по направлению 511500 - радиофизика
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основной задачей курса "Функциональная электроника" является обучение студентов новому, несхемотехническому принципу обработки и хранения информации в микроэлектронике.
Изучение разнообразных физических процессов и явлений, протекающих в твердом теле, которые могут быть использованы для моделирования различных функций преобразования информации, а также принципы работы перспективных устройств функциональной электроники и анализ возможности дальнейшего развития систем функциональной электроники является предметом данного курса. В итоге студент должен освоить навыки решения физических и инженерных задач по созданию и проектированию функциональных приборов типа процессоров и запоминающих устройств, основанных на физической интеграции различных процессов и явлений в твердом теле. При этом основное внимание уделено рассмотрению явлений взаимодействия волн различной природы, распространяющихся в материальных средах, обладающих электронной проводимостью, спонтанной поляризацией или намагниченностью и т.п.
Курс основывается на ряде базовых дисциплин типа физика твердого тела, твердотельная электроника.
Данный курс будет способствовать формированию у студентов нового физического мировоззрения на несхемотехнические способы обработки и хранения информации и является основой для понимания дальнейшего развития микроэлектроники, переходящей в наноэлектронику.
Введение. Предмет дисциплины и ее задачи. Функциональная электроника (ФЭ) - четвертое поколение в электронике. Два направления развития микроэлектроники. Ограничения в схемотехнической интегральной электронике по физическим и технологическим факторам. Статистические и динамические неоднородности. Типы носителей информационного сигнала. Функциональная электроника - электроника динамических неоднородностей.
Континуальные среды для элементов и устройств функциональной электроники. Физические поля и процессы, обеспечивающие возникновение, продвижение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальной среде. Элементы для генерации, управления и считывания динамических неоднородностей. Обобщенная схема построения элементов и устройств функциональной электроники. Особенности выбора материалов континуальной среды для компонентов функциональной электроники. Классификация элементов и устройств ФЭ по направлениям и назначениям.
Полупроводниковая электроника. Электрическая объемная неустойчивость в многодолинных полупроводниках. Образование доменов сильного поля; условия их существования и продвижения. Перенос носителей заряда в аморфных полупроводниках, шнурование тока. Квантовые размерные эффекты в полупроводниках.
Влияние электрического поля на объемную и поверхностную электропроводимость полупроводников. Особенности эффекта поля в МДП-структурах с плавающим затвором с многослойными или активными диэлектриками.
Эффекты, связанные с изменением кристаллической структуры вещества. Влияние фазовых переходов в твердых телах на их электрические свойства. Бистабильность стационарных состояний в полупроводниках, оптическая бистабильность.
Колебания в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными неустойчивостями. Автоколебания и хаос. Электрически управляемые резисторы. Варисторы, трехэлектродные резисторы различного назначения на основе МДП-структур. Элементы с S- и N-образной вольт-амперной характеристикой. Функциональные интегриальные схемы на основе аморфных полупроводников и оксидов переходных металлов. Генераторы, усилители, логические схемы и запоминающие устройства на элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Физические основы работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Накопление и перенос заряда, шумовые процессы. Способы реализации и физические ограничения ПЗС. Цифровые устройства на ПЗС: логические элементы, накопители информации, запоминающие устройства. Аналоговые устройства на ПЗС: линии задержки, фильтры, мультиплексоры, корреляторы, спектральные преобразователи. Формирователи сигналов изображения. Матричные фоточувствительные схемы с зарядовой связью.
Криоэлектроника. Сверхпроводники первого и второго рода. Высокотемпературые сверхпроводники. Эффект Джозефсона: стационарный и нестационарный. Квантование магнитного потока, квантовое обобщение уравнения Лондонов. Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДЫ). Устройства на основе сверхпроводников: криотронные переключатели и элементы памяти, элементы и устройства на вихрях Абрикосова и Джозефсоновских переходах. Линии задержки, цифровые логические схемы, устройства обработки сигналов. Сверхпроводящие компоненты для приемников излучения, приборы с переносом квантов потока. Схемы на базе комбинаций сверхпроводников и полупроводников, процессоры.
Акустоэлектроника. Элементы теории упругости: тензоры деформаций, напряжений, моделей упругости, упругих постоянных. Уравнение движения изотропной упругой среды. Волны Рэлея. Распределение энергии в рэлеевской волне. Рэлеевские волны в кристаллах, особенности, обусловленные анизотропией. Волны Лява. Типы и свойства поверхностных акустических волн: волны Стоунли, Лэмба, Гуляева-Блюстейна; вытекающие волны. Методы возбуждения и приема акустических волн.
Встречно-штыревой преобразователь: эквивалентная схема, параметры. Управление распространением акустических волн: многополосковые ответвители, отражатели. Резонаторы акустическихэ волн.
Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами. Усиление акустических волн. Нелинейные эффекты в упругой среде.
Основные устройства функуциональной акустоэлектроники. Линии задержки и фазовращатели. Полосовые, трансверсальные и дисперсионные фильтры. Акустоэлектронные корреляторы, конволоверы и элементы памяти. Акустоэлектронные усилители и генераторы.
Магнитоэлектроника. Магнитоупорядоченные вещества и их магнитные характеристики. Обменное взаимодействие и магнитная анизотропия.
Цилиндрические магнитные домены. Доменные границы. Генерация, деление, перемещение и детектирование цилиндрических магнитных доменов. Запоминающие устройства и процессоры сигналов на цилиндрических магнитных доменах.
Магнитоупругое взаимодействие, магнитоупругие волны. Магнитоакустические запоминающие устройства, фильтры СВЧ-сигналов.
Спиновые и магнитостатические волны. Функциональные устройства на магнитостатических волнах: управляемые и дисперсионные линии задержки, фазовращатели, модуляторы, генераторы сдвига частоты и шумоподобного сигнала. Взаимодействие магнитостатических волн с носителями заряда, усиление магнитостатических волн.
Оптоэлектроника. Динамические неоднородности, континуальные среды, генераторы и детекторы. Физические основы приборов функциональной оптоэлектроники.
Функциональная акустооптика. Фотоупругий эффект. Акустооптическое взаимодействие. Брэгговская дифракция. Интенсивность и поляризация дифрагированного пучка. Корпускулярное представление акустооптического взаимодействия. Дифракция Рамана-Ната. Поверхностная акустооптика.
Устройства функциональной акустооптики: акустооптические модуляторы и дефлекторы, процессоры, спектр-анализаторы сигналов. Акустооптические корреляторы сигналов, перестраиваемые фильтры. Интегрально-оптические приборы на поверхностной дифракции.
Функциональная магнитооптика. Эффект Фарадея в магнитоупорядоченных оптически прозрачных материалах. Основные механизмы взаимодействия света на магнитных неоднородностях различного типа: дифракция на доменной структуре, рассеяние света в магнитооптических волноводных структурах, дифракция света на спиновых волах.
Устройства функциональной магнитооптики: модуляторы и дефлекторы, процессоры и фильтры, приборы оптической обработки сигналов.
Диэлектрическая электроника. Диэлектрические среды: пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэлектрики, сегнетомагнетики. Электрические домены, фазоны, флуктоны. Явления в слоистых структурах на основе диэлектрических, металлических и полупроводниковых сред. Механизмы переноса носителей заряда в пленочных системах. Токи через тонкие диэлектрические пленки, надбарьерная эмиссия, туннелирование; токи, ограниченные пространственным зарядом.
Устройства диэлектрической электроники: элементы памяти, процессоры, диэлектрические диоды и транзисторы.
Хемотроника. Электрический ток ионов в жидких растворах. Процессы, протекающие на границе раздела фаз электрод - раствор. Электрохимические реакции в электролитах. Фазовые переходы на электродах, электрокапиллярные явления. Хемотронные устройства: электрохимические диоды, усилители, интеграторы.
Твердофазные хемотронные приборы: запоминающие элементы, элементы памяти, ионистр.
Заключение. Основные тенденции и направления дальнейшего развития функциональной электроники. Использование новых физических явлений и материалов для создания устройств функциональной электроники.
Молекулярная электроника. Биоэлектроника. Оптоэлектронные приборы на жидких кристаллах. Функциональная электроника на самоорганизующихся средах.
Перечень лабораторных работ
Литература
Основная
Дополнительная
Программу составил А.В. Войцеховский, профессор (Томский госуниверситет)