Молекулярная электроника — это раздел электроники, решающий комплекс
физических, химических, схемотехнических и технологических проблем с
целью создания микроминиатюрной электронной аппаратуры путем
использования различных эффектов и физических явлений в молекулах
твердого тела.
При построении молекулярных функциональных устройств используют
следующие явления и эффекты: формирование, накопление и перенос
электрических зарядов (доменов), взаимодействие потока электронов с
акустическими волнами (акустоэлектроника), фотоэлектрические,
оптические, тепловые, термоэлектрические и другие явления.
Примером функционального элемента является кварцевый резонатор,
выполняющий функцию частотной селекции, в котором электрическая функция
реализуется за счет прямого и обратного Пьезоэлектрических эффектов.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора состоит из
индуктивности, емкости и сопротивлений. Однако в конструкции резонатора
мы не можем обнаружить их прототипы в общепринятом конструктивном
оформлении.
При создании электронных схем особые требования предъявляют к чистоте
материала и внутреннему строению его кристаллической решетки, так как
малейшие примеси и изменения в строении кристаллической решетки
оказывают значительное влияние на физико-электрические параметры
материала.
Электронные схемы получают подобно интегральным микросхемам, создавая
внутри кристалла локальные неоднородности, позволяющие осуществлять
необходимое управление потоком объемных зарядов с помощью электрических
или магнитных полей. Технология изготовления молекулярных функциональных
устройств имеет много общего с технологией полупроводниковых
интегральных схем. В основе создания молекулярных функциональных
устройств лежат те же физические явления, что и в основе создания
интегральных схем, однако функции первых многообразнее. Отличие состоит
в том, что в молекулярных устройствах нельзя отождествлять отдельные
структурные области с элементами радиосхемы; эти устройства можно
оценивать только в целом по выполняемым ими функциям.
Новым направлением в развитии микроэлектронных устройств на
МОП-структурах являются приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Принцип действия ПЗС основан на хранении заряда неосновных носителей в
потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под
действием внешнего электрического поля, и на перемещении этого заряда
вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Для ПЗС характерны два
режима работы: хранение и передача информационного заряда. На основе ПЗС
создаются логические приборы для ЭВМ, линии задержки, полупроводниковые
передающие телевизионные трубки и др.
В основе акустоэлектроники лежит использование явлений взаимодействия
акустических и электрических колебаний. Элементами акустоэлектронных
функциональных устройств являются пьезоэлектрические преобразователи,
осуществляющие превращение энергии электрических колебаний в энергию
упругих колебаний и обратно. На этом принципе созданы линии задержки для
цветных телевизоров. Такие приборы состоят из подложки (звуко-провода) и
двух преобразователей, предназначенных для возбуждения и приема
поверхностных акустических волн (ПАВ). Время задержки сигнала
определяется расстоянием между преобразователями и скоростью
распространения ПАВ. Максимальное время задержки ограничивается
размерами пьезокристалла (подложки) и равно 100 мкс. Объем, занимаемый
линией задержки ПАВ по сравнению с волноводными и коаксиальными линиями
задержки СВЧ-диапазона, уменьшается в 104 раз, а масса —в 500 раз.
Приборы магнитоэлектроники основаны на использовании эффектов в
магнитоуправляемых веществах, возникающих
при наличии магнитного поля. К таким приборам относятся структуры на
магнитных доменах (полосковых или цилиндрических). Принцип работы
приборов заключается в формировании и продвижении одиночных доменов в
узких низкокоэрцитивных каналах, образованных в высококоэрцитивной
магнитной пленке.
Создание принципиально новых устройств хранения и переработки информации
на цилиндрических доменах (запоминающих устройствах большой емкости,
логических и переключающих устройствах) открывает новую страницу в
вычислительной технике.
Новый многообещающий класс прозрачных магнитных кристаллов позволяет
создавать большой набор устройств управления. Эти устройства способны в
ближайшие годы вытеснить существующие аналоги электронных,
электрооптических, акустических и других приборов. Таким образом, один
функциональный блок, созданный в едином монолите твердого тела,
осуществляет преобразование сложных функций, заменяя собой целую схему,
составленную из дискретных активных и пассивных элементов.
Принцип действия прибора хемотроники основан на электрохимическом
преобразовании. В качестве носителей заряда используются ионы в жидких и
твердых электролитах. Хемотронные приборы (ионисторы, мимисторы и др.)
применяют в различных микроэлектронных устройствах, где они выполняют
функции выпрямления, электропитания, преобразования, усиления,
интегрирования и запоминания информации.
Приборы криоэлектроники основаны на эффекте скачкообразного уменьшения
(в миллиарды раз) сопротивления металлов (ниобия и др.) при охлаждении
до температур, близких к абсолютному нулю. Это явление называется
сверхпроводимостью. Наиболее существенно на свойства сверхпроводников
влияет внесение магнитного поля.
На этом принципе построен прибор криотрон, в котором ток входной цепи
своим магнитным полем управляет переходом выходной цепи из
сверхпроводящего состояния в нормальное, если ее ток меньше
практического значения. Криотрон обладает высоким быстродействием и
может работать на очень высоких частотах (свыше 1 ГГц) в логических
ячейках, сумматорах, дешифраторах и других устройствах ЭВМ.
Оптоэлектронные устройства основаны на использовании светового луча для
передачи и обработки информации. Совместное использование электрических
и оптических связей на основе различных физических эффектов (например,
электролюминесценция, фотопроводимость, электромагнитоакустический
эффект, фотодиоды) позволяет по-новому строить функциональные
оптоэлектронные устройства. Эти устройства могут получать, хранить,
передавать и перерабатывать информацию.
В зависимости от организации оптоэлектронного устройства и физической
природы входной и выходной информации преобразователи электрический
сигнал — свет и свет — электрический сигнал
могут выполнять роль входных и выходных элементов. Например, оптический
сигнал, воздействуя на фотоприемник, преобразует световую энергию в
электрическую. В оптоэлектронном устройстве возможны самые разнообразные
сочетания взаимодействия входных и выходных сигналов: электрический —
электрический,
В измерительной технике широкое применение получили фотоприемники,
излучатели, светодиоды, оптронные (оптроны) преобразователи, а также
различные световые индикаторы.
Биотроника — это область функциональной микроэлектроники, основанная на
явлениях живой природы. Она призвана использовать принципы и сами
структуры хранения и обработки информации, приближающиеся по своим
функциональным возможностям к человеческому мозгу.
Учеными ряда стран ведутся интенсивные работы в этом направлении.
Достижения последних лет позволили создать устройства ассоциативной
памяти, самонастраивающиеся фильтры и др. Перспектива развития
биотроники — это создание биопреобразователей информации.