Материал: UnEncrypted

дають можливість здійснити комплексну мікромініатюризацію всіх компонентів електронної апаратури.

Окрім інтегральних мікросхем мікроелектроніка охоплює область функціональної електроніки. При створенні функціональних приладів, мікросхем, вузлів і блоків електронної апаратури використовують явища в твердих тілах, пов'язані з механічними, тепловими випромінювальними і магнітними ефектами, а також явища в рідких тілах, пов'язані з електрохімічними процесами. При цьому відповідному матеріалу додають властивості, необхідні для виконання даної функції, а проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електронної схеми опускають. Функціональні прилади (device), блоки (block), мікросхеми і елементи можуть виготовлятися не тільки на основі напівпровідників, але і на основі таких матеріалів, як надпровідники та сегнетоелектрики.

1.3 Нові напрямки розвитку мікроелектроніки

Розвиток сучасної мікроелектроніки характеризується розробленням великого числа типів інтегральних мікросхем, в першу чергу створенням великих і надвеликих інтегральних схем і мікропроцесорів, а також систем на одному кристалі. При цьому продовжуватиметься масовий випуск інтегральних мікросхем середнього рівня інтеграції для всіх видів радіоелектронної апаратури. Найбільш широко випускаються напівпровідникові ІМС. Гібридні ІМС і мікроскладення знаходять все більше застосування в аналоговій радіоелектронній апаратурі (apparatus) і апаратурі побутового призначення.

Характерним для всіх типів ІМС є зростання ступеня інтеграції. Напівпровідникові ІМС мають ряд принципових обмежень: граничне мінімальне значення потужності, здатної забезпечити функціонування приладу при 300°С, складає 1 мкВт, граничне значення показника якості (час спрацьовування на потужність вмикання приладу) – 10-14 Дж, що визначає обмеження щодо щільності упакування приладів і їх швидкодії. Нові напрямки розвитку мікроелектронікипоказані на рис. 1.1.

Функціональна мікроелектроніка. В основі створення ІМС лежить принцип елементної (технологічної) інтеграції, мікромініатюрізації елементів (активних і пасивних) мікросхеми. В ІМС можна виділити області, що є активними (діоди, транзистори) і пасивними (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) елементами. В інтегральній мікроелектроніці зберігається основний принцип дискретної електроніки, заснованої на розробленні електричної схеми за законами теорії ланцюгів. Цей принцип неминуче пов'язаний із зростанням числа елементів мікросхеми і міжелементних з'єднань у міру ускладнення виконуваних нею функцій.

10

Функціональна мікроелектроніка пропонує принципово новий підхід, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, грунтуючись безпосередньо на фізичних явищах в твердому тілі. В цьому випадку локальному об'єму твердого тіла додаються такі властивості, які потрібні для виконання даної функції, і проміжний етап подання бажаної функції у вигляді еквівалентної електричної схеми відпадає. Функціональні мікросхеми можуть виконуватися на основі не тільки напівпровідників, але і таких матеріалів, як надпровідники, сегнетоелектрики, матеріали з фотопровідними властивостями і ін. Для перероблення інформації можна використовувати явища, не пов'язані з електропровідністю (наприклад, оптичні і магнітні явища в діелектриках, закономірності росповсюдження ультразвуку і т.д.)

Електроніка

Рисунок 1.1 – Основні напрями розвитку мікроелектроніки

Оптоелектроніка. Оптоелектронний прилад (optoelectronic device) –

пристрій, в якому при обробленні інформації відбувається перетворення електричних сигналів в оптичні і назад.

У оптоелектроніці звичайно використовується діапазон довжин хвиль 0,2 мкм – 0,2 мм. Як джерело випромінювання використовують світлові діоди на арсеніді галію як фотоприймачі (photo receiver) –

кремнієві фотодіоди (photo diode) і фототранзистори (photo resistor).

11

Істотна особливість оптоелектронних пристроїв полягає в тому, що елементи в них оптично зв'язані, але електрично ізольовані один від одного. Завдяки цьому легко забезпечується узгодження високовольтних і низьковольтних, а також високочастотних ланцюгів. Крім того, оптоелектроним пристроям властиві і інші властивості: можливість просторової модуляції світлових пучків (light beam), що в поєднанні із змінами в часі дає три ступені свободи (в чисто електронних ланцюгах – дві); можливість значних розгалужень і перетину світлових пучків у відсутності гальванічного зв'язку між каналами; велике функціональне навантаження світлових пучків зважаючи на можливість зміни багатьох їх параметрів (амплітуди, напрямів, частоти фази, поляризації).

Оптоелектроніка охоплює два незалежні напрями: оптичне і електронно-оптичне. Оптичний напрям базується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. Воно опирається на

голографію (holography), фотохімію ( photochemistry), електрооптику і інші напрями розвитку. Оптичний напрям іноді називають лазерним (laser).

Електронно-оптичний напрям використовує принцип фотоелектричного перетворення, реалізовуваного в твердому тілі за допомогою внутрішнього фотоефекту з одного боку, і електролюмінесценції – з іншого. В основі цього напряму лежить заміна гальванічних і магнітних зв'язків в традиційних електронних ланцюгах оптичними. Це дозволяє підвищити щільність інформації в каналі зв'язку, його швидкодію, перешкодозахист.

Для мікроелектроніки становить інтерес в основному електроннооптичний напрям, який дозволяє вирішити головну проблему інтегральної мікроелектроніки – істотно зменшити паразитні зв'язки між елементами як усередині однієї ІМС, так і між мікросхемами. На оптоелектронному принципі можуть бути створені безвакуумні аналоги електронних пристроїв і систем: дискретні і аналогові перетворювачі електричних сигналів (підсилювачі, генератори, ключові елементи, елементи пам'яті, логічні схеми, лінії затримки і ін.); перетворювачі оптичних сигналів – твердотільні аналоги електронно-оптичних перетворювачів, відиконів, електронно-променевих перетворювачів (підсилювачі світла і зображення, плоскі передавальні і відтворювальні екрани); пристрої відображення інформації (індикаторні екрани, цифрові табло і інші пристрої картинної логіки).

Магнетоелектроніка. Магнетоелектроніка – напрям функціональної мікроелектроніки, пов'язаний з появою нових магнітних матеріалів, що мають малу намагніченість насичення і з розробленням технологічних методів отримання тонких магнітних плівок. На перемагнічування тонкоплівкового елементу, товщина якого звичайно не перевищує товщини одного домена, потрібна енергія в 10-20 разів менша і час в 10-30 разів менший, ніж на перемагнічування феритового сердечника.

12

Найбільший інтерес становить використовування тонкоплівкових металевих магнітних матеріалів (magnetic materail) в мікроелектронних запам’ятовуючих пристроях (ЗП), де як елемент пам'яті застосовуються тонкі магнітні плівки. Ці плівки дозволяють створювати надійні швидкодійні ЗП з малою потужністю управління. Вельми перспективні пристрої пам'яті на циліндрових магнітних доменах. Щільність (density) запису таких пристроїв досягає 105 біт/см2 при швидкості оброблення

інформації – 3·10 6 біт/с. Перевага цих пристроїв полягає також в тому, що магнітні домени можуть скласти систему ідентичних елементів, що реалізовують функції логіки, пам'яті і комутації без порушення однорідності структури матеріалу носія інформації. Отже, кристал на магнітних доменах є обчислювальним середовищем, на поверхні якого за допомогою системи зовнішніх аплікацій можна розміщувати схеми, що реалізовують різні комбінації логічних і перемикальних функцій і функцій пам'яті.

На тонких магнітних плівках можуть бути виконані не тільки елементи пам'яті (elements memory) ЕОМ, але також логічні мікросхеми, магнітні підсилювачі (amplifier) і інші прилади.

Широкі перспективи побудови різних функціональних пристроїв відкривають нові матеріали – магнітні напівпровідники. До них відносять магнетики, яким не властива металева природа електропровідності і з'єднання магнітних і немагнітних елементів. В наш час відомі такі магнітні напівпровідники, як халькогеніди європія, халькогенідні шпінелі хрому, сильнолеговані ферити (наприклад, залізоітрієвий гранат, легований кремнієм) і т. д.

Акустоелектроніка. Акустоелектроніка (acoustic electronics) –

напрям функціональної мікроелектроніки, зв'язаний з використанням механічних резонансних ефектів, п'єзоелектричного ефекту, а також ефекту, заснованого на взаємодії електричних полів з хвилями акустичних напруг в п'єзоелектричному (piezoelectricity) напівпровідниковому матеріалі. Акустоелектроніка займається перетворенням акустичних сигналів в електричні і електричних сигналів в акустичні.

П'єзоелектричні перетворювачі використовують для збудженя за допомогою електричних сигналів акустичних хвиль в ультразвукових лініях затримки і зворотного перетворення їх в електричний сигнал.

Новим етапом в розвитку акустоелектроніки є використовування поверхневих акустичних хвиль. Поверхневі хвилі мають всі властивості об'ємних хвиль, доступні для дії на всьому шляху, їх розповсюдження уздовж лінії, а технологія виготовлення ультразвукових (ultrasound) ліній з поверхневими хвилями сумісна з технологією виготовлення інтегральних мікросхем.

Хемотроніка. Хемотроніка (hemothronick) як новий науковий напрям виник на стику двох напрямів, що розвиваються: електрохімії і

13

електроніки. На першому етапі свого розвитку хемотроніка як технічна галузь була покликана розробляти загальні теоретичні і технологічні принципи побудови електрохімічних перетворювачів. При цьому створювалися в основному аналоги електронних приладів з тією різницею, що носіями заряду були не електрони у вакуумі, газі або твердому тілі, а іони в розчині. Так були створені електрохімічні випрямлячі (rectifier), інтегратори (integrator), підсилювачі. Рухливість іонів в розчині набагато менша, ніж рухливість електронів в газі або твердому тілі, тому електрохімічні прилади є низькочастотними за своєю фізичною природою, проте, вони мають і ряд переваг перед електронними приладами.

Перспектива розвитку хемотроніки – це створення інформаційних систем і систем керування на рідинній основі, а в майбутньому – біоперетворювачів інформації. Для подальшого успішного розвитку хемотроніки потрібні фундаментальні дослідження не тільки фізики рідини, але також складних фізико-хімічних і електрохімічних процесів, що протікають в рідинах і на межі рідких фаз.

У наш час на основі електрохімічних явищ створений ряд хемотронних приладів: діоди-випрямлячі, інтегратори, підсилювачі, електрокінетичні перетворювачі, твердофазні електрохімічні перетворювачі і ін.

Кріоелектроніка. Кріоелектроніка (cryogens electronics) – напрям електроніки і мікроелектроніки охоплюючий дослідження взаємодії електромагнітного поля з електронами в твердих тілах при кріогенних температурах і створення електронних приладів на їх основі. До кріогенних температур відносять температури, при яких наступає глибоке охолоджування, тобто температури від 80 до 0К. В кріоелектронних приладах використовуються різні явища: надпровідність металів і сплавів, залежність діелектричної проникності деяких діелектриків від напруженості електричного поля, поява у металів при температурі нижче 80 К напівпровідникових властивостей при аномально високій рухливості носіїв заряду і ін. Принципи кріоелектроніки використовують для побудови ряду приладів (кріотрони, квантові і параметричні підсилювачі, резонатори, фільтри, лінії затримки і ін.). Найпоширенішим з цих приладів є кріотрон, що є перемикальним кріогенним елементом, заснованим на властивості надпровідників стрибком змінювати свою провідність під впливом критичного магнітного поля. Дія кріотрона аналогічно роботі ключа (key) або реле (relay). Кріотрон може знаходитися тільки в одному з двох станів: або в надпровідному, або з малою провідністю.

Час переходу кріотрона з одного стану в інший складає декілька часток мікросекунди, тобто цей прилад має високу швидкодію. Кріотрони мікромініатюрні: на 1 см2 площі може бути розміщено до декількох тисяч кріотронів. На основі кріотронів можна створити кріотронові ВІС, виконуючі логічні функції, функції запам'ятовування з неруйнуючим

14