Джозефсоновские туннельные контакты

Активными элементами сверхпроводниковой микроэлектроники являются так называемые джозефсоновские приборы: туннельные и мастиковые контакты или переходы. Свойства их были предсказаны в теоретической работе Джозефсона еще в 1962 г. С тех пор был выполнен большой объем экспериментальных исследований, в том числе по отработке технологии изготовления джозефсоновских приборов, однако решающего успеха, который бы поставил сверхпроводниковую микроэлектронику на один уровень с полупроводниковой (кремниевой), до последнего времени добиться не удалось.

Существует два основных типа джозефсоновских контактов — типа сэндвич и типа мостик (рис. 8. а, б). Классический джо-зефсоновский контакт представляет собой туннельный переход с толщиной диэлектрического слоя менее 5 нм, разделяющего два сверхпроводника. В такой структуре ток может протекать через переход даже при нулевом напряжении на нем за счет квантово-механического туннельного эффекта, хотя в классической физике диэлектрик не может проводить ток.

Открытие Джозефсона состояло в том, что он предсказал возможность туннелирования сверхпроводящего тока через диэлектрический барьер.

Рис 8 а - типа сэндвич; б - типа мостик

При больших токах или при действии на контакт хотя бы слабого магнитного поля на переходе возникает разность потенциалов, что означает появление у перехода определенного сопротивления. На этом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны.

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ МАШИННОЙ ПАМЯТИ

(Заключение)

В настоящее время существу­ет очень много всевозможных технических средств записи и хранения информации, причем их число уже настолько велико, что сказать о каждом не представляется возможным. ЗУ, удовлетворяющее современным требованиям, может быть реализовано при использовании различных физических эффектов. В рассмотренных примерах это были эффекты магнетизма, физики полупроводников, оптики.

Возможность использования электронных лучей для записи и считывания информации всегда привлекала внимание разработчиков ЗУ. Такие свойства электронных потоков, как относительная простота управления траекториями движения электронов (вследствие наличия у них заряда), малая длина волны де Бройля и возможность получения высокой плотности энергии, обусловли­вают перспективность их применения в ЗУ. Поэтому переход к использованию электронных лучей в накопителях при увеличении плотности записи информации представляется закономерным.

Принципы электронно-лучевой памяти. Электронно-лучевые накопители информации достаточно конкурентоспособны при условии хранения больших массивов информации более 107—109 бит. Для накопления больших массивов информации в электронно-лучевых ЗУ необходимо разрабатывать специальные электронно-оптические системы, совершенствовать методы адресации лучей и способы записи (считывания) информации.

Информация в электронно-лучевых ЗУ представляется в виде локальных изменений свойств поверхности информационного носителя. Наиболее распространены способы записи, основанные на изменении прозрачности носителя, его отражательной способности, геометрии поверхности, намагниченности и накопленного заряда. Рассмотрим их подробнее.

Запись изменением прозрачности или отражательной способно­сти носителя информации. При этом способе записи на информационном носителе необходимо получить заданный точечный рисунок в соответствии с записанной информацией. Носитель информации - тонкая пленка или фольга - условно поделен на элементарные участки, каждый из которых используют для записи одного бита информации.

При записи информации прозрачностью элементарных участков можно управлять с помощью перфораций отверстий или изменени­ем толщины носителя информации. Для считывания информации электронный луч в соответствии с кодом адреса устанавливают в заданную область носителя. Параметры луча изменяются в зависимости от записанной информации. При считывании 1 электроны проходят через отверстие в носителе и попадают на регистратор. Таким образом, сигнал, снимаемый с регистратора электронных потоков, соответствует считываемой информации. При этом ток электронного луча, попадающего на регистратор, достаточно мал и его необходимо усиливать.

Запись изменением геометрии поверхности носителя. В электронно-лучевой памяти широко применяют и термопластическую запись информации. Запись на термопластиках осуществляют мето­дом деформации поверхности носителя. Под действием сил притяжения, вызванных электрическими зарядами в размягченном слое диэлектрика, на поверхности носителя образуется рельеф, который служит изображением записанной информации. Для стирания записи достаточно нагреть термопластик до температуры, большей температуры проявления. При этом рельеф сглаживается и поверхность его выравнивается.

Для записи информации на термопластическом диэлектрике служит электронная пушка, развертка которой осуществляется только вдоль строки. Носитель информации со слоем термопласти­ка обычно выполняют в виде ленты, которая хранится в кассетах. После записи информации соответствующий участок ленты, прежде чем попасть в приемную кассету, проходит зону проявления, в которой с помощью высокочастотного нагревателя его доводят до размягчения. Для сохранения записанной информации ленту охлаждают и наматывают на приемную кассету. Считывание информации происходит при движении электронного луча по строке с записанной информацией в виде точечных лунок. Плотность записи 107—108 бит/см2; минимальное время запись—считывание составляет 0,01—0,02 с.

Запись с изменением намагниченности носителя. При этом способе запись информации осуществляют нагревом магнитного материала до точки Кюри. Для записи нуля электронный луч направляют на один из изолированных участков намагниченной пленки, вызывая нагрев его до температуры выше точки Кюри. При этом пленка на указанном участке (число которых должно быть, по крайней мере, не меньше количества бит запоминаемой информации) размагничивается. Таким образом, носитель с записанной информацией состоит из намагниченных и размагниченных участков пленки.

Носителем информации может служить и сплошная пленка из сплава марганец-висмут. Если при записи нагреть участок пленки выше точки Кюри, то после охлаждения вектор намагниченности в нем изменит свое направление. Плотность записи информации, допускаемая магнитной структурой пленки, составляет 109 бит/см2. Для считывания информации можно регистрировать вторичные электроны, испускаемые магнитным носителем. Для увеличения сигнала считывания на носитель целесообразно наносить тонкую пленку из материала с высоким коэффициентом вторичной элек­тронной эмиссии.

Запись при помощи накопленного заряда. Известно, что взаимодействие ускоренных заряженных частиц с полупроводниками при­водит не только к нагреву, но также к ионизации их атомов и к ге­нерации электронно-дырочных пар. Такую память называют электронно-оптической. Если облучать полупроводник электронами с энергией 10—15 кэВ, то в мишени образуется несколько тысяч электронно-дырочных пар, представляющих собой динамические неоднородности. Если образовавшиеся пары быстро и эффективно разделить, то можно получить соответствующий импульс тока (при импульсном облучении) и соответствующие заряды на обкладках мишени.