Динамические неоднородности как носители сигналов

Динамическая неоднородность представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от ее окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определенных физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализирована или перемещаться, но рабочему объему континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы.

В процессе перемещения динамической неоднородности может происходить, например, перенос информации. Деградация динамической неоднородности не приводит, как правило, к потерям и сбоям в процессах обработки информаци и.

Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы^[1]. Это ансамбли заряженных частиц (зарядовые пакеты), домены (сегнетоэлектрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены) динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны (ПАВ), магнитные статические волны (МСВ), волны пространственного заряда (ВПЗ), волны зарядовой плотности (B3I1) и т. д.).

Идея использования динамических неоднородностей в приборах по обработке п хранению информации является основополагающей, и ее развитие привело к формированию и становлению функциональной электроники как направления в микрои наноэлектронике. Это не схемотехническое направление в микроэлектронике, использующее в качестве носителей информации динамические неоднородности, основной тенденцией развития функциональной электроники является интеграция функциональных возможностей приборов и устройств.

Функциональная электроника представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими нолями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для целей обработки, генерации и хранения информации.

В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают направления в функциональной электронике, например функциональную акустоэлектронику, функциональную магнитоэлектронику, функциональную оптоэлектронику, функциональную диэлектрическую электронику, молекулярную электронику и т. п. Объединяющим их признаком является динамическая неоднородность как носитель или транслятор или хранитель информации. Например, традиционная полупроводниковая схемотехническая электроника отличается от полупроводниковой функциональной электроники носителем информационного сигнала. В приборах схемотехнической микроэлектроники — аналоговых или цифровых ИС — информация хранится или обрабатывается в ячейках в виде заряда, потенциала или тока определенного уровня на определенной статической неоднородности.

Напротив, в матрицах на приборах зарядовой связи (ПЗС), относящихся по своей физической природе к изделиям функциональной полупроводниковой электроники, информация хранится (либо обрабатывается) в виде динамической неоднородности — зарядового пакета, состоящего из электронов или дырок. Статические неоднородности, различные схемы обрамления в этих изделиях играют вспомогательную роль.

В функциональной электронике пока не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами статических или динамических неоднородностей. Сравним изделия традиционной схемотехнической и функциональной электроники по быстродействию.

В изделиях схемотехнической электроники перенос информационного сигнала происходит побитово по линиям межсоединений, что снижает помехоустойчивость и надежность изделий. В изделиях функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан одномоментно весь, целиком, не обязательно в виде отдельных битов информации. Возможно создание устройства, позволяющего производить обработку информации в аналоговом и цифровом видах одновременно, поэтому в устройствах обработки информации на принципах функциональной электроники достигается производительность более 10¹⁵ операций в секунду.

В изделиях функциональной электроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде, а не в линиях межсоединений. В схемотехнической электронике с ростом степени интеграции и уменьшением топологической нормы возникает проблема «тирании межсоединений». Она связана с резким увеличением интегральной площади, занимаемой на кристалле межсоединениями (более 60%), деградацией электрических параметров линий межсоединений, ростом энергии на перерезарядку линий межсоединений, влиянием погонной емкости линий межсоединений и волнового сопротивления на частотные характеристики схемы, необходимостью многоуровневой разводки при большом числе линий межсоединений. В приборах функциональной электроники межсоединения выиолняют функции вспомогательных связей и проблема «тирании межсоединений», характерная для интегральных схем, в этом случае не является ключевой проблемой.

Замечательным свойством приборов функциональной электроники является использование в процессах обработки информации элементарных функций высшего порядка. В качестве примеров таких функций назовем: Фурье-преобразование; интегральное преобразование Лапласа; операцию свертки; операцию корреляции; автокорреляцию; управляемую задержку информационного сигнала; хранение информации, в том числе в виде многобитовых носителей; фильтрацию информационного сигнала; когерентное сложение сигналов; ответвление информационных сигналов; комбинированную обработку информационных сигналов и т. д. В то же время в изделиях функциональной электроники элементарные функции высшего порядка могут быть реализованы наряду с традиционными элементарными функциями тина И, ИЛИ, НЕ и их различными комбинациями.

В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объем информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка. В таблице^[2] приведены некоторые примеры процессоров и их общие схемы.

Важно отметить, что обработка информации в такого тина процессорах происходит в аналоговом виде, без перевода аналогового сигнала в цифровой код и обратно. При данной обработке передача информации может осуществляться без проводников или линий межсоединений.

Устройства памяти реализуются путем упорядоченного сохранения в континуальной среде динамических неоднородностей, каждая из которых служит битом информации. Возможно создание запоминающих устройств и на основе многобитовых динамических неоднородностей.

В приборах и устройствах функциональной электроники информационный массив может быть обработан весь и сразу в одномоментном процессе. При этом не обязательно использовать последовательную побитовую обработку двоичной информации. Это эквивалентно случаю предельного распараллеливания процесса обработки массива информации. Например, акустооптический процессор обеспечивает производительность Ю¹⁰— 10¹² операций в секунду, в то время как специальная микросхема быстрого преобразования Фурье позволяет обеспечить производительность порядка 2,5 • 10⁸ операций в секунду. Выигрыш на несколько порядков в производительности существенен.

Рассмотренные процессоры относятся к изделиям функциональной электроники первого поколения. В них используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде.

Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической природы. Это первый элемент в предложенной модели прибора функциональной электроники. Так, в акустоэлектронных устройствах применяются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью — зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой «замороженный» бит информации.

Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твердом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. Наши интересы в области микроэлектроники сосредоточены в использовании твердого тела. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всем тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации.

Если используются два или более вида динамических неоднородностей в равных средах, то такие изделия относятся ко второму поколению.

Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.

Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в капал распространения, расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за ее пределов или сгенерирована в этом канале.

Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвертым элементом в модели прибора.

Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. В этом случае можно использовать хорошо развитые устройства и методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.

Предложенная модель прибора функциональной электроники позволяет развить системный подход к анализу известных конструктивных решений — прототипов приборов, раскрыть физическую сущность явлений, лежащих в основе работы приборов, оптимизировать известные конструкции по технико-экономическим параметрам, а также разработать прототип — новое, ранее неизвестное конструктивное решение с заданными техникоэкономическими показателями. Такого рода таксонометрические исследования имеют вполне самостоятельное значение как интеллектуальные исследования высокого уровня.

Историческая справка.

• 1. «Электрон так же неисчерпаем, как атом, природа бесконечна…» Эту мысль в начале прошлого века высказал В. И. Ленин в книге «Материализм и эмпириокритицизм», увидевшей свет в 1909 г.
• 2. В 1906 году английский физик Джозеф Джон Томсон стал обладателем шестой по счету Нобелевской премии по физике. Премия ему была присуждена за теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы. Еще в 1894 г. он начал исследования катодных лучей в магнитном и электрическом полях. Он показал, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Экспериментальные исследования позволили Томсону сделать следующие выводы:
  • • атомы не неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света и тепла;
  • • все частицы одинаковой массы несут одинаковый заряд отрицательного электричества от любого рода атомов. Такие частицы являются составной частью всех атомов;
  • • масса этих отрицательных частиц меньше однотысячной массы атома водорода.

По существу эта премия была за открытие электрона. Работы Дж. Дж. Томсона положили начало широкому фронту исследований в области изучения свойств электронов и их применения. Помимо различных областей физики, так или иначе связанных с электронами, появилось новое направление в науке и технике — электроника.

Проследим неисчерпаемость свойств электрона только по присужденным Нобелевским премиям.

3. Вторую по счету Нобелевскую премию по физике в 1902 г. получил голландский физик Хендрик Антон Лоренц. Он создал теорию на основе представления о подвижных ионах и электронах как источниках электромагнитного поля. Именно он вывел формулы, связывающие пространственные координаты и моменты времени одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца). Это позволило ему впервые получить зависимость массы электрона от скорости, а также предсказать новые явления.

Экспериментальное подтверждение существования в атомах дискретных уровней энергии нашло в опытах Франка — Герца по столкновению электронов с атомами газа. Немецкие физики Густав Людвиг Герц и Джеймс Франк в 1925 г. были удостоены Нобелевской премии за открытие законов соударения между атомами и электронами.

• 4. В 1905 г. за исследования в области катодных лучей Нобелевскую премию получил немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард. Именно он доказал, что при внешнем фотоэффекте высвобождаются электроны. Энергия этих фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и прямо пропорциональна его частоте.
• 5. В 1909 г. Нобелевская премия, но физике была присуждена немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну и итальянскому физику Гульсльмо Маркони за вклад в развитие беспроволочной телеграфии. В переводе на современный язык это радиотехника, радио как средство связи. К этому времени уже не стало замечательного русского инженера, изобретателя радио Александра Степановича Попова.

Браун известен как изобретатель катодной трубки (1897). На основе трубки Брауна были созданы первый электронный осциллограф, электронные телевизионные трубки.

• 6. 1900 г. немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк предложил чуждую для классической физики идею о кванте энергии, величина которой определяется произведением постоянной Планка и частотой колебания. Это открытие перевернуло классическую физику, способствовало возникновению квантовой физики и было отмечено Нобелевской премией 1918 г.
• 7. Идею Макса Планка развили многие ученые. Значительная роль в создании квантовой теории принадлежит Альберту Эйнштейну. По существу ему принадлежит теоретическое открытие фотона, который экспериментально обнаружил американский физик Артур Холли Комптон в 1922 г. (Нобелевская премия 1927 г.). А. Эйнштейн на основе квантовой теории света объяснил явление фотоэффекта, фотоионизацию, законы фотохимии и другие явления. В 1909 г. он ввел понятие корпускулярно-волнового дуализма для излучения. С тех пор электрон наделили не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Нобелевская премия по физике А. Эйнштейну была присуждена в 1921 г. за открытие фотоэлектрического эффекта.
• 8. На основе работ М. Планка и А. Эйнштейна датский физик Нильс Хендрик Давид Бор создал квантовую модель атома, согласно которой электроны движутся по теоретически известным стационарным орбитам, а их переходы с орбиты на орбиту сопряжены с излучением или поглощением кванта энергии. За заслуги в изучении строения атома и испускаемых им излучений Нильс Бор в 1922 г. был удостоен Нобелевской премии.
• 9. Однако интерес к корпускулярным свойствам электрона не ослабевал. На заре радиотехники и электроники создавались электронные лампы на основе термоэлектронных катодов. Английский физик Оуэн Вильяме Ричардсон в 1901 г. установил фундаментальную зависимость плотности тока насыщения электронной эмиссии от температуры поверхности катода. За работы по термоэлектронной эмиссии, особенно за открытие законов, носящих его имя, он в 1928 г. был удостоен Нобелевской премии. О величине заряда электрона в то время еще ничего не было известно.
• 10. Американский физик Роберт Эндрус Милликен разработал метод капель, с помощью которого ему удалось измерить заряд отдельных электронов. В 1913 г. он получил значение величины заряда 4,774 • 10 ¹⁰ электростатических единиц. Он экспериментально доказал дискретность электрического заряда и достаточно точно измерил его величину. В 1923 г. Р. Милликену была присуждена Нобелевская премия за работы в области элементарных зарядов и фотоэлектрического эффекта.
• 11. В 1923 г. французский физик Луи де Бройль распространил идеи А. Эйнштейна о двойственной природе света на вещество. Он предположил, что поток материальных частиц должен обладать также волновыми свойствами, напрямую зависящими от массы и энергии. Эти идеи нашли подтверждения в экспериментах по дифракции электронов в кристаллах. За открытие волновой природы электрона де Бройль получил в 1929 г. Нобелевскую премию.
• 12. Идеи де Бройля о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма были положены в основу волновой механики Э. Шредингера. Австрийский физик Эрвин Шредингер ввел для описания состояния микрообъекта волновую функцию и предложил фундаментальное уравнение. Он доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики разработанной В. Гейзенбергом, М. Бором и П. Иорданом. В 1933 г. Вернер Карл Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак удостоены Нобелевской премии за создание квантовой механики.
• 13. Американские физики Клинтон Джозеф Дэвиссон и английский физик Джордж Паджит Томсон, изучая термоэлектронную и термоионную эмиссию, независимо открыли явление дифракции электронов на кристаллах. Это было еще одним доказательством торжества идей де Бройля. За экспериментальное открытие интерференционных явлений в кристаллах, облучаемых электронами, в 1937 г. им была присуждена Нобелевская премия.
• 14. Уместно упомянуть о Нобелевской премии немецкому физику Максу Борну, присужденную в 1954 г. за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции.
• 15. В 1932 г. американский физик Карл Дэвид Андерсон экспериментально обнаружил в космических лучах позитрон — античастицу электрона. За это открытие К. Андерсон был удостоен Нобелевской премии.
• 16. Исследование электрона как элементарной частицы продолжалось в атомных излучениях и космических лучах. Были созданы ускорители заряженных частиц, в том числе электронов, которые позволили открыть новые свойства материи, включая радиоактивность. В этой области, так или иначе связанной с природой электронов, были также присуждены Нобелевские премии, например ее получил Эрнст Орландо Лоуренс за создание циклотрона (1939).
• 17. Исследования электрона как квантовой частицы обусловили введение понятия спина электрона. Таким образом, помимо заряда и массы электрон был наделен еще собственным механическим и магнитным моментом. Учет спина электрона позволил австрийскому физику Вольфгангу Паули сформулировать принцип, согласно которому две тождественные частицы с полуцелыми спинами не могут находиться в одном состоянии. Он же создал теорию спина электрона, спиновые матрицы. За открытие принципа исключения, называемого «принципом Паули», в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия.
• 18. Среди экспериментальных работ по исследованию свойств электрона следует отметить работу по измерению аномального магнитного момента электрона. Американский физик Поликарп Каш за эти уникальные эксперименты в 1955 г. получил Нобелевскую премию.
• 19. Советский физик Павел Алексеевич Черенков открыл явление свечения веществ под воздействием потока электронов, движущихся со сверхсветовой скоростью. Явление получило название «эффект Вавилова — Черенкова», но теоретически не было объяснено. Два советских физика, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк, создали теорию эффекта. В 1958 г. всем троим была присуждена Нобелевская премия за открытие и объяснение «эффекта Черенкова».
• 20. В 1950;е гг. выяснилось, что свободные электроны могут существовать не только в вакууме, но и в твердом теле. Более того, у них есть антиподы — квазичастицы, дырки в полупроводниках. Управляя потоком электронов и дырок в твердом теле в качестве полупроводника, можно создать различные электронные приборы. Американские физики Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн создали полупроводниковый транзистор, который перевернул мир электроники, открыл новые горизонты практически во всех областях науки и техники. В 1956 г. эти ученые были удостоены Нобелевской премии за исследования полупроводников и транзисторного эффекта.
• 21. Весьма значимое открытие сделали советские ученые во главе с Жоресом Ивановичем Алферовым. Конструируя полупроводниковые и квантовые приборы, он открыл явление сверхинжекции, создал идеальные полупроводниковые гетероструктуры. В 2000 г. Ж. И. Алферов был удостоен Нобелевской премии за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий. Оновременно с ним этой премии был удостоен американский исследователь Джек Килби, который создал первую интегральную схему на основе транзисторов.
• 22. В середине XX в. выяснилось, что генерировать излучение в оптическом диапазоне длин волн можно с помощью открытого А. Эйнштейном явления индуцированного излучения, основанного на квантовых свойствах связанных электронов в атоме. Советские физики Александр Михайлович Прохоров, Пиколай Геннадьевич Басов и американский физик Чарлз Таунс в 1964 г. получили Нобелевскую премию за фундаментальные исследования в области квантовой радиофизики, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа — мазеров и лазеров.
• 23. Используя эффект туннелирования электронов в полупроводниках, японский физик Лео Эсаки создал туннельный диод и был удостоен в 1973 г. Нобелевской премии. Этой же премии был удостоен английский физик Брайн Дэвид Джозефсон за предсказанный им эффект туннелирования электронов в сверхпроводниках (эффект джозефсоновского туннелирования).
• 24. Научный мир привык к свойствам электрона, имеющего целый элементарный заряд, определенную массу, спин и т. д. Привыкли и к волновым свойствам электрона. Обнаруженный в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом эффект появления поперечной ЭДС как для электронов, так и для дырок в полупроводнике стал мощным экспериментальным методом для определения концентрации носителей и знака их заряда. В 1980;х гг. работами, в том числе советского физика Ж. И. Алферова, была развита технология получения полупроводниковых гетероструктур типа GaAs/Al₍₁__v)Ga_vAs, позволяющих реализовать двумерный электронный газ. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон Клитцинг с соавторами измерял магнитосопротивление и холловскую ЭДС в гстероструктурах. Был обнаружен эффект квантования холловской проводимости. Этот эффкт назвали квантовым эффектом Холла (Integer Quantum Hall Effect, IQIIE). За открытие квантового эффекта Холла К. фон Клитцинг был удостоен в 1985 г. Нобелевской премии.
• 25. Теоретическое объяснение этому эффекту дал Роберт Лафлин. В соответствии с его теорией электроны в двумерном электронном газе вследствие сильного кулоновского отталкивания образуют несжимаемую квантовую жидкость — жидкость Лафлина. Особенность состояния жидкости Лафлина заключается в том, что элементарные возбуждения в ней могут иметь дробный заряд. В сентябре 1997 г. исследователи показали, что наблюдаемые квазичастичныс возбуждения имели заряд е/3, или в три раза меньше заряда электрона при факторе заполнения 1/3. В 1998 г. Нобелевская премия была вручена Р. Лафлину, Хорсту Штсрмсру и Дэниелу Тсуи за открытие новой формы квантовой жидкости с частично заряженными возбуждениями. Итак, стало ясно, что электрон в определенных условиях может иметь дробный заряд.
• 26. Фотографирование, видеосъемка ныне осуществляются бсспленочными аппаратами и камерами, телефонами и планшетами, причем изображение сразу получается в цифровом виде. Этой электронной технологии на приборах с зарядовой связью мы обязаны трем лауреатам Нобелевской премии по физике за 2009 г. — Чарльзу Као, Уилларду Бойлю и Джорджу Смиту.
• 27. В 2010 г. исследователи из Манчестера русского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию, но физике за открытие графена — двумерного кристалла графита. Именно с графеном, обладающим уникальными свойствами, связывают формирование нового поколения приборов и устройств электроники.

Список можно продолжить…

В заключение приведем конец фразы В. И. Ленина, которую наверняка далеко нс все читали: «…но она (природа!) бесконечно существует, и вот это-то единственно категорическое, единственно безусловное признание ее существования вне сознания и ощущения человека и отличает диалектический материализм от релятивистского агностицизма и идеализма».

Что ж, будем дальше следить за неисчерпаемостью электрона, бесконечностью природы.

• [1] Щука А. А. Электроника. Ч. IV. Функциональная электроника: учебник для академического бакалавриата; под ред. А. С. Сигова. 2-е изд., испр. и доп., 2016.С. 14, 19.
• [2] Щука А. А. Электроника. Ч. IV. Функциональная электроника. С. 59.