прочитуванням, керуванням і функції міжелементних з'єднань. Проте необхідність роботи в умовах глибокого охолоджування і пов'язані з цим технологічні труднощі різко обмежують використання кріотронів. Підсилювачі, принцип дії яких заснований на використовуванні кріоелектронних явищ, служать, головним чином, для приймання слабких сигналів НВЧ. Вони мають нікчемно малий рівень шумів, широку смугу пропускання (десятки гігагерц) і високе посилення (до 10000). Шумові температури кріоелектронних підсилювачів досягають одиниць і частки одиниці кельвіна.
Діелектрична електроніка. В мікроелектроніці широко використовуються тонкі плівки металів і діелектриків. При переході до тонких плівок виникають нові явища і закономірності, що не виявляються в масивних зразках і структурах. Для плівок типова можливість створювати керовані емісійні струми, аналогічні струмам у вакуумі. При контакті неметалевого твердого тіла з металом, що має меншу роботу виходу, приконтактна область збагачує вільними носіями заряду, емітованих з металу. В масивних зразках ці вузькі приконтактні області підвищеної провідності не впливають на струмовий режим, визначуваний концентрацією вільних носіїв заряду в об'ємі тіла (volume bodies). В тонких же плівках емітовані носії заряду можуть домінувати у всьому об'ємі, визначаючи закономірності струмових явищ. З точки зору теорії розсіювання носіїв заряду будь-яке неметаліеве тверде тіло в товстому шарі (sheet) – напівпровідник, а в тонкому шарі – діелектрик.
Ефекти, пов'язані з протіканням емісійних струмів в неметалевих твердих тілах, не охоплюються ні фізикою напівпровідників, ні фізикою діелектриків. Закономірності цих явищ, а також приладові і схемні розробки на їх основі складають зміст нового розділу фізики твердого тіла і електроніки – діелектричної електроніки.
Якщо між двома металевими електродами (electrode) помістити тонку (порядку 1 – 10 мкм) діелектричну плівку, то мігруючі з металу електрони заповнять всю товщину плівки і напруга (voltage), прикладена до такої системи, створять струм (current) в діелектриці.
Простими приладами діелектричної електроніки є діоди і транзистори, що мають характеристики, аналогічні характеристикам електровакуумних приладів.
Ці прилади вдало поєднують ряд властивостей напівпровідникових і електровакумних приладів. Вони мікромініатюрні, малоінерціонні, мають низький рівень шумів, малочутливі до змін температури і радіації.
Квантова мікроелектроніка. В квантовій електроніці вивчають методи посилення і генерації електромагнітних коливань, засновані на використовуванні ефекту вимушеного випромінювання, а також властивості квантових підсилювачів, генераторів (generator) і їх використання. Найбільший практичний інтерес становлять квантові
15
генератори світла (лазери), які випромінюють світлові хвилі з дуже високою спрямованістю. Це властивість широко використовується в оптичних лініях зв'язку.
У квантовій мікроелектроніці все більше використання знаходять прилади, засновані на ефектах Гана і Джозефсона.
Ефект Гана ( effect Ghana) – це явище генерації високочастотних коливань електричного струму в напівпровіднику у разі подання до зразка постійної напруги, що перевищує деяке критичне значення. Частота коливань залежить від довжини зразка і лежить в діапазоні декількох гігагерц.
Ефект Джозефсона (effect Dzgozefsona) полягає в тому, що через тонку, порядку 2 нм, діелектричний прошарок між надпровідними шарами при низьких температурах навіть у відсутності різниці потенціалів може протікати тунельний струм, керований порівняльно слабкими зовнішніми сигналами. Значення параметрів приладів, заснованих на ефекті Джозефсона, дуже високі відносно всіх видів елементів, що запам'ятовують і логічних: швидкодія окремих приладів 20 – 30 пс, розсіювана потужність 100нВт, тобто показник якості приладу 10-18 Дж, що в 106 разів кращий, ніж в інтегральних мікросхем.
Біоелектроніка. Біоелектроніка ( bioelectronics) – один з напрямів біоніки, вирішує задачі електроніки на основі аналізу структури і життєдіяльності живих організмів. Біоелектроніка охоплює проблеми вивчення нервової системи людини і тварин і моделювання нервових клітин (нейронів і нейронних сіток) для подальшого вдосконалення електронної обчислювальної техніки, техніки зв'язку, розроблення нових елементів і пристроїв автоматики і телемеханіки.
Дослідження нервової системи (nervous system) показали, що вона має ряд цінних особливостей і переваг перед найдосконалішими обчислювальними пристроями. Основними з них є:
а) досконале і гнучке сприйняття зовнішньої інформації незалежно від форми, в якій вона поступає;
б) висока надійність, значна перевищуюча надійність технічних систем (останні виходять з ладу при обриві в ланцюзі одного або декількох елементів; при загибелі ж мільйонів нервових клітин з мільярдів клітин, що становлять головний мозок, роботоздатністьсистеми зберігається);
в) мікромініатюрність елементів (при кількості елементів 1010 –1011 об'єм мозку людини складає 1,5 дм3 ; сучасний пристрій на транзисторних структурах з таким же числом елементів зайняв би об'єм в декілька сотень кубічнихметрів);
г) економічність роботи (споживання енергії мозком людини не перевищує декількох десятків ватів);
д) високий ступінь самоорганізації (self organization), швидке пристосування до нових ситуацій, до зміни програм діяльності.
16
Нервова система складається з клітин, що одержали назву нейронів. Нейрони, де б вони не знаходилися, мають однакову структуру і зразково однакові логічні характеристики. Вони є найбільш універсальним логічним елементом. На основі нейронів будуються прості і впорядковані нейронні сітки, вказуючі на той, поки що недосяжний в техніці факт, що за допомогою єдиного елементу можна побудувати систему, здатну виконувати складні завдання, які звичайно вирішує людина.
Для технічної реалізації ряду складних нейронних сіток в першому наближенні достатній нейроноподібний елемент, що має аналогічні властивості і за своїми функціональними можливостями наближається до біологічних рецепторних і деяких видів центральних нейронів. Основним заданням при створені такого нейроноподібного елементу є реалізація залежності амплітуди (amplitude) імпульсного вихідного сигналу від сумарного імпульсного «збудження» на вході. Дослідження показали, що модель нейрона може бути виконана у вигляді двох інтегральних мікросхем на МДН-транзисторах.
У наш час ведуться великі дослідження в різних напрямах біоелектроніки. Результати досліджень показують, що використовування явищ живої природи в електроніці може привести до нової науковотехнічної революції в цій області техніки.
Негатроніка (negatron). Цей напрямок електроніки пов'язаний з теорією і практикою створення і застосування негатронів – електронних приладів, що мають у визначеному режимі негативне значення основного диференціального параметра (негативних ємності, індуктивності та опору). Зараз розроблені різні види негатронів. Тільки напівпровідникових негатронів створено більше двох десятків різновидів. Серед них найпотужніші надвисокочастотні (НВЧ) прилади – лавинопролітні діоди, надшвидкодіючі ключі на лавинних транзисторах, найпотужніші струмові напівпровідникові перемикачі на диністорах і тиристорах.
Освоєння НВЧ-діапазону дало поштовх до пошуку нових фізичних ефектів і напівпровідникових приладів, що мають негативний опір. Зусилля насамперед були спрямовані на створення напівпровідникових негатронів, що мають негативний опір на надвисоких частотах у надвисокочастотному діапазоні. Початком пошуку шляхів створення таких НВЧ-приладів було покладено статтю Шоклі, опубліковану в 1954 році. Автор викладає ідею двохелектродного приладу з негативним опором, що виникає завдяки ефекту часу прольоту. Як перший приклад він розглядає "діод із затримкою неосновних носіїв". У запропонованій ним p+-n-p чи (n+-p-n)-структурі, неосновні носії, що інжектуються із p+- n-переходу, дрейфують до іншого p-n-переходу, затримуючись при цьому на час, рівний часу прольоту. Інший прилад, запропонований Шоклі, являє собою p-n-p структуру, що використовується в режимі прокола, щоб забезпечити
17
її уніполярність. Ці дві структури надзвичайно схожі на інжекційно-
пролітні діоди (Injections polity diode), що з'явилися пізніше, (ІПД).
Утій же статті Шоклі обговорює можливість створення двохелектродного приладу, що являє собою просто однорідний напівпровідник, у якому під дією сильного електричного поля можуть спостерігатися відхилення від закону Ома, що приводять до виникнення негативного диференціального опору. Відхилення від закону Ома (law ohm) виражається в зниженні швидкості носіїв зі збільшенням напруженості поля, тобто в появі ділянки негативної диференціальної рухливості. Однак практичної реалізації ця ідея не одержала через низку теоретичних недоробок. І тільки в 1963р. Ганом були отримані перші експериментальні дані про існування пролітних коливань, пов'язаних з цією властивістю у GaAs і ІnР. А прилади, що використовують цей ефект, одержали найменування "діоди Гана" чи "прилади на ефекті об'ємного негативного опору ".
Цікавий двохелектродний прилад з негативним опором, діючий на новому принципі – тунельний діод, був відкритий у 1957 р. японським фізиком Есакі. На прямій ділянці ВАХ дуже вузького германієвого p-n- переходу (тобто переходу, створеного на сильнолегованому матеріалі) була виявлена ділянка негативного опору скінченної величини. Така характеристика виходить в результаті польової емісії (тунелювання) електронів через вузький збіднений шар. Варто помітити, що тунельний діод не виправдав надій, оскільки від нього не вдалося одержати великої вихідної потужності.
У1958 р. Рід запропонував використовувати для генерації НВЧ потужності діод з багатоскладовою n+-p-p- - структурою. У цьому приладі використовується поєднання ефектів лавинного множення, заснованого на ударній іонізації, і часу прольоту електронів. Тому прилад був названий
ІMPATT-діод (Іmpact Avalanche and Transіt Tіme). Однак запропонована ним спеціальна конструкція діода виявилася занадто складною, її вдалося втілити в життя тільки в 1964р.
В СРСР ці прилади одержали назву "лавинопролітні діоди (ЛПД)" і були відкриті А.С. Тагером і його співробітниками в 1959 р. За кордоном перше повідомлення про практичну реалізацію ЛПД було опубліковано в
1965 році.
Подальшим розвитком ЛПД є ТРАПАТТ-діод (Тrаpped Plasma Avalanche-and-Transіt Tіme, що означає "лавинопролітний діод із захопленням плазми"). Для реалізації ТРАПАТТ-режима, відкритого в 1966р. необхідна дуже складна взаємодія між приладом і НВЧ-схемою. Наприклад ТРАПАТТ – підсилювач вимагає настроювання за гармоніками
ісубгармоніками, а також використання ЛПД-режиму для запуску. Незважаючи на складність самого приладу і відповідної схеми, ТРАПАТТдіоди відіграють провідну роль у фазованих антенних ґратках (ФАГ),
18
оскільки забезпечують можливість одержання високої імпульсної потужності на НВЧ (більше 100 Вт), більшого коефіцієнта заповнення (1 - 20%), високого ККД (більше 25%) і ширини смуги пропускання в підсилювачах не менше 15%. Однак цим приладам властиві і деякі недоліки:
-процесу ударної іонізації властиві значні шуми, тому підсилювачі і генератори на їхній основі будуть також мати великі шуми;
-процес ударної іонізації вимагає більшої потужності для одержання значних електричних полів.
В 1971 р. вперше була отримана генерація у НВЧ-діапазоні за допомогою інжекційно-пролітних діодів (ІПД), теоретичні основи роботи якого були обґрунтовані ще в 1954 році Шоклі. У ряді публікацій ці діоди одержали назву "БАРИТТ-діоди" (Barrіer Іnjectіon Transіt Tіme Dіodes).
Маючи, як і ЛПД, динамічний негативний опір у діапазоні НВЧ, у них не використовується режим лавинного множення носіїв і, отже, відсутні недоліки, властиві ЛПД.
Всі вищерозглянуті діоди з негативним опором призначені для роботи в діапазоні НВЧ і здатні працювати при відносно невеликих значеннях потужності сигналу і робочих струмах.
Загальним істотним недоліком усіх вищерозглянутих напівпровідникових негатронів є залежність їхнього негативного опору від фізичних властивостей напівпровідникових кристалів і фізичних процесів
уних. А прагнення реалізувати 100% внутрішній позитивний зворотний зв'язок всередині кристала накладає тверді вимоги до технології виготовлення таких негатронів, створює труднощі у виробництві ідентичних приладів і подальшому їхньому застосуванні. Ці недоліки при створенні транзисторних негатронів були частково усунені шляхом реалізації комбінованого 100% позитивного зворотного зв'язку: частково внутрішнього, за рахунок тимчасової затримки неосновних носіїв у базі транзистора; частково, за рахунок введення ланцюга зовнішнього зворотного зв'язку. Початком цього напрямку, очевидно, варто вважати 1956 р., коли Ямагучі (J. Jamaguchі) досліджував негатрон на транзисторі з загальним колектором і індуктивним ланцюгом зворотного зв'язку між базою і колектором. В подальшому були досліджені різні модифікації такого негатрона, що одержав назву "індуктивний транзистор", тому що він виявився перспективним як напівпровідниковий аналог індуктивності. Слід зазначити успішне застосування цього негатрона в різних аналогових НВЧ-пристроях (активних фільтрах (active filter), генераторах,
перетворювачах частоти (frequency converter), мультиплексорах,
активних антенах та ін.).
Іншим напрямком негатроніки, спрямованим на подолання недоліків однокристальних напівпровідникових негатронів, є створення аналогів негатронів на базі різних схемотехнічних комбінацій активних приладів. Їх
19