Функциональная микроэлектроника. 
Электроника

В функциональном микроэлектронном приборе невозможно выделить отдельные элементы — он работает весь в целом, осуществляя заданную операцию. Это открывает почти неисчерпаемые возможности в микроминиатюризации. В настоящее время наиболее иерспективные направления функциональной микроэлектроники — магнетоэлектроника, диэлектрическая электроника, акустоэлектроника, криоэлектроника, хемотроника, биоэлектроника и оптоэлектроника.

Магнетоэлектроника основана на использовании ферромагнитных металлов (и их сплавов) и новых видов магнетиков — магнитных полупроводников (типа халькогенида европия, халькогенидной шпинели хрома или железоиттриевого граната).

Действие магнетоэлектронных приборов основано на использовании высокой магнитной проницаемости ферромагнетиков, нелинейной зависимости между напряженностью намагничивающего поля и магнитной индукцией в них, а также на явлении гистерезиса.

Магнитная проницаемость, определяемая как отношение магнитной индукции к напряженности намагничивающего поля, в ферромагнетиках не является величиной постоянной, а зависит от напряженности намагничивающего поля. В сравнительно слабых полях магнитная проницаемость может быть исключительно велика и в хороших ферромагнетиках (например, пермаллое) может доходить до нескольких сотен тысяч. При очень больших полях в режиме насыщения магнитная проницаемость приближается к единице. Это явление позволяет создавать магнитные усилители.

Устройство простейшего магнитного усилителя предельно просто: на кольцевой ферромагнитный сердечник помещаются две обмотки — входная (управляющая) и выходная (нагрузочная). В цепь выходной обмотки включается сопротивление нагрузки и подается переменное напряжение питания (рис. 1.22, а). Ток, протекающий в сопротивлении нагрузки, определяется напряжением источника питания, сопротивлением нагрузки и индуктивностью выходной обмотки. Индуктивность обмотки пропорциональна числу витков и магнитной проницаемости сердечника. Если магнитная проницаемость велика (что имеет место при малой величине входного сигнала и, соответственно, малой намагниченности сердечника), то велика индуктивность выходной катушки и, следовательно, велико ее сопротивление, в результате чего ток в нагрузке минимален. При большой величине управляющего тока сердечник переходит в режим насыщения и его магнитная проницаемость минимальна (рис. 1.22, б). Вследствие этого минимальна индуктивность выходной катушки и мало ее сопротивление, а ток в нагрузке максимален.

Особенностью магнитных усилителей является то, что выходной сигнал выдается в виде переменного тока питания, огибающая которого повторяет форму управляющего сигнала (рис. 1.22, в). Для восстановления исходной формы сигнала выходное напряжение необходимо выпрямить и проинтегрировать.

Магнитные усилители позволяют усиливать электрические сигналы в широком диапазоне частот — от постоянного тока до десятков мегагерц. Коэффициент усиления по мощности и напряжению может доходить до нескольких сотен тысяч.

Явление гистерезиса позволяет создавать ферромагнитные запоминающие устройства, так как после любых достаточно сильных магнитных воздействий в ферромагнетиках остается «магнитный след» в виде остаточной магнитной индукции. При этом, если внешнее магнитное поле не слишком велико, чтобы перевести ферромагнетик в режим насыщения, величина остаточной намагниченности пропорциональна величине намагничивающего поля. Это позволяет осуществлять магнитную запись электрических сигналов с помощью устройств, принцип действия которых будет рассмотрен ниже.

Дискретные электрические сигналы запоминаются при помощи устройств, выполненных на основе ферромагнетиков с прямоугольной петлей гистерезиса, характерная особенность которых — наличие двух возможных состояний намагниченности, соответствующих насыщению в одной или другой полярности. Изменение магнитного состояния в таких ферромагнетиках может произойти лишь тогда, когда внешнее магнитное воздействие превысит коэрцитивную силу. Если воздействие слабее, то нерсмагничивания не происходит. Это позволяет на основе таких ферромагнетиков создавать различные переключающие приборы, логические и счетные устройства, импульсные усилители и формирователи, делители частоты следования импульсов, реле времени и т. п.

В современной микроэлектронике магнетоэлектронные приборы довольно часто выполняются на основе тонких магнитных пленок. При этом толщина пленки может составлять размер одного магнитного домена (до 1 мкм), что существенно повышает быстродействие, уменьшает потребление энергии питания и позволяет выполнять приборы предельно малыми.