Диэлектрическая электроника. 
Электроника

В диэлектриках в нормальных условиях нет электронов проводимости. Поэтому при воздействии внешнего электрического поля в них нет перемещения электронов.

Если электрическое поле имеет большую напряженность, то происходит электрическая поляризация диэлектрика, и в его объеме появляется собственное электрическое поле. В некоторых диэлектриках поляризация наблюдается при отсутствии внешнего поля (например, в сегнетоэлектриках).

В современных диэлектрических приборах наиболее часто используются: нелинейная поляризация; гистерезис и эффект прохождения электронов через тонкую пленку диэлектрика.

Если сегнетоэлектрик используется в качестве диэлектрика конденсатора, то электрическая емкость последнего будет зависеть от напряжения на его обкладках (рис. 1.22, е, кривая II). Примерно такую же (но обратную) характеристику имеют и полупроводниковые конденсаторы — варикапы (рис. 1.22, е, кривая I), рассмотренные выше.

Это позволяет создавать диэлектрические усилители, схема одного из них приведена на рис. 1.22, ж. При изменении входного напряжения меняется емкость управляемого конденсатора, а следовательно, и его реактивное сопротивление, что влечет за собой изменение тока в цепи нагрузки. При этом на изменение емкости конденсатора затрачивается чрезвычайно малая мощность входного сигнала, вследствие чего усиление диэлектрического усилителя по мощности может быть очень большим.

В сегнегоэлектриках наблюдается гистерезис: поляризовавшийся под действием внешнего электрического поля сегнетоэлектрик после прекращения действия электрического поля остается поляризованным. Это используется при создании различных запоминающих и переключающих устройств, обладающих высокой экономичностью, быстродействием и очень малыми размерами.

Поскольку в идеальных диэлектриках нет ни носителей заряда, ни заряженных частиц, в них могут относительно свободно перемещаться электроны, вводимые извне. Это позволяет создавать диэлектрические диоды и триоды.

Устройство одного из видов диэлектрических диодов предельно просто: катодом служит пленка алюминия, поверхность которой окисляется, образуя при этом тонкий (до нескольких микрометров) диэлектрический слой, поверх диэлектрика наносится тонкий слой золота, являющийся анодом. Под действием поля положительно заряженного анода электроны, выходящие из катода, туннельно проходят диэлектрический слой, образуя анодный ток значительной величины. При обратной полярности приложенного напряжения ток через диод практически не проходит, т. е. диод обладает свойством односторонней проводимости.

В другом виде подобных диодов, называемых «инжекционными», анодом является слой теллура, поверх которого нанесен слой сульфата кадмия, на который, в свою очередь, напыляется катод из индия. В этой трехслойной структуре теллур и сульфат кадмия, являющийся полупроводником с широкой запрещенной зоной, образуют л-р-переход. Контакт сульфат кадмия-индий является омическим (невыпрямляющим).

Наличие л-р-перехода приводит к тому, что электроны в диоде могут двигаться лишь в одном направлении: из индия в сульфат кадмия, затем в слой теллура. Переход в обратном направлении затруднен полем л-р-перехода.

Работа инжекционного диода напоминает работу полупроводникового и вакуумного электронного диодов одновременно. Действительно, электроны инжектируются в высокоомный полупроводник, в котором чрезвычайно мало свободных электронов и ионов, так что ничто не препятствует их прохождению к аноду. При этом движущиеся электроны создают область пространственного заряда, как и в вакуумном диоде, вследствие чего их анодные вольт-амперные характеристики почти тождественны. В то же время для получения односторонней проводимости в инжекционном диоде используется и-р-переход, как и в обычном полупроводниковом диоде.

Если в слой сульфата кадмия между анодом и катодом инжекционного диода поместить управляющую сетку, выполненную в виде проводящих полосок, образующих дополнительный и-р-переход, то получится инжекционный триод.

Работает он примерно так же, как и вакуумный: управляющая сетка, помещенная вблизи катода, может своим полем препятствовать или способствовать прохождению электронов и тем самым изменять величину тока.

Инжекционные диоды и триоды сочетают в себе положительные качества электронных ламп и полупроводниковых приборов обычной конструкции. Они не требуют подогрева катода, работают в широком диапазоне температур, могут работать на СВЧ, так как в них скорость движения электронов весьма велика, а междуэлектродные расстояния малы.

Таким образом, принципы диэлектрической электроники позволяют создавать предельно миниатюрные функциональные элементы с очень малым потреблением энергии питания и очень высоким быстродействием.

Акустоэлектроника основана на использовании резонансных пьезоэлектрических эффектов и эффектов взаимодействия акустических (упругих) колебаний с электромагнитными полями в полупроводниковых материалах.

Акустоэлектронные приборы наиболее широко применяются в качестве различных фильтров (например, кварцевые резонаторы) и линий задержки. Однако возможно создавать и усилительные акустоэлектронные приборы, ибо в некоторых полупроводниках (например, сульфиде и селениде кадмия) наблюдается пьезоэлектрический эффект.

Если к торцам такого полупроводникового кристалла, обладающего достаточной электрической проводимостью и пьезоэффектом, подвести ультразвуковое колебание и приложить постоянное электрическое напряжение такого значения, чтобы скорость движения электронов вдоль оси кристалла несколько превышала скорость распространения ультразвуковой волны, то амплитуда волны будет возрастать по мере движения вдоль оси кристалла. Усиление происходит вследствие взаимодействия потока электронов с ультразвуковыми колебаниями решетки кристалла, в результате чего ультразвуковой волне передается энергия потока электронов. Но это возможно только в том случае, если скорость движения электронов несколько больше скорости распространения ультразвуковой волны. Если скорость движения электронов будет меньше скорости распространения ультразвуковой волны, то волна будет ослабляться.

Устройство одного из видов электроакустического усилителя чрезвычайно простое: к торцам полупроводникового стержня длиной 1−2 см, выполненного из сульфида кадмия, через электроды приложено ускоряющее напряжение и присоединены электромеханические преобразователи, преобразующие электрические колебания в ультразвуковые и ультразвуковые — в электрические. Коэффициент усиления по мощности достигает несколько десятков тысяч на 1 см длины стержня и тем больше, чем выше частота ультразвуковой волны.

Если освещать кристалл сульфида кадмия интенсивным солнечным светом и одновременно пропускать через него ультразвуковое колебание, то при этом возникает электрическое поле, которое создает значительной величины ЭДС, направленную вдоль оси распространения волны.

Это является весьма эффективным способом преобразования солнечной (или механической) энергии непосредственно в электрическую.

Криоэлектроника основана на взаимодействии электронов в твердых телах, охлажденных до сверхнизких температур (обычно — от 8 до О К), с электромагнитными полями. В криоэлектронных приборах используются явления сверхпроводимости металлов и их сплавов, возникновение у некоторых металлов (при очень глубоком охлаждении) свойств полупроводников и появление в некоторых диэлектриках зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности действующего в них электрического поля.

Эти эффекты позволяют создавать усилители с малым уровнем собственных шумов, фильтры, линии задержки, различные переключающие устройства. К числу последних относится «криотрон» — переключающий элемент, имеющий два устойчивых состояния равновесия: сверхпроводящее («Включено») и плохо проводящее («Выключено»). Криотрон переключается весьма быстро — за доли наносекунды, что позволяет создавать быстродействующие переключающие и импульсные устройства. При этом криотрон малогабаритен: на площади в 1 мм² можно разместить до 10² криотронов.

Не менее интересны и перспективны криогенные приборы на основе эффекта Джозефсона, заключающегося в управлении туннельным прохождением электронов через тонкий слой диэлектрика, толщиной в единицы нанометра (1 нм = 10 ⁹ м), находящегося между двумя сверхпроводниками. Скорость переключения таких приборов очень велика: не более нескольких десятков пикосекунд (1 пс= 10 ¹² с), а рассеиваемая мощность — сотые доли микроватта.

Особое значение криоэлектроника приобретает в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости, что позволяет существенно упростить конструкции многих криогенных приборов и более широко использовать их для построения различных электронных устройств.

Хемотроника. Хемотронные приборы основаны на обратимых электрохимических эффектах, возникающих в электролитах при протекании через них электрического тока.

С помощью хемотронных приборов можно усиливать, преобразовывать, запоминать и генерировать электрические сигналы самой разнообразной формы.

Преимущества хемотронных приборов: простота конструкции, малое потребление энергии питания, неограниченный срок службы, малые габариты и масса, высокая надежность. Один хемотронный прибор может заменить целое устройство, для создания которого на обычных полупроводниковых приборах часто необходимо использовать несколько десятков транзисторов, диодов и других элементов.

Устройство хемотронного диода весьма простое (рис. 1.22, з): стеклянная ампула заполнена электролитом (например, водным раствором йодистого калия), в который введены платиновое острие анода и плоская платиновая пластинка катода. При включении диода в электрическую цепь положительные ионы электролита начинают перемещаться к катоду, отрицательные — к аноду и на поверхностях анода и катода начинают протекать окислительно-восстановительные процессы. Если площади электродов одинаковы, то окислительно-восстановительные процессы уравновешивают друг друга и вольт-амперная характеристика симметрична и не зависит от полярности анодного напряжения (рис. 1.22, и). При напряжении 0,2−0,3 В происходит насыщение анодного тока, и он больше не увеличивается при повышении анодного напряжения. Это позволяет использовать хемотронные диоды в качестве стабилизаторов.

Если площадь анода на несколько порядков меньше площади катода, то вольт-амперная характеристика становится резко несимметричмой — ток протекает преимущественно в одном направлении, от катода к аноду.

Недостатки хемотронного диода: относительно малый ток (обычно десятки — сотни микроампер) и относительно большое время его установления: после включения прибора проходит несколько десятков секунд, прежде чем в нем устанавливается нормальный процесс.

Для увеличения рабочего тока и снижения времени установления катод может выполнятся подогревным. При этом ток увеличивается в десятки раз, а время установления не превышает нескольких секунд.

К недостаткам хемотронных диодов относится также довольно сильная зависимость параметров от температуры — прямой и обратный токи возрастают на 2−3% на каждый градус.

Хемотронный диод в принципе многофункциональный прибор, ибо может быть использован как интегратор, счетчик времени, счетчик количества электричества и т. д.

Например, если между катодом и анодом установить пористую перегородку, которая при отсутствии напряжения между катодом и анодом препятствует перемешиванию электролита анодной и катодной областей, то получится интегратор.

При включении анодного напряжения в зависимости от его значения и времени действия произойдет частичное перемешивание растворов: ионы из анодной области будут перемещаться в катодную, а им навстречу будут диффундировать отрицательные ионы.

При перемешивании электролитов изменяется их прозрачность, плотность, цвет, что и позволяет производить отсчет измеряемой величины (тока, напряжения или времени).

Например, если анодное напряжение строго постоянно, то интегратор может быть использован как таймер — счетчик времени работы какого-либо электронного устройства — от минут до нескольких лет. При этом погрешность отсчета такого счетчика времени интегратора не превышает 1−2% за несколько тысяч часов.

Для измерения количества электричества, прошедшего через прибор, он включается в электрическую цепь на заданное время и для определения количества электричества, прошедшего через интегратор, достаточно измерить остаточную ЭДС между анодом и катодом после выключения прибора.

Особенность двухэлектродных интеграторов — трудность считывания результата во время прохождения тока, т. е. невозможность текущего контроля за измерением. Этот недостаток устранен у многоэлектродных интеграторов.

Если в анодный отсек интегратора поместить вспомогательный электрод, то он образует дополнительную электрохимическую ячейку с основным электродом. Предельный ток ячейки пропорционален концентрации ионов, и если подключить к этим электродам микроамперметр, то по его показаниям можно судить об изменении концентрации ионов в отсеке. При этом микроамперметр может быть отградуирован непосредственно в единицах количества электричества.

Помимо жидкостных, разработаны твердофазные интеграторы, принцип действия которых основан на изменении состояния самих электродов или на переносе вещества с одного электрода.

Одним из таких приборов является мемистор — управляемый электрохимический резистор. Мемистор, как и обычный хемотронный диод, состоит из двух электродов, помещенных в раствор электролита. Один из электродов — резистивный — имеет два вывода и выполняется из родия, другой — из меди, а в качестве электролита используется водный раствор сернокислой меди (рис. 1.22, к). При подаче напряжения на прибор на резистивном, родиевом, электроде выделяется медь, уменьшая его сопротивление, которое может изменяться от нескольких КОм до нескольких Ом — в зависимости от величины приложенного напряжения и времени его действия.

Важная особенность мемисторов — «память»: при отключении от электрической цепи его сопротивление резистивного электрода сохраняется неизменным очень долго.

Дальнейшим развитием твердофазных интеграторов являются приборы типа ионистор, выполняемые в виде трех спрессованных таблеток: серебряного катода, твердого электролита (RbAgJ_s) и угольного анода. При подаче на ионистор напряжения в полярности минус на катод, плюс на анод происходит электролиз электролита — выделение серебра на катоде и нарушение электрической нейтральности системы в целом, т. е. происходит своеобразная зарядка ионистора.

После окончания зарядки ионистор может разряжаться, отдавая электрический ток в нагрузку. При этом ионистор ведет себя как конденсатор очень большой емкости, до нескольких десятков фарад при рабочем объеме около 1 см³, с очень малым током утечки (т. е. — очень малым саморазрядом), вследствие чего накопленный заряд может храниться несколько месяцев почти без изменения. Это позволяет использовать иоиисторы в качестве источников питания электронной аппаратуры и, конечно же, элементов хранения данных («памяти») в оперативных запоминающих устройствах ЭВМ.

Рис. 1.22. Принцип действия магнитных усилителей (а, б, в), гальваномагнитных приборов (г, д), диэлектрических усилителей (е, ж) и хемотронных приборов (з, и, к, л).

На основе хемотронного диода, введя несколько дополнительных электродов, регулирующих скорость протекания окислительно-восстановительных процессов на аноде и катоде, можно создавать усилительные хемотронные приборы: триоды, тетроды и пентоды (рис. 1.22, л).

Хемотронные усилительные приборы имеют высокие усилительные свойства; например, крутизна характеристики достигает нескольких десятков миллиампер на вольт, коэффициент усиления, но напряжению может доходить до нескольких тысяч. При этом собственные шумы в несколько раз меньше шумов транзисторов. Напряжение анодного питания также весьма мало и составляет десятые доли вольта, вследствие чего потребляемая энергия питания не превышает десятых и даже сотых долей милливатта.

Недостаток хемотронных приборов — невозможность работы на частотах выше нескольких сотен герц из-за малой подвижности ионов электролитов.

К хемотронике тесно примыкают биоэлектроника, основанная на изучении и практическом использовании в технических устройствах принципов функционирования биологических систем.

Контрольные вопросы

• 1. Можете ли вы пояснить, что такое «магнитная проницаемость»? Почему в ферромагнетиках она нелинейно зависит от действующего магнитного поля? Чем обусловлен гистерезис?
• 2. Можно ли (и как) создать «магнитотиристор»?
• 3. Почему в сегнетоэлектриках наблюдаются нелинейная электрическая поляризация и гистерезис? Можно ли (и как) эти эффекты использовать для создания электронных приборов?
• 4. Попытайтесь подробнее рассказать о принципах действия акустоэлектронных приборов и преобразователей солнечной и механической энергий в электрическую.
• 5. Поясните подробнее принцип действия хемотронного триода. Почему он имеет малый уровень собственных электрических шумов?