доменах, приборы с зарядовой связью

.

Использование магнитных свойств тонких пленок новых магнитных материалов основано на возможности существования в этих материалах устойчивых в отсутствие внешнего магнитного поля доменов.

В отсутствие внешнего магнитного поля направление намагниченности М доменов совпадает с осью легкого намагничивания (ОЛН), которая перпендикулярна поверхности ферромагнетика.

Если на пленку воздействовать магнитным полем смещения Нсм, то площадь доменов с вектором М, параллельным Нсм будет возрастать с одновременным уменьшением площади доменов с М, антипараллельным Нсм (рис 3).

Таким образом, под действием внешнего поля, противоположного направлению намагниченности М, домены будут стягиваться в цилиндры. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД), т. е. домены, имеющие форму прямого кругового цилиндра, являются одним из возможных типов доменных структур в магнитоупорядоченных средах. Диаметр ЦМД 2,5-10 мкм. При достаточно сильном поле намагничивания ЦМД исчезают, т.е. имеется определенный интервал напряженности поля, при котором могут существовать ЦМД.

Это явление магнетизма явилось основой для нового направления в микроэлектронике. Управление ЦМД в тонких магнитных пленках нашло широкое практическое применение. Наличие или отсутствие ЦМД в определенных точках пленки (информационной среды) отождествляется с двоичными сигналами: единицей и нулем. Для практического использования ЦМД как носителей информации необходимы следующие основные узлы: генератор доменов, устройства их перемещения и считывания. В настоящее время используется несколько вариантов построения указанных узлов.

На перемагничивание тонкопленочного элемента требуется энергии в 10-20 раз и времени в 10-30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника. Уже это преимущество обуславливает интерес к ЗУ на ЦМД.

Другое преимущество заключается в повышении плотности размещения информации, достигающей значений более 10⁶ бит/см² при теоретических пределах порядка 10⁸ бит/см² и выше.

Рассмотрим более подробно состав и особенности элемента памяти на ЦМД.

Практически все ЗУ на ЦМД, о которых сообщалось в печати, изготовлены на базе гранатовых пленок.

После того как материал с ЦМД выбран, можно переходить к изготовлению ЗУ методом интегральной технологии. Первоначальной ионной бомбардировкой обрабатывают поверхность монокристаллической пленки или вакуумным осаждением наносят слой пермаллоя. Далее на пленку наносят несколько изолирующих слоев SiO₂ и несколько слоев Al, Cu для получения из них методом фотолитографии проводников, генераторов и т.д., а также слоев пермаллоя для формирования аппликаций, выполняющих операции продвижения и фиксации доменов.

В простейшем варианте в ЗУ на ЦМД входят генератор, продвигающие структуры, детекторы. Для каждого из этих элементов разработано несколько схемных вариантов.

Генератор доменов может быть построен с помощью петли (рис.4), через которую проходит ток. Петля в виде тонкопленочного проводника наносится на поверхность кристалла с пленкой, помещенного в постоянное магнитное поле. При прохождении тока по петле создается поле петли, направленное навстречу полю H_см. В этом случае обеспечивается образование ЦМД. При прекращении тока, созданный ЦМД не разрушается полем Н_см, поскольку величина этого поля обеспечивает устойчивое состояние домена. Для работы генератора необходим сравнительно большой ток, что является его недостатком.

Устройство перемещения может быть выполнено в виде Т-образных и полосковых пермаллоевых аппликаций. Для этого типа аппликаций (рис.5) характерны жесткие требования к величине зазора между ними и к значению величины продвигающего поля. Намагничивание этих аппликаций производится вращающимся в плоскости кристалла управляющим полем, кото рое создается двумя перпендикулярными катушками, охватывающими весь кристалл. При намагничивании аппликации на ее концах образуются полюсы (+ -). Внешнее поле Н_см под + плюсом ослабевает, что создает условия для затягивания туда близко расположенного ЦМД. За один цикл поворота ЦМД перемещается вправо на один Т-образный и один полосковый продвигающий элемент (рис.5). Этот тип аппликаций использовался в первоначальных вариантах ЗУ. В настоящее время разработаны и опробованы несколько типов аппликаций: V-1; T-x образные; шевронные и другие

Считывающее устройство для снятия информации может быть выполнено в виде контура с последовательно включенным магнитным датчиком. Из многочисленных типов датчиков ЦМД нашли применение магнито-резистивные. Магнитное поле рассеяния домена меняет сопротивление

пермаллоевого датчика при прохождении домена под ним (рис.6). Так как магнитное поле рассеяния от отдельного домена невелико, то перед считыванием домен увеличивают примерно в 100 раз с помощью шевронных структур. К настоящему времени освоены ЗУ на ЦМД емкостью 2, 4, 6, 8, 16 и 32 М байта, легко совмещаемые с распространенными типами ЭВМ. К основным достоинствам ЗУ на ЦМД относятся: высокое быстродействие, большая удельная плотность размещения информации, радиационная стойкость и т.д.

По своим эксплуатационным параметрам ЗУ на ЦМД превосходят ЗУ на магнитных дисках по объемной плотности в 5 раз, наработке на отказ в 30-60 раз, среднему времени выборки в 5-30 раз.

Акустоэлектронными приборами называются устройства, использующие акустические волны для обработки электрических сигналов.

Приборы на объемных акустических волнах (кварцевые резонаторы, фильтры и др.) нашли широкое распространение в ВТС в виде дискретных элементов. В микроэлектронном исполнении в настоящее время широко применяются в радиотехнических системах акустоэлектронные приборы, в которых информация передается акустическими волнами, распространяющимися в поверхностном слое пьезоэлектрика, т. е. приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Широкая полоса, жесткость конструкции, надежность, небольшие габаритные размеры стимулируют построение на их основе различных устройств формирования и обработки сигналов. В том числе линий задержки и полосовых фильтров.

Основными свойствами ПАВ, которые используются для обработки сигналов, являются:

-низкая скорость распространения акустических волн (V_з=1.6-4км/с), т.е. на пять порядков ниже скорости электромагнитных волн;

- возможность взаимодействия акустической волны с планарными структурами в виде металлизированных аппликаций на поверхности звукопровода. Это взаимодействие обеспечивает преобразование ПАВ в электрический сигнал, и наоборот, а также изменение направления распространения волн, их отражение, затухание, задержку и т. д.

К недостаткам акустоэлектронных приборов следует отнести большой уровень вносимых потерь, наличие ложных откликов, связанных с многократными переотражениями акустических волн и температурную нестабильность, обусловленную свойствами материала подложки. Большое затухание ПАВ и ограниченные возможности фотолитографии (на частоте 1ГГц требуется разрешение 1мкм) затрудняют создание акустоэлектронных приборов на частотах более 1-2ГГц. Основными составными частями прибора на ПАВ, показанного на рис.7 являются звукопровод и электромеханические преобразователи. В качестве звукопровода в большинстве случаев используется пластина из пьезоэлектрического материала с тщательно отполированной поверхностью.

Пьезоэлектрики - ниобат лития, пьезокварц, германат висмута, пьезокерамика и др.

Электромеханические преобразователи обычно представляют собой совокупность систем электродов гребенчатой структуры, расположенных одна между другой (рис.7). Подобные преобразователи называются встречно-штыревыми (ВШП), электроды наносятся на поверхность звукопровода в виде аппликаций тонкой (0.1-0.5мкм) алюминиевой пленки.

Простейшими акустоэлектронными устройствами на ПАВ являются линии задержки и полосовые фильтры.

Линии задержки реализуются проще всего на ВШП.В основе этого метода лежит прямое соответствие между геометрией ВШП и его пространственно-временным откликом.

Геометрические размеры ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустический на различных частотах, полосу пропускания и ряд других параметров преобразователя. Шаг (период) - электродов преобразователя (d) определяет длину акустической волны (l).

Наиболее эффективное преобразование будет в том случае, когда за время движения волны между соседними одноименными электродами электрическое поле на них изменится на период и вновь "подпитает" проходящую волну. При этих условиях по мере продвижения ПАВ от электрода к электроду осуществляется усиление волны, напоминающее явление резонанса. Количество штырей определяет относительную полосу пропускания преобразователя.

Наибольшее распространение среди акустоэлектронных приборов получили полосовые фильтры (ПФ), служащие для выделения определенной полосы частот. Фильтр содержит те же составные части, что и ЛЗ. Основным достоинством фильтров на ПАВ является возможность получения заданной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) путем выбора соответствующего взаимного перекрытия (аподизации) штырей преобразователя. Закон изменения перекрытия по длине ВШП соответствует форме импульсной характеристики преобразователя, т.е. его реакции на импульсное воздействие. Следовательно, если по заданной АЧХ найти импульсную характеристику и реализовать ее в виде аподизации штырей ВШП, то можно обеспечить нужную АЧХ проектируемого фильтра. Например, если требуется АЧХ, близкая к прямоугольной, то импульсная характеристика, а значит и закон изменения перекрытия штырей должны в соответствии с преобразованием Фурье выражаться функцией Sin X/X .

Фильтры на ПАВ позволяют получить относительную ширину полосы пропускания до 20-30% от средней частоты при высокой прямоугольности АЧХ.

В интегральных схемах, предназначенных для создания многоразрядных сдвигающих регистров, устройств памяти и т.д. находят широкое применение интегральные приборы с зарядовой связью (ПЗС). Это устройства, в которых внешняя информация в виде электрических сигналов преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности с последующим считыванием. Структура многоэлектродного ПЗС показана на рис. 8. В этом приборе p-n переход, показанный слева, предназначен для ввода в структуру заряда (записи информации). Вывод заряда (считывание информации) производится через второй p-n переход. Для рассмотрения принципа действия ПЗС предположим, что на часть электродов подано отрицательное напряжение U₁=-U_x. Под влиянием возникающего при этом электрического поля в подложке под этими электродами происходят процессы, которые наблюдаются в МДП-транзисторе при индуцировании p-канала. Основные носители (электроны) оттесняются от границы раздела диэлектрик-полупроводник вглубь подложки и под электродами образуется обедненная область, представляющая собой потенциальную яму для неосновных носителей заряда (дырок). Благодаря тому, что кремниевый электрод расположен ближе к полупроводниковой подложке, чем находящийся на поверхности алюминиевый электрод, глубина обедненной зоны оказывается разной. В таком состоянии ПЗС подготовлен для приема и хранения информации. Если подать прямое напряжение на левый электронно-дырочный переход и инжектировать в подложку неравновесный заряд дырок, то он локализуется в узком приповерхностном слое под ближайшим кремниевым электродом.

Попав в потенциальную яму, дырки удерживаются в ней полем электрода. Однако заряд может храниться там ограниченное время (десятки-сотни миллисекунд). Это время ограничивает нижние рабочие частоты ПЗС в пределах десятков герц.

Передача заряда к следующему электроду осуществляется подачей на него более отрицательного, чем –U_x напряжения переноса U₂=U_п. В подложке между подэлектродными областями возникает продольное электрическое поле, под влиянием которого дырки перемещаются в более глубокую потенциальную яму. Методом последовательного создания более глубоких потенциальных ям можно перемещать заряд вдоль структуры. Вывод информации из ПЗС производится с помощью обратно смещенного p-n перехода. При захвате его электрическим полем пакета дырок во внешней цепи протекает импульс тока. Отсутствие зазоров между проекциями электродов на подложку способствует повышению быстродействия. Максимальная рабочая частота ПЗС может достигать 800 МГц. ПЗС обладают определенными преимуществами по сравнению с обычными МДП-структурами. Они проще по конструкции, технологичнее, дешевле и обеспечивают более высокую плотность размещения элементов. К числу важнейших особенностей ПЗС следует отнести возможность преобразования светового потока в электрический сигнал, что открывает возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов.

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т.е. использования вышеназванных физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В лекции рассмотрены перспективы развития элементной базы военной техники связи, а также принципы построения наиболее распространенных функциональных приборов, а именно магнитоэлектронных приборов на ЦМД, акустоэлектронных приборов на ПАВах и приборов с зарядовой связью которые находят все большее применение в военной технике связи.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 434-440.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б. Степанов