вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

Если достижения микротехнологии привели к колоссальному скачку в области микропроцессорной техники и информационных технологий, существенно изменивших наш образ жизни, то от развития нанотехнологии можно ожидать гораздо большего. Некоторые представители научного сообщества уже рассматривают с точки зрения формальной логики такие феномены, как компьютерные вирусы в качестве «живых» объектов новой, информационной формы жизни, созданной человеком. Поэтому от достижений нанотехнологии в будущем следует ожидать много феноменов.

Нанотехнология в современном мире -- это создание новых оптических устройств, новых лекарств и красителей, веществ для уничтожения опасных химических и биологических соединений. Для успешного решения этих задач необходимо развивать новые высокоточные методы анализа химического состава и структуры на основе новой измерительной техники. Использование низких температур открывает новые возможности в получении и изучении реакционной способности конденсированных пленок с включенными частицами металлов и их оксидов разных размеров. Это путь к новым хеморезистивным наносистемам. Определение зависимостей между числом атомов в частице на ее поверхности и ее реакционной способностью является одной из наиболее важных проблем нанохимии.

В особой степени переход от микротехнологии к нанотехнологии коснется электроники, приведя к новому витку развития на уровне наноэлектроники. Электроника является одной из самых динамично развивающихся междисциплинарных наук. Она использует самые последние достижения в области физики, химии, информатики и даже семантики. В отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. До настоящего времени рост функциональной сложности и быстродействия систем достигался увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, связанная с определяющим влиянием на физические процессы в наноструктурах квантовых эффектов (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты).

Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои структуры (зонная инженерия), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями (инженерия волновых функций). Наряду с квантоворазмерными планарными структурами (двухмерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.

Особые надежды возлагаются на прорыв, который может обеспечить наноэлектроника в средствах коммуникации и связи, информационных технологиях и телекоммуникациях. Разработки в области нанотехнологий должны привести к повышению производительности вычислительных систем; увеличению пропускной способности каналов связи; увеличению информационной емкости и качества систем отображения информации; повышению чувствительности сенсорных устройств и расширению спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии; увеличению использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.

Можно прогнозировать создание принципиально новых приборов, основанных на возможности «калибрования» различных объектов (атомные кластеры и молекулы) в нанометровом диапазоне размеров и использования высокой поверхностной чувствительности наноструктурированных материалов. Примером использования нанотехнологии для этих целей может служить создание на основе квантовых полупроводниковых наноструктур лазеров дальнего и среднего инфракрасных (ИК) диапазонов, позволяющих контролировать загрязнение атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.

Особую роль в дальнейшем развитии электроники является функциональная электроника, которая представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для обработки, генерации и хранения информации.

В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают направления в функциональной электронике, например, функциональная акустоэлектроника, функциональная магнитоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, функциональная диэлектрическая электроника, молекулярная электроника и т. п. Объединяющим их признаком является динамическая неоднородность как носитель, транслятор или хранитель информации. Например, традиционная полупроводниковая схемотехническая электроника отличается от полупроводниковой функциональной электроники носителем информационного сигнала. В приборах схемотехнической микроэлектроники -- аналоговых или цифровых ИС -- информация хранится или обрабатывается в ячейках в виде заряда, потенциала или тока определённого уровня на определённой статической неоднородности.

В приборах и устройствах функциональной электроники информационный массив может быть обработан весь и сразу в одномоментном процессе. При этом не обязательно использовать последовательную побитовую обработку двоичной информации. Это эквивалентно случаю предельного распараллеливания процесса обработки массива информации. Таков принципиально новый путь, способный обеспечить производительность порядка 1015 оп./с. Так, акустооптический процессор обеспечивает производительность 1010-1012 оп./с, в то время как специальные микросхемы быстрого преобразования Фурье -- не более 2,5·108 оп./с. Выигрыш на несколько порядков в производительности вполне существенен.

Рассмотренные процессоры относятся к изделиям функциональной электроники первого поколения. В них используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде. Если используются два или более вида динамических неоднородностей в равных средах, то такие изделия относятся ко второму поколению.

Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.

Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической природы. Это первый элемент в предложенной модели прибора функциональной электроники. Так, в акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью -- зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах магнитоэлектроники -- магнитостатические волны (МСВ) и т. д.

Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твёрдом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. Наши интересы в области микроэлектроники сосредоточены на использовании твёрдого тела. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации. Динамические неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае, динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой “замороженный” бит информации.

Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения, расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за её пределов или сгенерирована в этом канале.

Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвёртым элементом в модели прибора.

Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. В этом случае можно использовать хорошо развитые устройства и методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.Предложенная модель прибора функциональной электроники позволяет развить системный подход к анализу известных конструктивных решений-прототипов приборов, раскрыть физическую сущность явлений, лежащих в основе работы приборов, оптимизировать известные конструкции по технико-экономическим параметрам, а также разработать прогнотип -- новое, ранее неизвестное конструктивное решение с заданными технико-экономическими показателями. Такого рода таксонометрические исследования имеют вполне самостоятельное значение как интеллектуальные исследования высокого уровня.

Итак, общепризнанно, что электронные устройства на дискретных элементах относили к устройствам первого поколения, первые интегральные схемы в электронике сформировали приборы и устройства второго поколения, а нынешнее третье поколение микроэлектронных средств вычислительной техники и обработки информации базируется на больших и сверхбольших интегральных схемах.

Оптоэлектроника основана на использовании различных оптических явлений, т. е. свойств твердых тел, вызванных световым потоком. Световой поток электрически нейтрален, не создает электрических контактов и гальванических связей, обладает односторонней направленностью и очень высокой несущей частотой, позволяет пропускать много каналов обработки информации.

Акустоэлектроника основана на явлениях, возникающих при взаимодействии потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. На этой основе можно осуществлять генерацию и усиление акустических волн с помощью потока электронов, скорость которых значительно превышает звуковую. В акустоэлектронике используются механические резонансные эффекты, пьезоэлектрический эффект и др. Акустоэлектроника занимается преобразованием электрических сигналов в акустические и акустических в электрические.

Прибор, основанный на электромеханическом резонансе, называют резонистором. Он представляет собой полевой транзистор с затвором, часть которого нависает над каналом. Сигнал подается на электрод, расположенный на изоляторе под нависающим концом затвора, а на затвор подается постоянное смещение. При совпадении частоты сигнала с частотой резонанса свободного конца затвора последний вибрирует под действием электрического поля между затвором и сигнальным электродом. Механические колебания, генерируемые при этом, могут иметь частоту от 1 кГц до 1 МГц.

На пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в изменении размеров образца материала под действием электрического поля, основана работа кварцевых генераторов и фильтров, а также ультразвуковых линий задержки. Пьезоэлектрические преобразователи возбуждают с помощью электрических сигналов акустические волны и осуществляют обратное преобразование акустических волн в электрический сигнал.

Магнитоэлектроника основана на использовании свойств слабых ферромагнетиков и магнитных полупроводников, которые имеют малую намагниченность насыщения и позволяют управлять движением намагниченных микроминиатюрных областей в трех измерениях. Используется для хранения, обработки и перемещения больших объемов информации, причем для хранения информации не требуется питания, а при ее перемещении выделяется очень небольшая мощность рассеяния.

Квантовая микроэлектроника основана на явлениях, которые возникают при изменении структуры тел на молекулярном уровне при их конденсации. Это сопровождается изменением оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел и жидких кристаллов при высокой чувствительности к внешним воздействиям, что используют для управления и преобразования потоков информации в различных функциональных устройствах.

Биоэлектроника, одно из направлений бионики, использует явления живой природы на молекулярном уровне. Она исследует принципы хранения и обработки информации в живых организмах для создания сверхсложных систем обработки информации, подобных по своим функциональным возможностям человеческому мозгу. Биоэлектроника изучает нервную систему животных и человека для совершенствования микроэлектронных устройств и разработки для них новых элементов. Использование явлений живой природы в микроэлектронике -- это перспективное направление, которое таит в себе огромные возможности.

Диэлектрическая электроника использует свойства тонких пленок диэлектриков, возникающие при контакте их с тонкими пленками металла. При этом из металла в диэлектрик эмитти- руются электроны, которыми обогащается приконтактный слой диэлектрика. Они распространяются во всем объеме тонкой диэлектрической пленки благодаря очень малой ее толщине и определяют проводящие свойства диэлектрической пленки. Если между двумя пленочными металлическими электродами с разными значениями работы выхода расположить тонкую пленку диэлектрика толщиной в единицы микрометра, то электроны будут переходить из металла с меньшей работой выхода в диэлектрик, заполнять всю его толщину и под действием приложенного внешнего напряжения создавать ток в диэлектрике. На этом основан принцип действия диэлектрических диодов и транзисторов, характеристики которых аналогичны соответствующим характеристикам электровакуумных диодов и триодов.

Хемотроника (ионика) изучает физико-химические и электрохимические процессы, протекающие в жидкостях. В электрохимических приборах жидкость служит электролитом, используются ионные процессы. На основе электрохимических явлений созданы приборы, выполняющие функции выпрямителей, усилителей и ряда других преобразователей сигнала, а также управляемые сопротивления и запоминающие устройства.

Управляемое сопротивление выполняет функции переменного резистора, не имеющего движущихся контактов. Управляемое сопротивление представляет собой резистивный электрод из инертного металла, например платины, от концов которого сделаны два вывода. Между этими выводами электрод имеет определенное омическое сопротивление. Управление его величиной осуществляется с помощью второго электрода из меди, имеющего свой вывод. Оба электрода помещены в герметический корпус, пространство между ними заполнено электролитом, содержащим соединения меди. При подаче постоянного напряжения, когда резистивный электрод является катодом, а управляющий -- анодом, происходит электролиз, в результате которого медь из электролита осаждается на резистивном электроде, уменьшая его сопротивление, а управляющий электрод частично растворяется в электролите. Если изменить полярность управляющего напряжения, то слой меди на резистивном электроде (аноде) начнет растворяться, а на управляющем (катоде) осаждаться. В результате этого сечение резистивного электрода уменьшится, а его сопротивление возрастет. После прекращения подачи управляющего сигнала сопротивление остается неизменным, таким, как оно было в момент выключения сигнала, т. е. «запоминается» прибором надолго.

Созданы также электрохимические твердотельные приборы, называемые ионисторами. Они имеют большую емкость (более 50 Ф), долго сохраняют заряд и могут быть использованы в качестве низковольтного источника питания в микроэлектронной аппаратуре, а также в качестве запоминающего устройства.

Размещено на Allbest.ru