Приборы на волнах пространственного заряда

В континуальных средах, представляющих собой тонкие слои полупроводников и обладающих отрицательной объемной дифференциальной проводимостью (ОДП), при определенных условиях возбуждаются волны пространственного заряда (ВПЗ).

Такие волны по существу являются динамическими неоднородностями, обладающими уникальными свойствами:

- скорость волн близка к скорости дрейфа электронов (порядка 10⁵ м/с);

- величина и направление скорости ВПЗ легко управляемы за счет изменения величины и направления статического электрического поля, приложенного в плоскости полу­проводникового слоя;

- ВПЗ могут эффективно усиливаться, слабая дисперсия скорости позволяет организовать когерентное многоволновое взаимодействие со средой.

Это явление положено в основу нового класса приборов. Следует особо подчеркнуть, что технология создания континуальной среды, а также приборов на основе ВПЗ вполне совместима с технологией микроэлектроники.

Конструкция одного из процессоров, выполняющего функции усилителя и фильтра, приведена на рис. 4.23. Континуальной средой такого устройства является тонкий слой GaAs n-типа проводимости.

Возбуждение ВПЗ осуществляется многоэлементным преобразователем, выполненным в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП). Динамические неоднородности в виде ВПЗ, генерируемые каждым из электродов ВШП, распространяются к детектирующему ВШП и наводят в нем электрический сигнал. Этот сигнал пропорционален суммарному значению переменных составляющих концентрации электронов. Другими словами, электрический сигнал с детектора равен сумме всех парциальных ВПЗ, возбужденных каждым из электродов.

Рис. 4.23. Схема процессора на ВПЗ для усиления

и фильтрации сигналов (а) и его частотная характеристика (б)

Максимальный выходной сигнал будет наблюдаться в том случае, если все парциальные ВПЗ придут на выходной электрод синфазно. Геометрия ВШП такова, что расстояние между соседними штырями должно быть равно половине длины ВПЗ l; тогда частота определяется соотношением

w₀ = p v₀ / d,(4.23)

где v₀ - скорость волны.

Такой процессор одновременно выполняет функцию фильтра с амплитудно-частотной характеристикой вида sinх / х (рис. 4.23, б), причем

(4.24)

где N - число штырей ВШП. Подавление побочных максимумов можно осуществить путем аподизации ВШП подобно тому, как это рассматривалось в акустоэлектронных устройствах.

Другим примером процессора на ВПЗ является конвольвер сигналов СВЧ-диапазона. В этом процессоре используется нелинейное взаимодействие ВПЗ. Конвольвер представляет собой многослойную сэндвич-структуру (рис. 4.24). Две континуальные среды, отличающиеся степенью легирования и скоростью дрейфа волн пространственного заряда, расположены одна над другой и разделены тонким слоем диэлектрика.

На входные электроды прибора подаются сигналы в СВЧ-диапазоне. Генерируемые электродами динамические неоднородности в виде ВПЗ распространяются в смежных континуальных средах. Суммарная толщина полупроводниковых слоев и разделяющих их пленок диэлектрика меньше характерной длины ВПЗ и поэтому волны, распространяющиеся в континуальных средах, эффективно взаимодействуют. Результатом их взаимодействия является результирующий сигнал, описываемый соотношением

,(4.25)

Рис. 4.24. Монолитный конвольвер на ВПЗ

где А - размерный коэффициент; m - множитель, определяемый относительной разностью скоростей дрейфа в двух континуальных средах. Если две ВПЗ движутся в проти­воположных направлениях, то можно получить классическое преобразование - операцию свертки сигналов:

(4.26)

Интервалы интегрирования определяются временем прохождения волны в приборе.

Помимо процессоров на ВПЗ можно реализовать устройства памяти аналоговых сигналов. На рис. 4.25 представлено устройство хранения аналоговых сигналов в СВЧ-диапазоне. Область хранения сигналов представляет собой эквидистантную систему хранящих электродов, связанных с шиной хранения через емкости. В режиме записи напряжение на шину хранения не подается. Хранящие затворы находятся под плавающим потенциалом и мало влияют на условия распространения ВПЗ в пролетной области. В этом случае реализуется режим широкополосного усилителя бегущей волны.

Рис. 4.25. Запоминающее устройство аналоговых сигналов

В режиме хранения на шину подается импульс хранения отрицательной полярности такой амплитуды, чтобы обедненные области под «хранящими» электродами полностью сомкнулись. В этом случае в пленке образуются изолированные области - карманы, содержащие динамические неоднородности в виде зарядовых пакетов. Наличие или отсутствие зарядовых пакетов свидетельствует о наличии битов хранимой информации; ВПЗ в этом случае как бы замораживаются в среде. Положительный потенциал с выхода устройства может быть снят.

В режиме воспроизведения сигнала на сток подается положительное тянущее напряжение, снимается отрицательный потенциал с шины хранения. Происходит размораживание зарядовых пакетов, а затем их детектирование на электроде. Помимо одномерного рассмотрения процесса распространения ВПЗ исследованы двумерные явления. Управляя ВПЗ в заданной плоскости, созданы различные конструкции процессоров сигналов. Например, фазированные антенные решетки, линии задержки с дискретным или непрерывным управлением, селекторы СВЧ-импульсов с линейной частотой модуляции и т.п.

Ганновские приборы

В полупроводниковой континуальной среде с N-образной объемной вольтамперной характеристикой возникает генерация высокочастотных колебаний электрического тока, представляющая собой эффект Ганна.

Генерируется динамическая неоднородность в виде электрического домена, которая называется доменом Ганна (рис. 4.26).

Если к торцам кристалла GaAs n-типа длиной l, обладающего N-образной ВАХ, приложить напряжение U такое, что Е_кр < U/l < Е_пор, то возникают локальные флуктуации плотности заряда (рис. 4.26, а). Эта флуктуация величиной X₁, Х₂ расположена на падающем участке ВАХ в области отрицательной дифференциальной проводимости (рис. 4.26, б, в).

Напряженность поля вследствие флуктуации возрастает на величину DЕ, а плотность тока j в области X₁ < X < Х₂ окажется ниже, чем вне области. Электроны, движущиеся против сил поля, начинают скапливаться вблизи X₁ и образовывать отрицательный заряд. На координате Х₂ остается некомпенсированный положительный заряд (рис. 4.26, в). Образуется электростатический домен, обедненный свободными электронами.

Рис. 4.26. Устройство на доменах Ганна (а), ВАХ (б),

распределение поля в полупроводнике(в)

и форма импульсов генерации (г)

Под воздействием электрического поля домен перемещается в континуальной среде от катода к аноду со скоростью дрейфа электронов v_др (10⁵ - 10⁷ м/с). На аноде происходит рекомбинация электронов или их детектирование. Динамическая неоднородность распадается, вызывая импульс тока во внешней цепи. Форма импульса тока приведена на рис. 4.27, а. Одновременно у катода зарождается новая динамическая неоднородность в виде домена и процесс повторяется. Размер домена составляет Dх = 10 - 20 мкм. Специфичность эффекта Ганна состоит в том, что преобразование мощности постоянного тока происходит во всем объеме среды, а не в узкой области, например, р-п-переходе. Поэтому генераторы на основе эффекта Ганна имеют значительную мощность. В качестве среды используются InP, CdTe, ZnS, InSb, InAs n-типа, а также в Ge р-типа с характерным размером - 1 мм.

На основе эффекта Ганна разработаны конструкции процессоров и памяти. Рассмотрим некоторые из них.

Управление импульсами тока может производиться функцией, являющейся произведением профиля легирования среды на площадь поперечного сечения образца. По существу эта функция определяет заряд электростатического домена. В этом случае легко генерировать колебания тока сложной формы, придавая соответствующую форму образцу (рис. 4.27, а).

Рис. 4.27. Общий вид образцов и форма генерируемых

импульсов тока (а); прибор с профилированным

электродом (б)

Форму колебаний можно задавать также с помощью профиля металлического контакта на поверхности образца, описываемого заданной функцией f(X). В этом случае процессор произведет преобразование функции координат f(X) во временную функцию f(t). Металлический электрод изолируется от образца диэлектрической пленкой (рис. 4.27, б).

На основе прибора Ганна неудачно названного диодом, можно реализовать устройства логики, используя два его состояния: омическое (без домена) и с доменом сильного поля. В диод Ганна вводится устройство управления в виде затворов Шоттки, которые расположены перпендикулярно направлению тока. В таком приборе можно стимулировать или подавлять ганновский домен, а значит формировать нужную логическую функцию.

Диоды Ганна могут быть использованы в устройствах памяти высокого быстродействия (порядка 10^-10 с). Как правило, как элементы памяти, так и ЗУ реализуются на диодах Ганна, объединенных в устройство на основе различных схемотехнических решений, и особого интереса для практической электроники не представляют.

5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МАГНЕТОЭЛЕКТРОНИКА

Физические основы

Функциональная магнетоэлектроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются магнитоэлектронные эффекты и явления в магнитоупорядоченных континуальных средах, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения информации с использованием динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы.

Магнетоэлектроника — направление функциональной микроэлектроники, связанное с появлением новых магнитных материалов, обладающих малой намагниченностью насыщения, и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок.

Магнитное упорядочение заключается в существовании определенной закономерности расположения элементарных магнитных моментов атомов, ионов, электронов. Простейшие типы магнитного упорядочивания наблюдаются в ферри- и ферромагнетиках. Ферромагнетик представляет собой вещество, в котором ниже определенной температуры (точки Кюри) большинство атомных магнитных моментов параллельно друг другу и вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Под ферримагнетиками понимают магнетики с несколькими магнитными подрешетками и с отличным от нуля суммарным магнитным моментом. Магнитное упорядочивание в любых классах магнетиков исчезает при температуре выше точки Кюри для ферромагнетиков и точки Нееля для ферри- и антиферромагнетиков.

Поиск по сайту: