Криотроны, хемотроны и другие СМЭ (стр. 2 из 3)

Если применить пленочную конструкцию криотрона, можно одновременно микроминиатюризировать его и повысить быстродействие. Такая конструкция криотрона изображена на рис.1.

На стеклянную подложку наносят вентильную пленку из олова, затем изоляцию из монооксида кремния и перпендикулярно (в плоскости подложки) к вентильной пленке – управляющую пленку из свинца.

Дальнейшего быстродействия криотрона можно достигнуть размещением между подложкой и вентильной пленкой свинцового экрана, который в сверхпроводящем состоянии уменьшает индуктивность криотрона.

На основе криотрона можно изготовить различные устройства (дешифраторы, сумматоры, запоминающие устройства, счетчики импульсов и др.). Базовым элементом логических схем является ячейка на двух криотронах. Для построения запоминающих устройств логические элементы на криотронах объединяют в матрицы.

При соединении двух сверхпроводящих слоев слабым контактом (слоем) из сверхпроводящего или несверхпроводящего материала при определенных условиях можно получить эффект Джозефсона.

В области контакта образуется туннельный переход Джозефсона, в котором осуществляется прохождение электронных пар через тонкий изолирующий барьер. Если на такой переход подать постоянный ток смещения по знамению, меньше порогового тока, то падение напряжения на переходе оказывается равным нулю, что соответствует отсутствию сопротивления. Пороговый ток является функцией напряженности магнитного поля, приложенного к переходу. Меняя напряженность магнитного поля, можно изменить пороговый ток и при постоянном питающем токе, получить падение напряжения на переходе, что соответствует наличию сопротивления. Таким образом, переход Джозефсона может находиться в двух различных состояниях (0 и 1), как и логические схемы.

На основе элементарной ячейки, использующей эффект Джозефсона, можно создать логические устройства необходимой сложности (запоминающие устройства, сдвиговые регистры). Устройства, основанные на эффекте Джозефсона, отличаются высоким быстродействием (10-11c), малой потребляемой мощностью и небольшими размерами (десятки микрон). Существуют определенные трудности, связанные с подбором сверхпроводящих материалов для приборов, работающих в широком диапазоне температур, технологической воспроизводимостью характеристик приборов и созданием малогабаритных охлаждающих систем.

Использование явления сверхпроводимости перспективно не только для создания элементов ЭВМ, но и для устройств очень высокой чувствительности и точности.

2. Хемотроны и другие функциональные устройства

Хемотроника как новое научное направление возникло на стыке двух развивающихся направлений: электрохимии и электроники.

На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той ризницей что носителями заряда были не электроны в вакууме, газе, или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители, интеграторы, усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе, или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако они и имеют ряд преимуществ перед электронными приборами.

В настоящее время хемотроника сформировалась как наука, изучающая перспективы построения информационных и управляющих систем на основе процессов, протекающих в жидкостях и на границе жидких фаз.

В ряде литературных источников вместо термина "хемотроника" по аналогии с электроникой фигурирует термин "ионика", так как во всех электрохимических приборах используются ионные процессы.

Исследования показали, что жидкостные системы имеют ряд важных преимуществ перед системами на основе твердых тел, прежде всего к ним следует отнести компактность и многофункциональность жидкостных элементов, где в небольшом объеме может происходить одновременно с разной скоростью множество разнообразных физико-химических процессов. Эти системы надежны и обеспечивают возможность изменения своей внутренней структуры, т.е. внутреннего управления. Наиболее характерным примером жидкостной системы является человеческий мозг.

Таким образом, перспектива развития хемотроники - это создание информационных, и управляющих систем на жидкостной основе, а в более далеком будущем - биопреобразователей информации. Для успешного развития хемотроники требуются фундаментальные исследования не только физики жидкости, но так же сложных физико – химических и электрохимических процессов в жидкостях и на границах жидких фаз.

Хемотронные приборы

Хемотроника возникла на стыке двух наук – электрохимии и электроники. Основой хемотроники являются приборы, использующие принцип электрохимического преобразования в твердых и жидких электролитах. Носителями заряда в этих приборах служат ионы, обладающие малой подвижностью (меньше подвижности носителей в полупроводниках в 106–108 раз), что определяет их область применения.

К основным достоинствам хемотронных приборов можно отнести малую потребляемую мощность, высокую чувствительность по входу, малый уровень собственных шумов, достаточно высокую надежность, невысокую стоимость. Недостатками хемотронных приборов являются малый частотный диапазон (0 – 1 кГц) и большие габариты.

Наиболее перспективны твердофазные и жидкофазные приборы многократного действия. В первых используют образование твердой фазы на электродах или растворение материала электродов при прохождении электрического тока, во вторых, – изменяют концентрацию раствора электролита в приэлектродных областях.

Твердофазный прибор представляет собой герметичный стеклянный капилляр, заполненный двумя столбиками ртути, разделенными промежутком из электролита. В качестве электролита применяется водный раствор йодных солей в йодистом калии. От ртутных столбиков через торцы запаянного стеклянного капилляра сделаны выводы из никеля. При пропускании тока через такой прибор осуществляется перенос ртути с электрода на электрод, что приводит к перемещению электролитного промежутка, по которому регистрируется ток или время его прохождения.

Твердофазные хемотронные приборы используют для построения схем интеграторов тока с временем интегрирования до сотен и тысяч часов, погрешностью 1% и мгновенным неразрушающим считыванием результатов и датчиков неэлектрических величин (механических, акустических и др.), обладающих простой конструкцией, высокими надежностью и чувствительностью. Схемы с такими приборами требуют введения температурной компенсации, что является их недостатком. Интеграторы применяют для счетчиков наработки и контроля различных устройств РЭА, счетчиков импульсов, реле времени, устройств определения заряженности аккумуляторов и др.

Жидкофазный прибор является диодом с двумя инертными платиновыми электродами, помещенными в герметичную ампулу, заполненную электролитом, образующим с материалом электродов обратимую окислительно-восстановительную систему. Обратимые реакции протекают непрерывно и одновременно в двух противоположных направлениях. Электролитом служит водный раствор йодида калия с добавкой кристаллического йода.

При отсутствии внешнего напряжения на электродах устанавливается динамическое равновесие, когда скорости реакций восстановления (присоединение электронов атомами, молекулами, ионами) и окисления (отдача электронов атомами, молекулами, ионами) выравниваются и концентрация компонентов не изменяется.

При подаче напряжения на электроды (электролизе) динамическое равновесие нарушается. На аноде преобладает процесс окисления, когда отрицательно заряженные ионы отдают во внешнюю цепь электроны, а на катоде – процесс восстановления, при котором электроны поступают из внешней цепи. Таким образом, во внешней цепи проходит ток. Чтобы избежать побочных эффектов внешнее приложенное напряжение должно быть 0,5 В.

В электролите происходят медленные диффузионные процессы, направленные на выравнивание нарушенного равновесия и разностей концентраций, которые возникают у электродов из-за скопления ионов одного знака. Появляется собственная эдс, называемая концентрационной, так как процесс электролиза всегда сопровождается поляризацией. Эта эдс противоположна эдс, действующей извне. На переменном токе процессы диффузии ограничиваются поверхностью электрода, а поляризация уменьшается во много раз.

Жидкофазные хемотронные приборы обладают существенным недостатком, связанным с узким температурным диапазоном (0 – 50 °С), так как используются водные растворы электролита. Применение других растворов затруднительно. Более перспективны для использования не двухэлектродные жидкофазные хемотронные приборы, а четырех-, пяти - и шестиэлектродные, так как это позволяет улучшить параметры приборов и расширить их функциональные возможности.

Жидкофазные хемотронные приборы используют для интегрирования малых токов (нано - и микроамперного диапазона), хранения информации в течение нескольких часов с малой погрешностью, построения усилителей постоянного тока с малым дрейфом нуля и небольшим уровнем шумов из-за узкого частотного диапазона (от 1 до 100 Гц), схем сравнения и моделирования биопроцессов.

В автоматике применяют электрохимическое управляемое сопротивление с активной жидкой средой – мимистор, который представляет собой две металлические пластины с электролитом между ними. Одна пластина является резистивным электродом с двумя выводами, а другая – управляющим электродом. При изменении полярности управляющего сигнала на резистивный электрод осаждается металл или растворяется часть его слоя, что ведет к изменению сопротивления мимистора. Мимистор выполняет роль переменного сопротивления, ячейки памяти, реле времени.