24.4. Магнитоэлектроника

Магнитоэлектроника включает большую группу приборов, работа которых основана на явлениях электромагнетизма и магнитной индукции.

Магнитные элементы с гистерезисными свойствами широко используются при конструировании жестких дисков ЭВМ – устройств для запоминания информации, выраженной в цифровой двоичной системе.

В качестве динамических неоднородностей возможно использование цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), представляющих собой изолированные, однородно намагниченные подвижные области в ферро- или ферримагнетиках. ЦМД имеют форму круговых цилиндров и направление намагниченности, противоположное направлению намагниченности магнетика.

ЦМД возникают при определенных условиях в тонких монокристаллических, предварительно намагниченных пленках ферритов, обладающих сильной одноосной перпендикулярной анизотропией. Феррит имеет формулу: MeO·Fe2O3 , где Ме – двухвалентный металл, например: Mg, Ni, Ca, Cu, Zn. Размеры ЦМД составляют 1 – 5 мкм.

ЦМД как носитель информационного сигнала обладает следующими уникальными свойствами:

∙неограниченно долго сохраняется в системе до, во время, и после взаимодействия;

∙свободно перемещается в двух измерениях;

∙сохраняется при отключении питания;

∙управляемо зарождается или разрушается;

∙визуально и электрически регистрируется;

∙дипольно взаимодействует с другими соответствующими ЦМД.

На основе ЦМД могут быть построены устройства памяти, позволяющие получить высокую плотность записи информации, малую потребляемую мощность, высокое быстродействие (~10-7с), низкую стоимость. Плотность записи информации в таких системах составляет 104 – 105 бит/мм, а скорость записи – 106 бит/с.

Принцип действия и конструкция различных полупроводниковых датчиков магнитного поля подробно были рассмотрены в III части данного пособия.

24.5. Криоэлектроника

Криогенная электроника рассматривает электронные процессы в твёрдых телах при низких температурах, когда проявляется явление сверхпроводимости. Простейшим прибором такого типа является криотрон – криогенный переключающий прибор, перевод которого из сверхпроводящего в обычное состояние осуществляется магнитным полем. Существуют конструкции плёночных криотронов, имеющих управляемую и управляющие

454

плёнки, разделённые слоем диэлектрика и применяемые в качестве скоростных переключающих устройств.

Особый интерес представляют активные элементы сверхпроводниковой криогенной микроэлектроники, основанные на эффекте Джозефсона: туннельные и мостиковые контакты или переходы. Свойства их были предсказаны в теоретической работе Брайна Джозефсона в 1962 году, где

была показана возможность протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика (1–2 нм), разделяющего два сверхпроводника. Данный эффект получил название эффекта Джозефсона.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона:

1.В первом случае при токах, меньших критического значения, падение напряжения на контакте отсутствует, через контакт протекает сверхпроводящий ток.

2.В случае нестационарного эффекта при больших токах на контакте возникает падение напряжения, и контакт является источником

электромагнитного излучения.

Рассмотрим подробнее явления, протекающие на границе джозефсоновского контакта. Через тонкий канал сверхпроводника и нормального металла (несверхпроводящего), а также через контакт двух сверхпроводников может протекать ток, обусловленный обычным туннелированием электронов. На рис. 24.5 показаны различные варианты энергетических диаграмм таких контактов при Т = 0.

Рис. 24.5. Энергетические диаграммы и вольт-амперные характеристики контактов: а — нормального металла и сверхпроводника; б — двух

одинаковых сверхпроводников

В отсутствие внешнего напряжения уровень Ферми во всей системе одинаков. При приложении внешнего напряжения U уровень Ферми в одной части (в данном случае левой) поднимается относительно другой на

455

величину qU. Туннелирование начинается при таких напряжениях, когда занятые уровни с одной стороны (ниже уровня Ферми) поднимаются до незаполненных уровней с другой стороны (потолок щели). В контакте

нормального металла и сверхпроводника рост туннельного тока начинается при qU> . В контакте из двух одинаковых сверхпроводников это происходит при qU>2 . Через контакт двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика, кроме обычного туннельного тока электронов (одночастичного) Iт может протекать ток Iс, обусловленный туннелированием

связанных пар с поверхности Ферми одного сверхпроводника на поверхность Ферми другого.

Если включить рассмотренную структуру в цепь, то через нее будет протекать суммарный ток:

При U = 0 через контакт протекает сверхпроводящий ток куперовских пар. При U, неравном нулю, появляется туннельный ток несвязанных электронов, одновременно продолжается туннелирование куперовских пар.

Однако поскольку электронные пары переходят с уровня Ферми одного сверхпроводника (где он выше) на уровень Ферми другого, а разность между энергетическим положением этих уровней в любом контакте равна qU, то туннелирование пары происходит с изменением ее энергии на 2qU. Эта энергия излучается в виде электромагнитной волны с частотой:

С такой же частотой IС осциллирует во времени, так что в среднем IС = 0. Вольт-амперную характеристику джозефсоновского перехода из одинаковых сверхпроводников можно представить в виде, показанном на

рис. 24.6.

Рис. 24.6. Вольт-амперная характеристика джозефсоновского туннельного

перехода

При увеличении тока через переход (в цепи режим генератора тока) ток растет до Imax по характеристике туннелирования куперовских пар (U = 0). Дальнейшее увеличение тока приводит к скачку рабочей точки на ветвь IТ одночастичного туннелирования, т.е. имеется гистерезис.

456

Таким образом, главное свойство джозефсоновских приборов заключается в наличии сильно нелинейных участков на их воль-тамперной характеристике при напряжении на контакте 1–2 мВ. Поскольку потребляемая прибором мощность равна P = U2/R, то необходимая для работы сверхпроводникового прибора энергия будет в 106 меньше, чем в случае полупроводникового транзистора, в котором нелинейность характеристик наблюдается только в диапазоне напряжений 1–2 В.

Малое время переключения (10–11 с) и ничтожное потребление энергии (10–18 Дж на переключение) элементов на эффекте Джозефсона позволяют использовать их в сверхбыстродействующих ЭВМ. Практическому использованию таких приборов мешают в основном трудности, связанные с

получением воспроизводимых и надёжных приборов со столь малой толщиной плёночных слоёв.

Широкие перспективы перед криогенной электроникой открывает явление высокотемпературной сверхпроводимости, активно изучаемое в настоящее время. В физических лабораториях уже разработано множество

джозефсоновских элементов и устройств для применения в качестве не только логических элементов и ячеек памяти, но и генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, а также высокочувствительных датчиков магнитного поля, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д. Подобные датчики при

регистрации малых сигналов имеют чувствительность вблизи фундаментального квантового предела, т.е. в тысячи, десятки тысяч раз выше, чем у традиционных полупроводниковых устройств. Это позволяет

использовать их в бесконтактной медицинской диагностике (магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы).

24.6. Хемотроника

Хемотронные приборы основаны на закономерностях движения ионов в растворах электролитов и имеют ряд положительных качеств, таких как возможность внутренней перестройки, многофункциональность, высокая устойчивость и надежность, работа при очень низких напряжениях (5– 50 мВ).

Из-за малой подвижности ионов хемотронные приборы работают только при низких частотах. Конкретными примерами хемотронных приборов являются датчики (преобразователи) давления и ускорения, конденсаторы с очень высокой емкостью (с низким рабочим напряжением), электрохимические индикаторы, в которых цвет электролита меняется в зависимости от внешнего напряжения.

24.7. Молекулярная и биоэлектроника

Основное направление молекулярной электроники – использование больших молекул в качестве элементов электронных схем. В настоящее

457