Функциональная микроэлектроника

Современная электроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент формируется отдельно на полупроводниковом кристалле. В основе этого лежит принцип элементной интеграции, сопровождающийся микроминиатюризацией элементов. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные и пассивные элементы. В микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанный на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов.
Функциональная микроэлектроника – раздел микроэлектроники, изучающий методы реализации базовых функций электронной аппаратуры основываясь непосредственно на физических явлениях в твёрдом теле – без применения стандартных элементов. Локальному объекту в твёрдом теле придаются такие свойства, которые позволяют выполнять нужную функцию, промежуточный этап представления элемента в виде эквивалентной схемы не требуется.
Объекты ФМ – полупроводники, проводники, сверхпроводники, сегнетоэлектрики и пр. Переработка информации осуществляется за счёт: электропроводности, оптических, магнитных, акустических явлений.
Функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т.е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволит получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением. Пример: магнитные элементы памяти.
Явления, используемые в ФМ:
1) Оптические явления: (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнетооптика) — зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов; — двухмерность светового потока = возможность многоканальной обработки информации. — высокая несущая частота = большая полоса пропускания каналов обработки информации
2) Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твёрдом теле (генерация и усиление акустических волн потоком электронов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями = акустоэлектроника) — малая скорость распространения акустических волн (1105 см/с) по сравнению с ЭМВ (31010 см/с) = миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотами, усилители СВЧ — реализация заданной функции осуществляется выбором конфигурации устройства
3) Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики, магнитные полупроводники) = магнетоэлектроника — движение магнитных доменов в двух или трёх измерениях (хранение и обработка информации) — спиновые токи в полупроводниках и металлах = низкая рассеиваемая мощность — полупроводники с ферромагнитными свойствами = высокая фунциональная гибкость
4) Покоящиеся или движущиеся электрические неоднородности в однородных полупроводниках — реализация заданной функции осуществляется выбором конфигурации устройства — высокая скорость движения неоднородностей в полупроводниках (1*107 см/с = ГГц) – СВЧ
5) Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне – квантовая или молекулярная микроэлектроника — фазовые переходы в твёрдых телах, основанные на резком изменении электрических, оптических или магнитных свойств = хранение информации Пьезоэлектрик + GaMnAs
6) Приборы на основе эффекта Ганна: Эффект Ганна – переброс носителей между долинами в многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного внешнего электрического поля. Следствие — появление отрицательного дифференциального сопротивления в диодах на основе многодолинных полупроводников при приложении к ним сравнительно высокого напряжения. — за счёт ветки отрицательного дифференциального сопротивления появляются осцилляции тока, период которых зависит от амплитуды постоянного тока и размеров диода. Используется при генерации СВЧ колебаний.
7) Явления холодной эмиссии – электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением плёнок. Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной. Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие (6.1.2) здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно у чистых металлов и При получим На практике же холодная эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение относят на счет несостоятельности классических представлений для описания процессов на микроуровне. — все преимущества вакуумных приборов (высокие входные сопротивления, малые шумы, высокая радиационная стойкость)
8) Функциональные микросхемы, в которых используется эффект накопления и переноса зарядов — МДП структуры (ПЗС, приборы с переносом заряда)
9) Функциональные элементы на основе аморфных материалов (ЗУ большого объёма) — материалы с резко изменяющимся значением удельного электрического сопротивления.