Рассмотрим некоторые примеры реализации функциональных устройств, в основу которых положены существенно различные физические явления.

Память ПЗС и ЦМД. Активной средой в ПЗС служит полупроводниковая пластина с системой электродов на ней (см. 3.4), под каждый из которых может быть введен объемный заряд, образованный сгустками носителей. Приложение электрических потенциалов, изменяющихся во времени в определенной последовательности, заставляет перемещать такие зарядовые пакеты. Наличие или отсутствие заряда означает 1 или 0 в системе записи информации.

Отметим, что устройства памяти, выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовых пакетов в качестве динамической неоднородности - носителей информации, обладают значительными возможностями для повышения плотности их упаковки и повышения доли выхода годных. Они, например, занимают на 60—70% меньшую площадь, чем однотранзисторные МДП-элементы. Схемы, выполненные на ПЗС-структурах, требуют меньшего количества обслуживающих схем, чем МДП ЗУ.

Создание приборов на ЦМД, как направление функциональной электроники, основано на непосредственном использовании доменной структуры ферромагнетиков. Фактически доменные устройства представляют собой однородную активную среду, в которой носителями информации являются цилиндрические (или плоские) магнитные домены, а ее переработка и хранение осуществ­ляются за счет перемещения и взаимодействия этих доменов (см. 2.4).

ЦМД обладают важным комплексом свойств: их можно контролируемо создавать и уничтожать, осуществляя ввод и вывод информации, а перемещая с высокой скоростью, производить сдвиг информации. Именно способность ЦМД к перемещению, а также к устойчивому сохранению размера, формы и положения в среде является основной предпосылкой к технической реализации ЗУ. Малые размеры доменов и большая их подвижность дают возможность создавать на их основе устройства большой функциональной гибкости с исключительно высоки­ми параметрами. При этом функции логики, запоминания и коммутации реализуются без нарушения однородности структуры материала носителя.

Память на поверхностных акустических волнах. Направление функциональной электроники, которое охватывает устройства и приборы, использующие явления возбуждения, распространения и взаимодействия акустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках, получило название акустоэлектроники.

В устройствах акустоэлектроники используются звуковые волны высокой частоты (1 МГц—10 ГГц), как объемные, так и поверхностные. Преимущества поверхностных акустических волн (ПАВ)—малые потери на преобразование при их возбуждении и приеме, доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств. Именно эти преимущества и обусловили то, что большинство устройств выполняется на ПАВ.

ПАВ представляет собой волну механической деформации (упругую волну), распространяющуюся вдоль поверхности твердого тела или вдоль границы раздела твердого тела с другими средами. Благодаря сравнительно низкой скорости распространения волны возможно на ограниченном по длине пространстве ее распространения обеспечить существенную задержку сигнала во времени или осуществить динамическую запись информации значительного объема.

Особый класс нелинейных акустоэлектронных устройств составляют устройства, основанные на принципе запоминания и хранения сигнальной информации. В качестве носителей информации используется заряд объемных или поверхностных ловушек в полупроводниках, создание и запоминание зарядовых пакетов с помощью электронного пучка. Операции записи и считывания осуществляются с помощью ПАВ. Время хранения информации зависит от конкретного механизма запоминания и достигает нескольких недель.

Устройства на основе спиновых волн. Устройства обработки информации на ПАВ, работающие в диапазоне 10—1500 МГц, отличаются рядом достоинств: малыми размерами и незначительной массой, возможностью синтеза задан­ных характеристик, удобством сопряжения с интегральными схемами и др.

Однако для обработки информации этими устройствами в диапазоне частот выше 1 ГГц требуется понижение частоты, что приводит к дополнительному искажению сигнала и усложнению конструкции системы.

Переход к частотам 1—20 ГГц осуществляется в устройствах на спиновых волнах, которые представляют собой волновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственных за ферромагнитные свойства вещества. Обусловлены спиновые волны обменным взаимодействием, благодаря которому изменение магнитного момента одного атома передается соседнему, и т. д. Возбуждение спиновых волн обычно осуществляется в тонких пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферромагнитной подложке. Пленка находится в статическом магнитном поле, приводящем ве­щество в состояние магнитного насыщения, благодаря чему обеспечивается исходная ориентация спинов.

Линии задержки на спиновых волнах характеризуются малыми потерями, возможностью осуществить несколько выводов информации.

Функционально ПАВ и спиновые волны равноценны, но последние могут быть использованы на более высоких частотах.

Большими функциональными возможностями обладают устройства, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Действие этих устройств основано на использовании метода спинового эха—импульсного метода наблюдения ЯМР.

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ

Для всех наиболее важных элементов традиционной электроники имеются сегодня сверхпроводящие аналоги. Поэтому можно думать, что практически любое электронное оборудование может быть сконструировано на основе сверхпроводящих интегральных схем.

Не ставя перед собой задачи сколько-нибудь подробного рассмотрения этой новой захватывающей области электроники, остановимся кратко лишь на описании физических принципов работы некоторых устройств хранения и обработки информации на сверхпроводниках.

Криотронные переключатели и элементы памяти

Принципиальная возможность использования сверхпроводимости для создания переключающих элементов известна довольно давно. Еще в середине пятидесятых годов был создан сверхпроводящий прибор — криотрон, в котором используется возможность управления состоянием сверхпроводимости с помощью магнитного поля.

Как известно, явление сверхпроводимости состоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении их до некоторой критической температуры, присущей данному материалу, становится равным нулю. Это состояние может быть разрушено не только повышением температуры выше Тк, но и внеш­ним магнитным полем Нц или самим протекающим по сверхпроводнику током, если он превышает некоторое критическое значение.

До последнего времени все известные сверхпроводники переходили в состояние сверхпроводимости при чрезвычайно низких температурах—как правило, от 1 до 20 К, т. е. вблизи абсолютного нуля. Эти сверхпроводники приходилось охлаждать жидким гелием. Прорыв в область “азотных” температур состоялся совсем недавно, в начале 1987 г. Был обнаружен новый класс материалов (керамики на основе редких металлов, меди и кислорода), температура перехода в сверхпроводящее состояние которых 100 К и выше.