Особенности функциональной электроники

Т.В. Свистова

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Воронеж 2014

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Т.В. Свистова

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

УДК 621.382

Свистова Т.В. Функциональная электроника: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (3,2 Мб) / Т.В. Свистова. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ;Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; MS Word 2007 или более поздняя версия; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана. – Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12х14 см.

В учебном пособии рассматриваются физические и микросистемные основы построения элементной базы приборов и устройств направлений развития функциональной электроники (акустоэлектроники, диэлектрической электроники, полупроводниковой электроники, магнетоэлектроники, молекулярной электроники, криоэлектроники, хемоэлектроники).

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), дисциплине «Функциональная электроника».

Ил. 114. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);

канд. физ.-мат. наук, доц. Е.В. Бордаков

© Свистова Т.В., 2014

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический

университет», 2014

ВВЕДЕНИЕ

Микроэлектроника - область электроники, связанная с исследованиями поведения заряженных частиц в твердом теле под воздействием электрических, магнитных, электромагнитных, тепловых полей, а также с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении с использованием групповой технологии изготовления.

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов), при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. В основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. Поэтому синонимом микроэлектроники является понятие «интегральная электроника». Говоря о микроэлектронике, имеют в виду микроэлектронные размеры элементов, говоря об интегральной электронике - интеграцию этих элементов на кристалле микросхемы. В микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов до субмикронных размеров и переход в нанометровый масштаб измерений. Таким образом, микроэлектронные приборы превращаются в наноэлектронные. При этом утрачивается групповая технология их изготовления. При этом произойдёт переход на пластины большого диаметра. С ростом диаметра обрабатываемых пластин резко возрастут издержки при производстве сверхбольших интегральных схем. Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией. 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 перерезарядку линий межсоединений, влиянием погонной ёмкости линий межсоединений и волнового сопротивления на частотные характеристики схемы, с необходимостью многоуровневой разводки при большом числе линий межсоединений.

Предельные показатели достижений микроэлектроники уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.

Даже достигнув предельных значений быстродействия и степени интеграции в изделиях схемотехнической микроэлектроники, нельзя будет на их основе создать устройства, способные решать перспективные задачи обработки больших информационных массивов.

В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем и тем самым расширить возможности схемотехнической микроэлектроники, или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.

Разработчики ИС активно ищут способы преодоления «тирании межсоединений», пути обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объёме, и интегральная схема становится трёхмерной.

Технология «кремний на диэлектрике» открывает определённые перспективы вертикальной интеграции и позволяет получать многоярусные транзисторные структуры. Предполагается, что трёхмерные ИС будут иметь высокие быстродействие и плотность упаковки элементов, обладать возможностью параллельной обработки информации и станут многофункциональными. Переход в трёхмерную электронику отнюдь не решит проблемы межсоединений, напротив, резко усложнит конструкции межуровневых соединений. Надёжность таких схем вызывает сомнение, а доказательств обратного пока нет. Переход в трёхмерную электронику сулит увеличение степени интеграции лишь вдвое, а не экспоненциальный рост в соответствии с законом Мура.

Могут ли «спасти» схемотехническую электронику метод интеграции на пластине или создание «суперкристаллов»? Проблема межсоединений в этих случаях тоже принципиально не решается, а значит и достижение успеха сомнительно. По этой же причине сомнительны перспективы использования в схемотехнической электронике различных эффективных и сверхминиатюрных транзисторных структур.

Значительный интерес представляют круглые полупроводниковые интегральные схемы. В них используется 95 % объёма кремния против 5 % в обычных ИС. Выводы располагаются по всей сфере, что позволяет обеспечить простоту компоновки сферических ИС. В производстве таких «маковых» схем осуществлен принципиальный переход от групповой технологии обработки пластин к гибкой штучной производственной системе с предполагаемой производительностью до 2500 сферических интегральных схем в секунду. В этом технологическом процессе среди слабых мест следует отметить трудоёмкую сферическую литографию, высокую индуктивность получаемых схем, ненадёжность процесса наматывания линий межсоединений на поверхность сферы, последующая их коммутация и т. п.

Чтобы уйти от проблемы «тирании межсоединений» нужно уйти от традиционного принципа обработки информации, отказаться от схемотехнической ячейки как основного преобразователя и хранителя информации.

Традиционная схемотехническая ячейка, будь это логическая ячейка или ячейка памяти, состоит из большого количества статических неоднородностей. Под статической неоднородностью понимается локальная область на поверхности или в объёме среды с отличными от её окружения свойствами, создаваемая в результате строго определённых технологических процессов. Свойства таких статических неоднородностей позволяют генерировать, управлять или хранить информацию. Это и есть схемотехническая микроэлектроника, или электроника статических неоднородностей. В этом случае устройства обработки и хранения информации реализуются на определённых схемотехнических решениях.

В конце семидесятых годов ХХ века возникла идея использовать динамические неоднородности в процессах обработки и хранения информации, а также физические принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором.

При интеграции на одном кристалле не только элементов, 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. Это направление в развитии электроники называют функциональной электроникой. Следует при этом еще раз подчеркнуть, что если с переходом в субмикронный диапазон размеров в наноэлектронике утрачивается принцип групповой технологии производства элементарных электронных приборов, то в функциональной электронике по-прежнему сохраняется принцип групповой технологии.

Функциональная электроника оформилась как научное направление в электронике в последней четверти XX столетия. Формированию этого направления способствовала лавина открытий в физике и электронике. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В., Валиеву К.А., Стафееву В.И., Федотову Я.А., Сретенскому В.Н., Пустовойту В.И., Борисову Б.С., Лаврищеву В.П., Носову Ю.Р., Попкову А.Ф., Ракитину В.В., Новикову В.В., Ерофееву А.А., Васенкову А.А. и другим отечественным ученым и их школам.

Например, 1964 г. - Гуляев Юрий Васильевич, Пустовойт Владислав Иванович, сотрудники Института радиолектроники АН СССР, предсказали явление взаимодействия акустических поверхностных волн и электронов в твердом теле, тем самым открыли новое направление в электронике - акустоэлектронику;

Функциональная электроникапредставляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных (непрерывных) средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для целей обработки, генерации и хранения информации.

В функциональной электронике пока не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами статических или динамических неоднородностей. Сравним изделия традиционной схемотехнической и функциональной электроники.

В изделиях схемотехнической электроники перенос информационного сигнала происходит побитово по линиям межсоединений, что снижает помехоустойчивость и надёжность изделий. В изделиях функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан одномоментно весь, целиком, не обязательно в виде отдельных битов информации. 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. Возможно создание устройства, позволяющего производить обработку информации в аналоговом и цифровом видах одновременно, поэтому в устройствах обработки информации на принципах функциональной электроники достигается производительность более 1015 операций в секунду.

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.

Замечательным свойством приборов функциональной электроники является использование в процессах обработки информации функций высшего порядка в качестве элементарных, например, Фурье-преобразования; интегрального преобразования Лапласа, операции свертки; операции корреляции; автокорреляции; управляемой задержки информационного сигнала; хранения информации, в том числе в виде многобитовых носителей; фильтрации информационного сигнала; когерентного сложения сигналов; ответвления информационных сигналов; комбинированной обработки информационных сигналов и т. д. В то же время в изделиях функциональной электроники могут быть реализованы и традиционные элементарные функции типа И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации.

В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объём информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка.

Устройства памяти реализуются путём упорядоченного сохранения в континуальной среде динамических неоднородностей, каждая из которых несёт бит информации. Возможно создание запоминающих устройств и на основе многобитовых динамических неоднородностей.

Если в процессорах используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде, то это изделия функциональной электроники первого поколения. Если используются два или более вида динамических неоднородностей в разных средах, то такие изделия относятся ко второму поколению.

Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.

Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической природы. Это первый элемент в предложенной модели прибора функциональной электроники. Так, в акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью — зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах магнитоэлектроники — магнитостатические волны (МСВ) и т. д.

Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твёрдом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. Наши интересы в области микроэлектроники сосредоточены на использовании твёрдого тела. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации. Динамические неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае, динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой «замороженный» бит информации.

Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения, расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за её пределов или сгенерирована в этом канале.

Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвёртым элементом в модели прибора.

Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. В этом случае можно использовать хорошо развитые устройства и методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.

Предложенная модель прибора функциональной электроники позволяет развить:

- системный подход к анализу известных конструктивных решений-прототипов приборов;

- раскрыть физическую сущность явлений, лежащих в основе работы приборов;

- оптимизировать известные конструкции по технико-экономическим параметрам;

- разработать прогнотип - новое, ранее неизвестное конструктивное решение с заданными технико-экономическими показателями.

Итак, общепризнанно, что электронные устройства на дискретных элементах относили к устройствам первого поколения, первые интегральные схемы в электронике сформировали приборы и устройства второго поколения, а нынешнее третье поколение микроэлектронных средств вычислительной техники и обработки информации базируется на больших и сверхбольших интегральных схемах.

Вполне корректно отнести приборы и устройства, использующие динамические неоднородности в качестве носителей информационного сигнала, к электронике четвёртого поколения.

Поиск по сайту: