Мікроелектроніку

Підвищення рівня інтеграції мікросхем І пов'язане з ним зменшення розмірів елементів мають свої межі. Наприклад, Інтеграція більш як 10^е елементів в 1 см³ кристала стає вже економічно недоречною та технологіч­но утрудненою. Тому досить перспективним напрямом подальшого роз­витку елементної бази радіоелектроніки є функціональна мікроелектроніка, в якій без застосування стандартних базових елементів реалізують деякі функції радіоелектроніки безпосереднім використанням фізичних явищ у твердому тілі чи рідині.

У пристроях функціональної електроніки локальному об'ємові речо­вини надають властивостей, необхідних для виконання заданої функції. Матеріалом для побудови функціональних пристроїв можуть бути не тільки напівпровідники, а й надпровідники, сегнетоелектрики, діелектрики, ріди­ни тощо. Для перетворення Інформації у функціональних пристроях за­стосовуються фізичні явища, не обов'язково пов'язані з електропровідністю, такі як оптичні, магнітні, механічні тощо.

Найпоширеніше практичне використання з сучасних напрямів функціональної електроніки мають магнето-, кріо-, хемо-, акусто-, опто-, біоелектроніка тощо.

Магнетоелектроніка використовує фізичні властивості топких магніт­них плівок, застосування магнітних матеріалів як носіїв інформації спира­ється на їхню властивість перебувати в одному зі стійких станів: магніт­ної насиченості та залишкової намагніченості. Першими застосуваннями магнетоелектроніки були елементи пам'яті на феритових осердях, але вони потребували багато енергії на перемагнічування і мали низьку швидко­дію. Поява тонкоплівкових елементів не тільки вирішила цю проблему, а й зробила технологію виготовлення магнітних елементів сумісною з за­гальною технологією інтегральних мікросхем. Крім того, в магнітних плівках спостерігається гальваномагнітний ефект взаємодії носіїв заряду з магнітним полем плівки.

Найчастіше магнітні плівки виготовляють з пермалою методом ваку­умного випаровування. На рис. 3.26 як приклад зображено будову мат­риці пам'яті на тонких магнітних плівках. На скляну підкладку 4 нано­сять мідну плівку 5, на якій методом випарювання у вакуумі створюють магнітну плівку 6 із пермалою завтовшки 0,01 мкм. Поверх неї накладають діелектричну плівку 3, а потім поліамідну 2, на яких з обох боків

 

Рис.3.26. Будова матриці пам’яті на тонких магнітних плівках

фор­мують взаємно перпендикулярні числові 7 та сигнально-розрядні 1 шини завширшки 0,07 мм з кроком 0,14 мм.

Якщо тепер по двох взаємно перпендикулярних шинах пропустити імпульс струму, то в їх перетині відбудеться перемагнічування ділянки магнітної плівки. Це локальне положення намагніченості можна прийня­ти за логічну 1. Стан локальної намагніченості досить стійкий в часі, що забезпечує зберігання інформації. Для її відтворення (читання) в числову шину подається змінний струм частотою 10МГц, який зумовлює коливання магнітного домену з тією самою частотою відносно сигнально-роз­рядної шини. В результаті складова повного магнітного потоку домену змінюється між максимальним за модулем і нульовим значеннями з под­війною частотою. Внаслідок цього утворюється (наводиться) сигнал на виході сигнально-розрядної шини з частотою 20 МГц. Здобутий сигнал порівнюється з сигналом опорної шини, розташованої над комірками, що зберігають стан логічного 0.

Якщо в комірці, через яку пройшов зчитувальний сигнал, записано ло­гічний 0, то він за частотою та фазою збігатиметься з опорним і вихідна Різницева напруга дорівнюватиме нулю. Якщо ж комірку намагнічено, то зчитувальний сигнал відносно опорного має подвійну частоту та про­тилежну фазу (зсув фаз на 180°). Внаслідок цього амплітуда різницевої напруги буде вдвічі більшою, ніж амплітуда опорного сигналу.

На таких магнітних плівках можна будувати не тільки елементи пам'яті, а й логічні елементи, магнітні підсилювачі тощо [7].

Кріоелектроніка використовує фізичні явища в напівпровідниках при температурі нижче 20К. Відомо, що провідність будь-яких металів із зниженням Температури зростає. Проте в деяких металів і сплавів спостерігається незвичайне явище: при температурах нижче 20 К їхня провідність прямує до нескінченності, а магнітна Індукція — до нуля. Такі матеріали називають надпровідниками. Якщо до них підвести зовнішнє магнітне поле, напрямок вектора напруженості якого збігається з напрямком струму, то при деякій його критичній напруженості провідність надпровідника стрибком зменшується (ефект Мейснера). Це явище і покладено в основу побудови кріотронів.

 

 

 

Рис. 3.27. Схематичне зображення кріотрона

 

Кріотрон — це надпровідниковий дріт (наприклад, танталовий), розташований в соленоїді з іншого дроту, наприклад ніобієвого (рис. 3.27). Танталовий дріт називають вентильним (його критична темпера­тура 4,4 К), а ніобієвий — керувальним (його критична температура 8 К). Зміна зовнішнього магнітного поля створює індукційний струм на поверхні надпровідника. Цей поверхневий струм і магнітне поле проникають у надпровідник на глибину 0,1...0,01 мкм, що зумовлює зростання опору.

Напруженість зовнішнього магнітного поля в кріотроні змінюється під дією керувального струму , який проходить по соленоїду. Залежно від значення цього струму змінюється струм у вентильному дроті від І_Вmax та до І_min. Відношення змін цих струмів називається коефіцієнтом передачі кріотрона за струмом:

. (3.31)

Час переходу кріотрона з одного стану в інший становить частки мікросекунди, тобто прилад має високу швидкодію. На основі кріотронів можна побудувати підсилювачі, перемикачі, логічні елементи, елементи пам'яті, фільтри, резонатори, лінії затримування сигналів тощо [5].

Тонкоплівкові кріотрони досить мініатюрні: на 1 см² площі підкладки їх розміщується до кількох тисяч штук. Однак широке застосування та­ких приладів обмежують технологічні умови роботи, пов'язані з необхід­ністю їх глибокого охолодження.

Діелектрична електроніка використовує для побудови елементів функ­ціональної електроніки специфічні явища, що виникають у тонких плівках. наприклад у плівковій структурі метал — діелектрик. У цій структурі (рис. 3.28, а) приконтактна зона діелектрика збагачується електронами, які перейшли з металу. В масивних зразках діелектрика ця вузенька приконтактна зона підвищеної концентрації носіїв заряду практично не впливає на їхню провідність. Інша справа — в тонкій плівці порядку 1...10 мкм.

Тут додаткові носії заряду суттєво змінюють електропровідність діелектрика. Якщо тепер прикласти до збагаченого носіями заряду діелектрика різницю потенціалів, то через нього піде струм, значення якого залежатиме від кількості електронів, що перейшли з металу в діелектрик. Це явище дало змогу створити новий клас мікроелектронних приладів, які стали основою побудови діелектричної електроніки.

Розглянемо як приклад принцип дії найпростіших діелектричного діо­да і транзистора.

Діелектричний діод (рис. 3.28, б) — це плівкова структура типу метал — діелектрик — метал. Металеві плівки виготовляються з металів, що ма­ють різну роботу виходу електронів (наприклад, золото та індій), діелек­трична плівка — це осаджений на металі тонкий шар сульфіду кадмію СdS. Ефект однобічної провідності в діелектричному діоді створюється завдяки різниці робіт виходу з витоку В та стоку С. Тому в прямому на­прямку виникає прямий струм І_пр, який в 10⁴ разів і більше може переви­щувати зворотний струм І_зв.

У діелектричному транзисторі (рис. 3.28, в) є три електроди: витік В, стік С та затвор З. плівкові витік і стік можуть бути виготовлені з металу, або, як показано на рисунку, зі збагаченого електронами силіцію п-типу. Шар затвору з діелектрика або напівпровідника р-типу збідненої діркової провідності — високоомний. Конструкція затворного шару й електро­провідності окремих ділянок транзистора вибираються таким чином, щоб імітувати дію керувальної сітки в електровакуумному тріоді. Керувальна напруга на затворі змінює струм між витоком і стоком.

Прилади, побудовані на основі елементів діелектричної електроніки, мікромініатюрні, малоінерційні, мають низький рівень власного шуму, мало чутливі до зміни температури та радіації. Створення емісійних струмів у них не потребує витрат енергії. Тому діелектричні електронні пристрої дуже економічні.

Хемотроніка, на відміну від усіх розглянутих видів функціональної мікроелектроніки, використовує фізичні явища, що відбуваються не в твер­дому тілі, а в рідинах з іонною провідністю. Вона сформувалася на межі Досліджень з електрохімії та електроніки.

 

Рис. 3.28. Схематичне зображення приконтактної зони

діелектрика (а) і структури діелектричних діода (б) та тран­зистора (в)

Слід відразу ж обмовитись, що мала рухливість носіїв заряду (вона ц_е перевищує 5-10^-4 см²/(В с)) обмежує використання пристроїв хемотро­ніки тільки при дуже низьких частотах сигналів (1 кГц).

Рідинні системи мають багато специфічних переваг перед твердотільними. Вони працюють при напругах до 1В і струмах у кілька мікро­амперів, що забезпечує високу їхню економічність. Нелінійна частина ВАХ цих систем лежить у межах 5...50 мВ, завдяки чому досягається висо­ка чутливість побудованих на них нелінійних перетворювачів сигналу. Всі фізико-хімічні процеси при цьому відбуваються в тонкому шарі речо­вини (1...10 мкм), що забезпечує мікромініатюрне виконання всіх еле­ментів.

Серед хемотронних приладів найпоширенішими є керовані резисто­ри, точкові та площинні електрохімічні діоди і транзистори, інтегратори, каскади підсилення постійного струму, блоки пам'яті ЕОМ тощо. Спіль­ність принципу дії хемотронних приладів й електрохімічних механізмів сприйняття, перетворення та зберігання інформації в системах живих організмів (у тому числі нейронах людини) дає змогу розраховувати на створення в майбутньому на основі поєднання хемотроніки і біоелектроніки рідинних біоперетворювачів інформації — своєрідних моделей люд­ського інтелекту.

 

Рис. 3.29. Схематичне зображення мімістора

 

 

З різноманітних технічних засобів хемотроніки розглянемо конструк­цію та принцип дії мімістора (електрохімічного керованого резистора), схематичне зображення якого показано на рис. 3.29. Фізичною основою його роботи є зміна опору провідника від катодного осадження на нього металу. Можливе використання також зворотного процесу — анодного розчинення. Мімістор, в якому використовується мідний електроліт, скла­дається зі скляного герметичного корпусу 1, внутрішню порожнину якого заповнено електролітом 2(CuSО₄ +Н₂SО₄ + етанол). На дно напилено електропровідну підкладку 3 з контактними виводами 4 і 5 за межами електролітичної ванночки. Остання закривається електродом 6, що має контактний вивід 7. Зовнішній сигнал подається між електродами 5 та 7, а в схему мімістор вмикається виводами 4 і 5.

Залежно від полярності вхідного сигналу на підкладці 3 мідь з електроліту буде або гальванічно осаджуватись, або анодно розчинятись, унаслідок чого змінюється опір мідної плівки, яка утворюється на підкладці 3. Такий мімістор має діапазон зміни опору 0...10³Ом, діапазон струмів 0,05…1 мА, потужність керувального сигналу 10^-3...10^-6 Вт, об'єм 0,2...0,4 см³, масу до кількох грамів, інтервал робочих температур стано­вить від – 15 до+100°С.

Хемотронні прилади стійкі до вібрації та ударних навантажень. Усі ці якості забезпечують перспективність їх застосування в автоматиці, обчислювальній і вимірювальній техніці. Вони використовуються для побудови реле часу, лічильників імпульсів, інтегрувальних пристроїв, самоналагоджуваних систем автоматики тощо.

Акустоелектроніка – це напрям функціональної мікроелектроніки, фізичною основою якого є використання п'єзоелектричного ефекту та явиш взаємодії електричних полів з хвилями акустичних напруг у п'єзоелектричному напівпровідниковому матеріалі. Акустоелектроніка забез­печує взаємне перетворення акустичних сигналів фізичної природи на електричні сигнали і навпаки.

У радіоелектроніці вже давно застосовується прямий та зворотний п'єзоефекти. Перший полягає в тому, що механічна деформація кристала кварцу зумовлює появу на його кінцях різниці потенціалів, а другий — у тому, що під дією зовнішньої напруги в кристалі виникають механічні коливання, резонансна частота яких залежить від розмірів кристала і на­прямку коливань. При цьому коливальна система має дуже високу доб­ротність та стабільність. Це явище в дискретній радіоелектроніці давно використовується для побудови кварцових резонаторів, перетворення механічних коливань голки електрофона на електричні тощо.

Застосування п'єзоефектів у мікроелектроніці забезпечило створення якісно нових функціональних пристроїв. Одним із них є електроакустич­ні підсилювачі, які різняться залежно від типу підсилювальної хвилі — об'ємної або поверхневої.

На рис.3.30 зображено схему електроакустичного підсилювача на об’ємних хвилях. Він складається з напівпровідникового звуководу З, до кінців якого приєднано п'єзоелектричні перетворювачі П. Останні мають омічні контакти К, якими вони з одного боку приєднуються до звуководу, а з іншого — до вхідних та вихідних гнізд. Зміна напруги на вході збуджує у вхідному перетворювачі акустичну хвилю, яка поширюється у звуководі. В тому самому напрямку під дією джерела живлення по звуководу рухаються електрони, які внаслідок взаємодії з хвилею підсилюють її завдяки п’єзодефекту. Такі підсилювачі при загальному об'ємі до 1 см³ можуть за безпечити вихідну потужність

 

 

Рис.3.30. Схематичне зображення електро-

акустичного підсилювача на об’ємних хвилях

 

сигналу до кількох ватів у смузі пропускання до 300 МГц.

Однак у підсилювачах на об'ємних хви­лях значна потужність розсіюється у звуководі. Тому більш перспективним є підси­лювач на поверхневих хвилях, схематичне зображення якого показано на рис. 3.31, а. За допомогою вхідного ґратчастого п'єзоперетворювача П_гр (рис.3.31, б), напиленого на поверхню п'єзоелектричного кристала П_е, в ньому збуджується акустична хви­ля. На деякій ділянці поверхня п'єзокристала дотикається до поверхні напівпровідникової пластини, в якій завдяки джерелу живлення Е_ж ру­хаються електрони. На ділянці поверхневого контакту п’єзокристала з напівпровідниковою пластиною відбувається взаємодія акустичної хвилі та потоку електронів, що зумовлює акустичне підсилення сигналу, який потім знімається з вихідного перетворювача у вигляді підсиленої змінної напруги, причому цей перетворювач працює в режимі зворотного п'єзоефекту.

Особливість поверхневого електроакустичного підсилювача полягає в тому, що матеріали напівпровідника і п'єзоелектрика забезпечують опти­мальну ефективність використання їхніх фізичних властивостей: перший має високу рухливість електронів, другий — високі п'єзоелектричні власти­вості. Напівпровідником у таких підсилювачах найчастіше буває кремні­євий монокристал я-типу завтовшки 1мкм, вирощений на сапфірній підкладці. Довжина робочої частини електроакустичного підсилювача – приблизно 10 мм, ширина – 1,25 мм, потужність джерела живлення — 0,7 Вт.

Застосування акустоелектричних підсилювачів особливо перспектив­не в широкосмугових радіоелектронних пристроях, що працюють у діа­пазоні надвисоких частот.

Оптоелектроніка ґрунтується на електронно-оптичному принципі передавання, оброблення, зберігання і виведення інформації. Носієм ЇЇ є електрично нейтральний фотон.

Оптоелектроніка охоплює Інфрачервону, видиму й ультрафіолетову частини діапазону електромагнітних коливань когерентного та некогерентного випромінювання. Отже, поняття «оптоелектроніка» поширюється також на лазерну техніку, волоконну оптику, голографію, електронну світлову індикацію, фактично охоплюючи перетворення інформації з елек­тричної форми (електричні заряди) на оптичну (фотони) і навпаки.

Поєднання в оптоелектронних функціональних пристроях двох спосо­бів оброблення та передавання інформації забезпечує надвисоку швидкість процесу і щільність розміщення

Рис. 3.31. Схематичне зображення електроакустичного підсилювача на поверхневих хвилях (а) і будова його п'єзоперетворювача (б)

 

інформації, створення високоефективних засобів її відображення. Важливою перевагою елементів оптоелектроніки є те, що вони оптично зв'язані, але електрично ізольовані один від одно­го. Це забезпечує надійне узгодження різноманітних оптоелектронних кіл, сприяє односпрямованій передачі інформації та високій захищеності ка­налів передачі інформації від завад. Технічні пристрої оптоелектроніки (фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, фотоелектронні помножувачі, світлодіоди тощо) мають досить широке застосування в дискретній електроніці. Отже, виготовлення напівпровідникових елементів оптоелектроніки — оптронів — сумісне з інтегральною технологією і тому може входити в єдиний технологічний цикл виробництва інтегральних мікросхем.

Оптрон — це чотириполюсник, до складу якого входять фотовипромі-нювач і фотоприймач, поміщені в герметичний непрозорий корпус. У всіх оптронах фотовипромінювач є світлодіодом, а залежно від виду фото­приймача оптрони (рис. 3.32) бувають резисторні (а), діодні (б), транзис­торні (в) та тиристорні (г). В електричних колах оптрон може виконувати функції перемикача, підсилювача, узгоджувача, перетворювача, індикатора тощо.

На рис. 3.33 показано деякі найпростіші застосування оптронів. На­приклад, у техніці виникає потреба в керованих резисторах (найпрості­ший випадок — дистанційне керування коефіцієнтом підсилення радіо­електронного пристрою). Використання винесених ручних потенціометрів У професійній апаратурі іноді неможливе, особливо при значних відста­нях, тому що при будь-якому екрануванні виникають наведені струми і завади. Схема на рис. 3.33, а не має цих недоліків. Під дією вхідної напру­ги змінюються прямий струм світлодіода та яскравість його випромінювання. Відповідно змінюється опір фоторезистора і, як наслідок,

 

 

 

 

Рис.3.32. Умовні графічні позначення оптронів

Рис.3.33. Деякі найпростіші застосування оптронів

розподіл напруги джерела на фоторезисторі та вихідному резисторі.

На рис. 3.33, б зображено найпростішу схему використання діодного оптрона в ключовому (імпульсному) режимі. Напруга на виході є части­ною відносно великої напруги джерела живлення Е_ж і залежить від стру­му фотодіода. Значенням цього струму, в свою чергу, керує світловий потік світлодіода, що змінюється за законом зміни імпульсного вхідного сиг­налу. При цьому амплітуда вхідних імпульсів може бути значно меншою від напруги на виході. Розглянута схема, а також транзисторні та тирис­торні оптрони можуть використовуватись як аналоги таких поширених елементів, як імпульсні трансформатори і перемикачі.

Принцип здійснення оптичного зв'язку на оптронах ілюструє рис. 3.33, в. На передавальному кінці лінії зв'язку головним елементом є випроміню­вач світла (світлодіод або лазер), а на приймальному — фотоприймач (фотодіод або фототранзистор). Зв'язок здійснюється по спеціальному світловоду — волоконно-оптичному кабелю, який забезпечує зава­достійкість, надійність і таємність зв'язку. Такий оптичний канал зв'язку має надзвичайно широку смугу пропускання: понад 10⁶ телевізійних про­грам або понад 10¹⁰ телефонних розмов одночасно.

Аналогічні лінії зв'язку (оптичні шини) можуть застосовуватись в об­числювальній техніці для передачі великих масивів інформації. Розробля­ються нові покоління ЕОМ, в яких оптичний спосіб оброблення цифрової інформації є основним. Для таких машин розроблено оптичні елементи пам'яті, в яких використовується голографічний спосіб запису і зберігання оптичної інформації. Ємність пам'яті голографічних запам'ятовуваль­ні пристроїв досягає 10⁸ біт/с[10].

Сучасні пристрої відображення інформації в цифровій та знаковій . формах теж побудовано з застосуванням засобів оптоелектроніки. Якщо перші такі пристрої були газорозрядними й електровакуумними, то нині використовують напівпровідникові та рідкокристалічні індикатори, а також багаторозрядні люмінесцентні та плазмові монодисплеї.

Напівпровідникові знакові індикатори побудовані на світлодіодах, бувають двох типів: сегментні і матричні. їхню структуру зображено на рис.3.34.

Сегментні індикатори складаються із світлодіодів прямокутної форми. Індикатор, складений з семи світлодіодів, здатний висвітлювати всі цифри та деякі літери. Восьмий світлодіод індикатора, структуру якого показано на рис.3.34, а, висвітлює точку. Якщо індикатор має 16 світлодіодів, то він може відтворювати необмежену кількість знаків. Керування світло-діодами індикаторів здійснюється ключовими схемами з дешифраторами.

Матричні індикатори (рис. 3.34, б) складаються з 35 світлодіодів (7 х 5) і дають змогу відтворити всі цифри, літери і знаки стандартного коду обміну інформацією.

 

 

Рис.3.34. Структура сегментних (а) і матричних (б) знакових індикаторів

світлодіодах

 

У радіоелектронних пристроях, для питання економної витрати енергії джерела живлення є одним із провідних серед інших конструктив­них та експлуатаційних вимог, сегментні індикатори будують на рідких кристалах. Останні за фізичними властивостями займають проміжне положення між твердим і рідким станами речовини: вони характеризуються плинністю рідини та молекулярною впорядкованістю кристалів. Рідкі кристали складаються з ланцюжкових органічних молекул, витягнутих у лінійні структури, як

диполі. У звичайних умовах (за відсутності електрич­ного поля) орієнтація цих молекул у просторі довільна.

 

Рис. 3.35. Схематичне зображення Рис.3.36. Зовнішній вигляд

рідкокристалічного елемента рідкокристалічного індикатор

 

 

Рис. 3.37. Фрагмент ключової схеми для керування рідкокристалічним елементом

 

Робота індикатора на рідких крис­талах ґрунтується на тому, що під дією електричного поля органічні ланцюж­кові молекули рідкого кристала орієн­туються впорядковано, завдяки чому змінюється коефіцієнт заломлення рідини. Рідкий кристал, не прозорий у звичайному стані, під дією електричного поля стає прозорим. Оскіль­ки рідкі кристали самі світло не випромінюють, їх використовують ра­зом з будь-яким зовнішнім джерелом світла. Якщо цим джерелом є зовнішнє освітлення, то за цифровим сегментом розташовують дзеркальний електрод, а коли ним є підсвітлювальна лампочка, то задня стінка матово чорна.

Конструктивно елементарний рідкокристалічний елемент (рис.3.35) складається з двох скляних пластин 5, на які нанесено електроди 1 і 4. Між пластинами розташовано рідкий кристал 2, товщина якого 8...25мкм. Верхній електрод прозорий, а нижній може бути прозорим, якщо індика­тор пропускає світло, або дзеркальним, якщо він діє у відбитих проме­нях. Електроди 1 та 4 розділені між собою ізоляційним прошарком 3.

Основною експлуатаційною відмінністю індикаторів на рідких крис­талах є низька напруга живлення і надзвичайна економічність у спожи­ванні електроенергії. Один індикатор потребує потужності не більш як10^-4Вт.

Зовнішній вигляд рідкокристалічних елементів (рис.3.36) такий, як і діодних сегментних індикаторів. Керування їх роботою здійснюється за спеціальними програмами з використанням ключових схем. Приклад однієї з них показано на рис. 3.37.