Развитие современной микроэлектроники характеризуется разработкой большого числа типов интегральных микросхем, в первую очередь созданием больших и сверхбольших интегральных схем и микропроцессоров, а также систем на одном
кристалле. При этом будет продолжаться массовый выпуск интегральных микросхем среднего уровня интеграции для всех видов радиоэлектронной аппаратуры. Наиболее широко выпускаются полупроводниковые ИМС. Гибридные ИМС и микросборки находят все большее применение в аналоговой радиоэлектронной аппаратуре (apparatus) и аппаратуре бытового назначения.
Характерным для всех типов ИМС является рост степени интеграции. Полупроводниковые ИМС имеют ряд принципиальных ограничений: предельное минимальное значение мощности, способной обеспечить функционирование прибора при 300 ° С, составляет 1 мкВт, предельное значение показателя качества (время срабатывания на мощность включения прибора) - 10-14 Дж, что определяет ограничения плотности упаковки приборов и их быстродействия. Новые направления развития микроэлектроники показаны на рис. 1.1.
Функциональная микроэлектроника. В основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, микроминиатюризации элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, являются активными (диоды, транзисторы) и пассивными (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементами. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной 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.
Функциональная микроэлектроника предлагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объема твердого тела добавляются такие свойства, которые нужны для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы отпадает. Функциональные микросхемы могут выполняться на основе не только полупроводников, но и таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др.. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности росповсюдження ультразвука и т.д.) Оптоэлектроника. Оптоэлектронный прибор (optoelectronic device) - устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.
В оптоэлектронике обычно используется диапазон длин волн 0,2 мкм - 0,2 мм. Как источник излучения используют световые диоды на арсениде галлия как фотоприемники (photo receiver) - кремниевые фотодиоды (photo diode) и фототранзисторы (photo resistor).
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных цепей. Кроме того, оптоелектроним устройствам присущи и другие свойства: возможность пространственной модуляции световых пучков (light beam), что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях - две), возможность значительных разветвлений и пересечения световых пучков в отсутствии гальванического связи между каналами; большую функциональную нагрузку световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направлений, частоты фазы, поляризации).
Оптоэлектроника охватывает два независимых направления: оптическое и электронно-оптическое. Оптический направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографии (holography), фотохимии (photochemistry) Электрооптика и другие направления развития. Оптический направление иногда называют лазерным (laser).
Электронно-оптический направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле с помощью внутреннего фотоэффекта с одной стороны, и электролюминесценции - с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, перешкодозахист.
Для микроэлектроники представляет интерес в основном электронно-оптический направление, позволяет решить главную проблему интегральной микроэлектроники - существенно уменьшить паразитные связи между элементами как внутри одной ИМС, так и между микросхемами. На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумни аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др..) Преобразователи оптических сигналов - твердотельные аналоги электронно- оптических преобразователей, Видикон, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводственные экраны) устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).
Магнетоэлектроника. Магнетоэлектроника - направление функциональной микроэлектроники, связанный с появлением новых магнитных материалов, имеющих малую намагниченность насыщения и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок. На перемагничивания тонкопленочного элемента, толщина которого обычно не превышает толщины одного домена, нужна энергия в 10-20 раз меньше и время в 10-30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника.
Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов (magnetic materail) в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где как элемент памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления. Весьма перспективны устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах. Плотность (density) записи таких устройств достигает 105 бит/см2 при скорости обработки информации - 3 × 10 бит / с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Итак, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которого с помощью системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.
На тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти (elements memory) ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители (amplifier) и другие приборы.
Широкие перспективы построения различных функциональных устройств открывают новые материалы - магнитные полупроводники. К ним относят магнетики, которым не свойственна металлическая природа электропроводности и соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как Халькогениды европия, халькогенидных шпинели хрома, сильнолегированном ферриты (например, зализоитриевий гранат, легированный кремнием) и т. д.
Акустоэлектроника. Акустоэлектроника (acoustic electronics) - направление функциональной микроэлектроники, связанный с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом (piezoelectricity) полупроводниковом материале. Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.
Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждений с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.
Новым этапом в развитии акустоэлектроники является использование поверхностных акустических волн. Поверхностные волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступные для действия на всем пути, их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых (ultrasound) линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.
Хемотроника. Хемотроника (hemothronick) как новое научное направление возникло на стыке двух направлений, которые развиваются: электрохимии и электроники. На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той разницей, что носителями заряда не были электроны в вакууме, газе или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители (rectifier), интеграторы (integrator), усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако, они имеют и ряд преимуществ перед электронными приборами.
Перспектива развития хемотроника - это создание информационных систем и систем управления на жидкостной основе, а в будущем - биоперетворювачив информации. Для дальнейшего успешного развития хемотроника нужны фундаментальные исследования не только физики жидкости, но также сложных физико-химических и электрохимических процессов, протекающих в жидкостях и на границе жидких фаз.
В наше время на основе электрохимических явлений создан ряд хемотронных приборов: диоды-выпрямители, интеграторы, усилители, электрокинетические преобразователи, твердофазных электрохимические преобразователи и др..
Криоэлектроника. Криоэлектроника (cryogens electronics) - направление электроники и микроэлектроники охватывающий исследования взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание электронных приборов на их основе. К криогенных температур относят температуры, при которых наступает глубокое охлаждение, т.е. температуры от 80 до 0К. В криоэлектронных приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля, появление у металлов при температуре ниже 80 К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности носителей заряда и др.. Принципы Криоэлектроника используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резонаторы, фильтры, линии задержки и др.).. Самым распространенным из этих приборов является криотрон, что является переключающим криогенным элементом, основанным на свойстве сверхпроводников скачком менять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля. Действие криотронов аналогично работе ключа (key) или реле (relay). Криотрон может находиться только в одном из двух состояний: либо в сверхпроводящем, либо с малой проводимостью.
Время перехода криотронов из одного состояния в другое составляет несколько долей микросекунды, то есть этот прибор имеет высокое быстродействие. Криотроны микроминиатюрные: на 1 см площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. На основе криотронов можно создать криотронов БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управлением и функции межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают использование криотронов. Усилители, принцип действия которых основан на использовании криоэлектронных явлений, служат, главным образом, для приема слабых сигналов СВЧ. Они имеют ничтожно малый уровень шумов, широкую полосу пропускания (десятки гигагерц) и высокое усиление (до 10000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц и доли единицы кельвина.
Диэлектрическая электроника. В микроэлектронике широко используются тонкие пленки металлов и диэлектриков. При переходе к тонких пленок возникают новые явления и закономерности, которые не обнаруживаются в массивных образцах и структурах. Для пленок типичная возможность создавать управляемые эмиссионные токи, аналогичные токам в вакууме. При контакте неметаллического твердого тела с металлом, имеет меньшую работу выхода, приконтактна область обогащает свободными носителями заряда, эмитированных из металла. В массивных образцах эти узкие приконтактни области повышенной проводимости не влияют на токовый режим определяемый концентрацией свободных носителей заряда в объеме тела (volume bodies). В тонких же пленках эмитированные носители заряда могут доминировать во всем объеме, определяя закономерности токовых явлений. С точки зрения теории рассеяния носителей заряда любое неметалиеве твердое тело в толстом слое (sheet) - полупроводник, а в тонком слое - диэлектрик.
Эффекты, связанные с протеканием эмиссионных токов в неметаллических твердых телах, не включаются ни физикой полупроводников, ни физикой диэлектриков. Закономерности этих явлений, а также приборные и схемные разработки на их основе составляют содержание нового раздела физики твердого тела и электроники - диэлектрической электроники.
Если между двумя металлическими электродами (electrode) поместить тонкую (порядка 1 - 10 мкм) диэлектрическую пленку, то мигрирующие из металла электроны заполнят всю толщину пленки и напряжение (voltage), приложенная к такой системе, создадут ток (current) в диэлектрике.
Простыми приборами диэлектрической электроники являются диоды и транзисторы, имеющие характеристики, аналогичные характеристикам электровакуумных приборов.
Эти приборы удачно объединяют ряд свойств полупроводниковых и электровакуумной приборов. Они микроминиатюрные, малоинерционни, низкий уровень шумов, малочувствительны к изменениям температуры и радиации.
Квантовая микроэлектроника. В квантовой электронике изучают методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей, генераторов (generator) и их использование. Наибольший практический интерес представляют квантовые генераторы света (лазеры), которые излучают световые волны с очень высокой направленностью. Это свойство широко используется в оптических линиях связи.
В квантовой микроэлектронике все большее использование находят приборы, основанные на эффектах Гана и Джозефсона.
Эффект Гана (effect Ghana) - это явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике при подаче к образцу постоянного напряжения, превышающего некоторое критическое значение. Частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гигагерц.
Эффект Джозефсона (effect Dzgozefsona) заключается в том, что через тонкую, порядка 2 нм, диэлектрический слой между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствии разности потенциалов может протекать туннельный ток, управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами. Значения параметров приборов, основанных на эффекте Джозефсона, очень высокие отношении всех видов запоминающих элементов и логических: быстродействие отдельных приборов 20 - 30 пс, рассеиваемая мощность 100нВт, есть показатель качества прибора 10-18 Дж, что в 106 раз лучше, чем в интегральных микросхем.
Биоэлектроника. Биоэлектроника (bioelectronics) - одно из направлений бионики, решает задачи электроники на основе анализа структуры и жизнедеятельности живых организмов. Биоэлектроника охватывает проблемы изучения нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронной вычислительной техники, техники связи, разработка новых элементов и устройств автоматики и телемеханики.
Исследование нервной системы (nervous system) показали, что она имеет ряд ценных особенностей и преимуществ перед самыми вычислительными устройствами. Основными из них являются:
а) совершенное и гибкое восприятие внешней информации независимо от формы, в которой она поступает;
б) высокая надежность, значительная превышающая надежность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких элементов, при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов клеток, составляющих мозг, работоспособность системы сохраняется);
в) микроминиатюрнисть элементов (при количестве элементов 10-10 объем мозга человека составляет 1,5 дм; современное устройство на транзисторных структурах с таким же числом элементов заняло бы объем в несколько сотен кубических метров);
г) экономичность работы (потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков ватт);
д) высокая степень самоорганизации (self organization), быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.
Нервная система состоит из клеток, получивших название нейронов. Нейроны, где бы они ни находились, имеют одинаковую структуру и примерно одинаковые логические характеристики. Они являются наиболее универсальным логическим элементом.