Магнитоэлектронные приборы

Наиболее эффективным направлением микроминиатюризации магнитных элементов и устройств является применение новых физических явлений, когда используются электромагнитные процессы на доменном уровне. Магнитоэлектронные приборы обладают высокой степенью интеграции, обеспечивают большую плотность записи информации, имеют повышенную надежность, температурную и временную стабильности, могут осуществлять хранение записанной информации без потребления энергии.

В настоящее время в вычислительной технике и автоматике используют магнитные пленки и приборы на цилиндрических магнитных доменах.

Самым простейшим магнитным элементом является катушка из провода. Допустим, что она имеет w витков. Если через катушку пропустить постоянный ток I, то в ней возникает магнитное поле под воздействием магнитодвижущей силы: F = Iw. Обозначив длину катушки через l, можно определить напряженность магнитного поля, как H = F/l = Iw/l.

Разделив магнитодвижущую силу на сопротивление внешнего пространства R_в, получим значение магнитного потока, т. е. φ = F/R_в. Отнеся значение φ к единице площади, через которую проходит магнитный поток, определим индукцию В = φ /S. Затем, разделив индукцию В на напряженность магнитного поля H, определим магнитную проницаемость μ = В/H, которая является характеристикой материала, заполняющего объем катушки. Существуют материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы), которые обладают аномально большими значениями магнитной проницаемости (μ = 10⁸). Из приведенных выше соотношений легко определить значение индуктивности L = w²Sμ/l.

Среди магнитных материалов с точки зрения микроминиатюризации наиболее перспективны ферромагнетики, которые в результате сильного электростатического магнитного взаимодействия между электронами соседних атомов разбиваются на большое число областей самопроизвольной намагниченности (домены). Магнитные моменты атомов в доменах параллельны. Домены имеют определенную форму и размеры 10^-1–10^{-6 см. Оптимальной считается доменная структура цилиндрической формы.}

Соседние домены разделяются переходными слоями, называемыми границами или стенками доменов. Процесс перемагничивания ферромагнетиков во внешнем магнитном поле происходит либо вращением доменов, либо смещением их границ или протеканием обоих процессов одновременно. При изменении температуры может меняться магнитное состояние ферромагнетиков. В ферромагнетиках существуют определенные направления намагничивания (магнитная анизотропия).

Тонкие магнитные пленки (ТМП) изготовляют из металлов, сплавов и ферритов. Для создания ТМП на подложку из немагнитного материала (стекла) вакуумным распылением или электроосаждением наносят тонкий слой магнитного материала толщиной 0,05 – 10 мкм. Вакуумное распыление обеспечивает получение наиболее качественных пленок, причем наиболее удачные результаты получаются при напылении пермаллоя. Недостаток электроосаждения заключается в том, что пленки, получаемые этим способом, обладают худшими характеристиками по сравнению с исходными магнитными материалами.

Тонкие магнитные пленки характеризуются анизотропией, приводящей к изменению формы петель гистерезиса при намагничивании по разным направлениям пленки. Так, по оси легкого намагничивания пленка имеет прямоугольную петлю гистерезиса, а по оси тяжелого намагничивания – непрямоугольную петлю с очень малым гистерезисом. Толщина пленки значительно меньше ее линейных размеров. При определенной толщине пленка оказывается однодоменной, что приводит к особенностям перемагничивания ТПМ. Процесс перемагничивания происходит очень быстро (за наносекунды), т. е. ТМП может обеспечить значительное повышение быстродействия. Намагничивание происходит только в плоскости пленки, позволяя использовать плоские управляющие обмотки.

На ТМП выполняют запоминающие устройства для цифровых вычислительных машин из отдельных запоминающих элементов, наносимых на общую подложку в виде матрицы в едином технологическом цикле. Для запоминающих элементов

формируют плоские ТМП квадратной (рис. 133) или круглой формы. В таких элементах можно использовать переключения взаимно перпендикулярными полями. Запись информации в элементах памяти производится подачей двух импульсов тока. Плоские тонкопленочные элементы памяти обладают большими потоками рассеивания, поэтому лучше использовать цилиндрические ТМП, имеющие замкнутый магнитопровод и, следовательно, меньшие потоки рассеивания. Проводники для управления такими ТМП пропускают через отверстие цилиндра, а также наматывают по его внешнему диаметру. Цилиндрические ТМП можно наносить непосредственно на провода управления.

В приборах на структурах из цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) применяют монокристаллические пленки из ортоферритов или гранатов. Толщины пленок соответствуют размерам одиночных доменов, которые образуются при воздействии сильных внешних магнитных полей. При изменении этих полей ЦМД перемещаются. В пленках монокристаллов ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно плоскости пленки, а ось тяжелого намагничивания расположена в ее плоскости. Диаметр ЦМД составляет единицы – десятки микрометров.

Структуры на гранатах термостабильнее, чем на ортоферритах. Кроме того, в гранатах размеры ЦМД меньше, что позволяет увеличить плотность записи информации. Размеры и число ЦМД определяются внешним магнитным полем смещения.

Приборы на ЦМД используют для построения логических и запоминающих устройств, где единичные ЦМД служат элементарным носителем информации. Каждое информационное состояние устройства определяется положением ЦМД в магнитной монокристаллической пленке. Положение и число ЦМД в устройствах должно быть строго определенным.

Запоминающее устройство на основе приборов с ЦМД представляет собой схему продвижения доменов, которая является запоминающим регистром. Информация в регистр записывается в виде последовательности ЦМД, располагаемых по его длине в соответствии с входной информацией. Если информация представляет собой длинную последовательность входных сигналов, превышающих требуемую длину магнитной монокри­сталлической пленки, то регистр выполняется многорядным.

Запоминающее устройство с ЦМД служит аналогом электромеханического запоминающего устройства (магнитной ленты, диска, барабана). Однако оно значительно превышает электромеханическое устройство по надежности, быстродействию, объемам запоминаемой информации и отличается малыми массой и габаритами, потребляя значительно меньше энергии.

С помощью приборов на ЦМД может быть создан полный набор логических элементов, из которых строятся сложные логические устройства, в том числе с использованием оптических методов считывания.

Контрольные вопросы. 1.Каковы принцип действия и область применения оптоэлектронных приборов? 2.Каково назначение акустоэлектронных приборов? 3.Объясните принцип действия магнитоэлектронных, криоэлектронных и хемотронных приборов. 4.Какова область применения ПЗС? 5.Объясните принцип действия приборов Ганн

Раздел 6. КРИОТРОНЫ, ХЕМОТРОНЫ И ДРУГИЕ СМЭ.

Тема 6.1. Криотроны и другие устройства на основе сверхпроводимости.

•Криоэлектроника (криогенная электроника) – направление электроники и микроэлектроники, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание электронных приборов на их основе.

К криогенным температурам относят температуры, при кото­рых наступает глубокое охлаждение, т. е. температуры от 80 до 0 К. В криоэлектронных приборах используются различные явления:

1) сверхпроводимость металлов и сплавов;

2) зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля;

3) появление у металлов при температуре ниже 80 К полупроводниковых свойств при ано­мально высокой подвижности, носителей заряда и др.

Принципы криоэлектроники используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резона­торы, фильтры, линии задержки и др.). Наиболее распространенным из этих приборов является криотрон, представляющий собой переключающий криогенный элемент, основанный на свойстве сверхпроводников скачком изменять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля.

• Действие криотрона аналогично работе ключа или реле. Криотрон может находится только в одном из двух состояний – либо в сверхпроводящем, либо с малой электропроводностью.

Время перехода криотрона из одного состояния в другое составляет несколько долей микросекунды, т. е. эти приборы обладают высоким быстродействием. Криотроны весьма микроминиатюрные: на 1 см² площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. На основе криотронов можно создать криотронные БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управ­ления и межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают применение криотронов. Усилители, принцип действия которых основан на исполь­зовании криоэлектронных явлений, главным образом служат для приема слабых сигналов СВЧ. Они обладают ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой пропускания (десятки гига­герц) и высоким усилением (до 10 000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц идолей градуса Кельвина.

Перечислим основные особенности различных типов криоэлектронных усилителей.

1.Квантовые усилителислужат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных ато­мов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей,в которых исполь­зуются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказа­лись диамагнитные кристаллы с небольшойпримесью парамаг­нитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей про­изводят жидким гелием в криостатах.

2.В параметрических усилителях роль активного элемента выполняет либо p-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей заряда при температурах не ниже 90 К, либо переход металл —полуметалл (InSb). Этот полуметалл при тем­пературах ниже 90 К приобретает свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей заряда в 100—1000 раз выше, чем германий и кремний. В параметрическом усилителе периодически изменяется емкость колебательной системы. Мощность, потребляемая параметрическими усилителями, равна примерно 0,02—0,1 Вт.

3. Свёрхпроводниковые усилителитакже основаны на принципе параметрического усиления, но в них периодически изме­няется неемкость, а индуктивность колебательной системы. Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плен­ка сверхпроводника при температуре ниже . В сверхпро­водящей пленке возникает так называемая сверхиндуктивность L_к, обусловленная взаимодействием возникающих в ней высокоэнергетических электронных пар. Индуктивность L_к при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнит­ным полем можно периодическиразрушать и восстанавливать такие электронные пары, изменяя их концентрацию п_к, и тем самым периодически изменять индуктивность L_к по закону

4. Принцип действия параэлектрических усилителей основан на использовании явления высокой поляризации некоторых

диэлектриков (например, ) при низких температурах.

Тангенс угла диэлектрических потерь таких диэлектриков (параэлектриков) при температурах ниже 80 К сильно зависит от внешнего электрического поля. Активный элемент пароэлектрического усилителя представляет собой конденсатор, заполненный параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накач­ка). Емкость конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиле­ние (рис. 9.30). На рис. 9.30, а приведена структура активно­го элемента параэлектрического усилителя, а на рис. 9.30,6— зависимость его емкости от напряжения притемпературе 4,2 К. Пунктиром показана эта же зависимость при нормальной температуре (300 К).

5. Криоэлектронные резонаторы теоретически должны иметь бес­конечно большую добротность из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводящих стенок. Однако практически потери существуют вследствие инерционности электронов. Наи­большая добротность достигается в дециметровом диапазоне волн. При длине волны 3 см добротность криоэлектронных резонаторов равна примерно 10⁷—10⁹. Сверхпроводящие резона­торы обычно работают при гелиевых температурах (Т=4,2 К).

Криоэлектронный фильтрпредставляет собой цепочку последовательно соединенных сверхпроводящих резонаторов. Избирательность такого фильтра в полосе запирания повышена в раз по сравнению с обычными фильтрами.

Криоэлектронные линии задержки представляют собой тонкий кабель из сверхпроводника, свернутый в спираль и помещенный в криостат. Время задержки определяется длиной
кабеля и соответствует единицам или долям миллисекунды.
Для получения времени задержки, измеряемого наносекундами
или пикосекундами, используют сверхпроводящие меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих пленок
на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределенную индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки.

Большие перспективы создает использование в микроэлект­ронике эффектов Джозефсона. Открытие эффекта Джозефсона туннельных переходах двух слабо связанных сверхпроводни­ков сделало возможным создание сверхпроводящих систем об­работки информации с высокими значениями параметров. Быст­родействие этих систем достигает 10 пс ( ), а мощность рассеяния 100 нВт ( ), т. е. показатель качества — произведение быстродействия на мощность — порядка Дж или в миллион раз выше_, чем в кремниевых микросхемах. Основ­ная трудность разработки БИС, на основе эффекта Джозефсона связана с получением стабильных, воспроизводимых тонких (порядка 2 нм)изолирующих пленок, а также с работой в условиях глубокого охлаждения.