Функциональная электроника

Итак, существующие физические и технологические ограничения интегральной электроники вызваны схемо- и системотехническим подходом к реализации заданных функций. Функциональная электроника использует иной подход к достижению поставленных целей.

Основу функциональной электроники составляют принципы физического моделирования, реализуемого на базе твердого тела. Физические процессы и явления, происходящие в твердом теле, моделируют функции передачи и преобразования информации. Если интегральная электроника использует статические неоднородности (потенциальные барьеры), то функциональная электроника основана на физических принципах интеграции динамических неоднородностей.

Статические неоднородности играют в функциональной электронике вспомогательную роль, например, при вводе и выводе информации или в управляющих элементах.

Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от его окружения свойствами. Среда, где генерируются и существуют динамические неоднородности, должна обладать вполне определенными для данных неоднородностей свойствами. Такая среда называется континуальной (от лат. – непрерывный).

Динамическая неоднородность может быть локализована или перемещаться по рабочему объему континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями. В процессе перемещения неоднородностей происходят перенос и обработка информации.

Известно большое количество динамических неоднородностей различной природы и континуальных сред, где эти неоднородности могут существовать. Это электрические домены и домены Ганна в полупроводниках, цилиндрические и полосовые домены в ферромагнетиках, поверхностные акустические волны в диэлектриках, вихри Абрикосова в сверхпроводниках и т.д.

Таким образом, функциональная электроника представляет собой направление электроники, где изучаются возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе этих процессов для обработки, генерации и хранения информации.

В зависимости от характера используемых физических эффектов и явлений, типа неоднородностей и континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений в функциональной электронике различают направления: оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнитоэлектроника и т.д. (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схема развития функциональной электроники [2]

В качестве иллюстрации рассмотрим краткие характеристики некоторых направлений функциональной электроники с указанием их основных достоинств и недостатков.

1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКА представляет собой направление функциональной электроники, изучающее явления взаимодействия динамических неоднородностей оптической природы с электромагнитными полями в континуальной среде, в том числе и активной, а также возможность создания приборов и устройств (ОЭУ) для обработки и хранения информации. Базовые эффекты и явления: фоторезистивный и фотовольтаический эффекты, электрооптические явления, интерференция, эффект Фарадея, Керра, голография.

Динамические неоднородности: электромагнитные волны в диапазоне 0,2-20 мкм, волновые фронты, волновые пакеты и др.

Континуальные среды – пассивные и активные оптические среды.

Основные ОЭУ: ЗУ, ассоциативные голографические ЗУ, оптроны, логические устройства, устройства отображения информации, Фурье-процессоры и т.д.

Достоинства ОЭУ: высокочастотность (высокая пропускная способность), острая фокусировка когерентного излучения (плотность записи информации до 10⁹ бит/см²), пространственная модуляция (возможность обработки параллельных потоков информации).

Недостатки ОЭУ: временная деградация, гибридность, низкая технологичность.

Выше мы уже рассматривали некоторые элементы ОЭУ: светодиоды, инжекционные полупроводниковые лазеры, фоторезисторы, фотодиоды (пп. 6.3, 7.8 – 7.10).

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА является направлением функциональной электроники, где исследуются акустоэлектронные эффекты и явления в различных континуальных средах, а также возможность создания акустоэлектронных устройств (АЭУ) для обработки, передачи и хранения информации с использованием динамических неоднородностей акустической и (или) электромагнитной природы.

Базовые эффекты и явления: прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, акустоэлектронный эффект, акустопроводимость, усиление звука, акустооптическое взаимодействие.

Динамические неоднородности: акустические, акустоэлектрические волны (поверхностные или объемные).

Континуальные среды: диэлектрики, пьезоэлектрики, пьезополупроводники.

Основные АЭУ: линии задержки, устройства частотной селекции (фильтры, резонаторы), генераторы, усилители, конвольверы, ЗУ.

Достоинства АЭУ: малая скорость волны (большие времена задержки), хорошие массогабаритные характеристики, простота реализации сложных функций, планарная технология.

Недостатки АЭУ: малый коэффициент преобразования, большие транспортные потери.

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

Базовые эффекты и явления: эффект Холла, магниторезистивный эффект, намагничивание ферромагнетиков, образование и взаимодействие магнитных доменов, воздействие внешнего магнитного поля на размеры и поведение доменов.

Динамические неоднородности: цилиндрические магнитные домены, границы доменов, точки Блоха, магнитные вихри Абрикосова, магноны.

Континуальные среды: ферромагнитные тонкие пленки феррит-гранатов и феррит-шпинелей, сверхпроводники первого и второго рода.

Основные МЭУ: ЗУ, линии задержки, процессоры сигналов, логические элементы.

Достоинства МЭУ: простота реализации сложных функций, планарная технология, энергонезависимость, большой объем и быстродействие ЗУ.

Недостатки МЭУ: большие габариты и масса.

Подобным образом можно оценить и другие направления функциональной электроники [16, 23].

Приведем оценку и сравнение некоторых параметров интегральных устройств. В функциональной электронике не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами неоднородностей. В устройствах функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан весь целиком, а не последовательно в виде отдельных битов информации, как в устройствах интегральной электроники. Возможно создание устройства, позволяющего проводить обработку информации в цифровом и аналоговом виде одновременно. Все это позволяет достичь производительности более 10¹⁵ операций/с, что на несколько порядков выше предельной производительности ИС.

Уникальным свойством приборов функциональной электроники является способность использовать в процессах обработки информации элементарные функции высшего порядка такие, как Фурье-преобразование, операция свертки, операция корреляции и др. Важно, что обработка и хранение информации осуществляются одновременно в активной среде прибора. Поэтому такое изделие функциональной электроники рассматривается как процессор, выполняющий функции высшего порядка.

Обработка информации в процессорах этого типа происходит в аналоговом виде, без перевода сигнала в цифровой код и обратно, преобразование осуществляется моментально в одном функциональном устройстве. Аналогичные преобразования на цифровых интегральных устройствах выполняются за достаточно большое время, это сложные и энергопотребляющие устройства.

Названные и другие особенности выгодно отличают устройства функциональной электроники, которая, однако, развивается не в качестве альтернативы, исключения интегральной электроники, а параллельно; они взаимно дополняют друг друга. Более того, созданы устройства, содержащие настолько весомую долю статических неоднородностей, что целесообразно называть их функционально-интегрированными. К таким устройствам, в частности, относятся ПЗС-устройства, где используются МДП-структуры, типичные элементы микроэлектроники.

Резюмируя сказанное, можно предположить, что будущее электроники за такими устройствами, которые соединяют достоинства обеих ее направлений – функционального и интегрального, за устройствами функциональной микроэлектроники (см. например, [16, 23]).