время ещё нет производства молекулярных микросхем (биочипов), хотя публикации по этому вопросу появились в начале 80-х годов. Перспективы молекулярной электроники очень интересны – от сверхминиатюрных молекулярных микросхем с плотностью установки до 1015 элементов в 1 мм3 и минимальным, близким к теоретически возможному потреблением энергии до систем искусственного интеллекта. В настоящее время можно указать следующие основные направления развития молекулярной электроники:

∙конструирование молекул и молекулярных ансамблей, способных хранить, передавать и обрабатывать информацию;

∙разработка новой схемотехники на молекулярном уровне;

∙создание технологии производства биоэлектронных систем.

Это направление развития электроники содержит ещё много проблем. Отметим некоторые из них. Во-первых, это соединение и коммутация молекулярных элементов между собой и с внешними устройствами. Во- вторых - подбор молекул с несколькими устойчивыми состояниями, надёжно управляемыми внешним воздействием, например, оптическим. В-третьих – это долговечность биоэлектронных систем. Исследования, ведущиеся в настоящее время в этой области, показывают, что использование явлений живой природы может привести к новой научно-технической революции в электронике.

24.8. Приборы с зарядовой связью

Информация в приборах с зарядовой связью (ПЗС или CCD – charge coupled device) представляется в виде пакетов неосновных носителей заряда,

которые могут кратковременно храниться в потенциальных ямах и передвигаться по информационному каналу вдоль границы полупроводник- диэлектрик под действием внешних импульсов. Основные области применения ПЗС:

∙полупроводниковые запоминающие устройства на кристаллах с матричной организацией и внутренними схемами управления;

∙устройства формирования сигналов изображения. Создание

преобразователей оптического изображения последовательности электрических видеоимпульсов явилось важнейшим событием в телевизионной технике;

∙обработка радиотехнических сигналов в радиоэлектронной аппаратуре.

ПЗС формируются на основе отдельных ячеек, представляющих собой конденсатор МДП-структуры. При подаче напряжения на затворы таких

ячеек выше напряжения отсечки прилегающая к затворам часть канала обедняется основными носителями и является потенциальной ямой для неосновных носителей. Если приложить к соседним затворам еще большее напряжение, под ними образуются более глубокие потенциальные ямы, в которые перетекают неосновные носители заряда.

458

Базовым элементом всех устройств ПЗС является сдвигающий регистр, в

котором ввод и вывод информации осуществляются с помощью n-р переходов. Рассмотрим принцип действия ПЗС на примере последовательности МДП структур с общим каналом (рис. 24.7).

Рис. 24.7. ПЗС в режиме хранения заряда в ячейках 1

В течение первого такта на электроды 1 подается напряжение U1 = Uотс, а все остальные электроды заземляются. Под электродами 1, если на ячейки падают световые потоки, могут генерироваться неосновные носители,

которые накапливаются в потенциальных ямах и хранятся в течение времени действия напряжения U1. Этот режим работы называется режимом хранения зарядов.

а) б)

Рис. 24.8. ПЗС в режиме переноса (а) и хранения заряда в ячейках 2 (б)

Во время второго такта работы на электроды 2 подается положительное напряжение U2, которое по модулю больше первого в 1,5–2 раза. При этом

образовавшиеся заряды под первыми электродами перемещаются под действием возникающего электрического поля под электроды 2 – это режим переноса зарядов. В третьем такте работы электроды 1 и 3 заземляются, а на электроды 2 подается напряжение U2 = Uотс. В этом режиме происходит хранение зарядов под электродами 2. Вывод информации может осуществляться изменением выходного тока в режиме переноса заряда. При

подаче на цепочки МДП структур тактовых импульсов можно производить считывание зарядов, т.е. осуществлять внутреннее сканирование.

ПЗС бывают двух типов: линейно-строчные и матричные. Первые

применяются в основном для передачи неподвижных изображений в таких аппаратах как различные следящие системы, построчные сканеры

459

изображений. Последние нашли широкое применение в цифровой фото- и видеоаппаратуре. Изображение, проецируемое на матрицу, обеспечивает накопление в каждой ячейке заряда, пропорционального освещенности. По сравнению с другими способами преобразования и передачи изображения, например с передающими ЭЛТ, ПЗС обладают большей чувствительностью к свету, отстутствием геометрических искажений и большей разрешающей способностью.

24.9. Диэлектрическя электроника

Если между двумя металлическими электродами поместить тонкую (1 мкм) диэлектрическую плёнку, то электроны, эмитируемые металлом, могут заполнить всю её толщину, и напряжение, приложенное извне, создаст ток в диэлектрике.

Диэлектрическая электроника изучает протекание токов, ограниченных объёмным зарядом, в диэлектриках при эмиссии электронов из металла (термоэмиссия, туннельный эффект и т.д.). Приборы диэлектрической

электроники удачно сочетают свойства полупроводниковых и вакуумных приборов, но лишены многих их недостатков. Они микроминиатюрны, малоинерционны, имеют хорошие частотные характеристики и низкий уровень шумов, малочувствительны к изменению температуры и радиации.

24.10.Приборы на основе аморфных материалов

Внастоящее время наиболее широкое использование аморфные материалы находят в солнечных элементах. Кроме того, перспективной является специфика электропроводности аморфных материалов, в которых

могут быть реализованы участки с резко изменяющимся или отрицательным дифференциальным сопротивлением, с двумя управляемыми состояниями электропроводности или двумя состояниями переключения и др.

Эти свойства аморфных материалов позволяют построить пороговые переключатели, ячейки памяти, перестраиваемые ключи памяти, работающие

вшироком интервале температур (от -180 до +180 °С).

Контрольные вопросы

1.Назовите основные разделы функциональной электроники.

2.Что такое пьезоэффект, в каких приборах он используется?

3.Какой принцип действия лежит в основе работы акустоэлектрического усилителя?

4.Укажите основные направления развития магнитоэлектроники.

5.Каким образом производится регистрация изображения в приборах с зарядовой связью?

460