Основы функциональной электроники
Введение
Современная твердотельная электроника – система средств обработки и передачи информационных потоков на основе использования электрических, оптических, магнитных или упругих свойств твердых веществ (полупроводников, диэлектриков, металлов) или комбинаций этих свойств, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники или микроэлектроники, и функциональной электроники.
Интегральная электроника или микроэлектроника (в последнее время наноэлектроника) развивается в направлении интегрирования однотипных полупроводниковых устройств – биполярных и полевых транзисторов в одной схеме, управляемой извне по заданной программе для обеспечения выполнения того или иного информационного задания.
Необходимость обеспечения обработки все большего и большего массива данных требует увеличения быстродействия таких устройств и увеличения их числа, что предопределяет миниатюризацию базовых элементов микроэлектроники интегрированных в одну схему.
Интегральная электроника использует классические методы схемотехнической электроники, теорию электрических цепей и основана на принципах технологической интеграции статических неоднородностей – потенциальных барьеров, к которым относятся легированные разными примесями полупроводниковые области активных компонентов интегральных схем (диодов, транзисторов), резисторов и конденсаторов совместно с металлическими и диэлектрическими участками кристалла.
Функциональными идеями современной микроэлектроники является микроминиатюризация и интеграция. Их пределы ограничены физико-техническими принципами сохранения работоспособности основной транзисторной структуры.
Это решается все более и более развитыми технологическими схемами изготовления таких устройств. Закон Мура – удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 24 месяца никогда не нарушался за последние 50 лет. Однако существует и второй закон Мура, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением технологии изготовления и конструкции интегральных схем. Это обстоятельство может существенно замедлить или вовсе прекратить действие первого закона задолго до того момента времени, когда физические ограничения работы традиционных транзисторных структур будут иметь место.
Традиционная схемотехническая ячейка, будь то логическая ячейка или ячейка памяти, состоит из большого числа статических неоднородностей, реализованных в конструкции рассматриваемой ячейки. Под статической неоднородностью понимается локальная область или области на поверхности или в объеме среды с отличными от ее окружения свойствами, создаваемая в результате проведения последовательности технологических операций. Свойства таких статических неоднородностей позволяют генерировать или хранить информацию, т. е. управлять ею извне действием электрических импульсов или сигналов.
Предельные показатели достижений микроэлектроники в скором времени уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует ряд задач, ждущих своего решения. Среди них – создание систем распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой данных. При этом ряд упомянутых задач принципиально не может быть решен в рамках современных микро – или нано - электронных методов обработки больших информационных массивов, в частности фон-неймановской схемы построения вычислительных систем.
Функциональная электроника – перспективное направление развития общей электронной элементной базы.
рис.1. Сравнительная характеристика временного развития микроэлектроники (график слева) и интегральной фотоники (как части функциональной электроники, график справа).
Функциональная электроника является расширением возможностей твердотельных структур для создания устройств преобразования и хранения информации, в которых используются свойства динамических неоднородностей в средах при наличии различных физических полей в объеме или на поверхности таких устройств. При интеграции на одном кристалле не только обычных элементов интегральной схемы, но и физических явлений и эффектов, увеличиваются функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. При этом используется уже не только схемотехнические решения для обработки и хранения информации, но и физические носители информационного сигнала – динамические неоднородности различной физической природы. Именно идея использования динамической неоднородности в качестве носителя информации привела к появлению альтернативного пути – функциональной электроники.
Таким образом, функциональная электроника 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.
Рис.1 показывает, что функциональная электроника, в частности наиболее быстро развивающаяся ее часть – интегральная фотоника – достаточно молодая наука. Усилия, в основном, сосредоточены на исследовании возможностей применения исследованных эффектов для внедрения в практику для их использования. Исключением является применение функциональных устройств в системах коммуникационных информационных технологий. Другим примером является развитие индустрии генерации электрической энергии на основе солнечных элементов, как специфических устройств функциональной электроники (рис.2).
рис.2. Прогноз мирового оборота (в миллиардах $) различных оптоэлектронных изделий.
Некоторая номенклатура изделий функциональной электроники показана на рис.2.
В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, особенностей континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают различные направления в функциональной электронике, например, функциональная акустоэлектроника, функциональная магнитоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, молекулярная электроника и т. п. Объединяющим 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 электроники – аналоговых или цифровых ИС – информация хранится или обрабатывается в виде заряда, потенциала или тока определенного уровня на определенной статической неоднородности.
Напротив, в ПЗС-матрицах, относящихся по своей природе к изделиям функциональной полупроводниковой электроники, информация хранится (и преобразовывается) в виде управляемых динамических неоднородностей – зарядовых пакетов, представляющих собой неравновесные плотности электронов или дырок. Статические же неоднородности и различные схемы обрамления в этих изделиях играют вспомогательную роль.
В изделиях схемотехнической электроники перенос информационного сигнала происходит последовательно, бит за битом, по линиям межсоединений, что снижает помехоустойчивость изделий. В изделиях функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан сразу, целиком, не обязательно в виде отдельных битов информации. Возможно создание устройств, позволяющих производить обработку информации в аналоговом и цифровом виде одновременно, поэтому в устройствах обработки информации на принципах функциональной электроники достигается производительность более 1015 оп/с.
рис.3. Перенос пакетов неравновесных электронов в ячейке прибора зарядовой связи.
В схемотехнической электронике с ростом степени интеграции и уменьшением топологической нормы возникает проблема «тирании межсоединений». Она связана с резким увеличением площади, занимаемой на кристалле межсоединениями (более 60%), деградацией электрических параметров линий межсоединений, ростом энергии на перезарядку линий межсоединений, влиянием погонной емкости линий и их волновое сопротивление на частотные характеристики схемы, с необходимостью многоуровневой разводки при большом числе межсоединений.
В изделиях функциональной электроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде, а не в линиях межсоединений. Они выполняют функции вспомогательных связей и проблема «тирании межсоединений» в этом случае не является ключевой. В качестве примера на рис.3 показан фрагмент элемента структуры ПЗС с диаграммами напряжений на электродах структуры при генерации и считывания пакета неравновесных носителей заряда.
Свойством приборов функциональной электроники является прямая возможность информационной обработки сигнала сложными функциональными преобразованиями, такими как непосредственное преобразование Фурье, интегральное преобразование Лапласа, операция свертки, корреляции, автокорреляции, задержка сигнала и хранения информации, в том числе в виде многобитовых носителей информации, фильтрации, комбинированной обработки информации. В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объем информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка. В то же время в изделиях функциональной электроники могут быть реализованы и традиционные элементарные функции типа И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации. Важно отметить, что обработка информации в такого типа процессорах происходит в аналоговом виде, без перевода аналогового сигнала в цифровой и обратно. При такой обработке передача информации может осуществляться без проводников или линий межсоединений.
Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной природы. Это первый элемент в предлагаемой модели. Так, акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в системах ПЗС – зарядовые пакеты электронов и дырок; в приборах магнитоэлектроники – магнитостатические волны (МСВ).
Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твердом теле. Эта среда является вторым элементом модели.
Третьим элементом является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения, расположенный в континуальной среде.
Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвертым элементом.
Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовывать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.
Научным фундаментом функциональной электроники является физика твердого тела, уравнения Максвелла, теория магнетизма и квантовая физика. Имея огромный источник физических идей, функциональная электроника бурно развивается (графены), и уже в настоящее время в ней сформировались перспективные отдельные направления – оптоэлектроника, квантовая электроника, акустоэлектроника и акусто-оптика, магнитоэлектроника и т. д. Принцип технологической интеграции дискретных базовых элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. д.) обеспечил развитие интегральной электроники – микроэлектроники, однако он же привел к ограничению пределов интеграции микросхем. Дальнейшее развитие твердотельной электроники параллельно с микроэлектроникой, переходящей в наноэлектронику, идет в направлении функциональной электроники, основанной на физической интеграции различных процессов и явлений в твердом теле.