Техника - молодёжи 1988-02, страница 4

окно в будущее

Од ноэл ектрон и ка _у

ИЛИ РАССКАЗ ОБ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ТРУДОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Какими будут компьютеры XXI века? Наверное, никто из специалистов однозначно не ответит на этот вопрос: рискованно делать прогнозы в такой динамичной области, как современная электроника. Однако не зря говорят, что будущее зреет в настоящем. Именно сегодня в научно-исследовательских лабораториях бьются над каким-нибудь необычным эффектом, который вскоре найдет применение в тысячах вычислительных устройств. Поэтому попытаемся все же заглянуть вперед и обрисовать один из путей, по которому электроника сможет двинуться в третье тысячелетие.

Григорий ЛЬВОВ,

инженар

ЭВМ каждого нового поколения компактнее своих предшественников. Конечно, заманчиво уложить в портфель компьютер такой мощности, какой раньше занимал целую комнату. Но это не единственная цель миниатюризации. Чем больше элементов объединяет каждый кристалл, тем меньше деталей в вычислительной машине, а значит, тем выше ее надежность. Миниатюризация не только удешевляет электронную технику, она ускоряет передачу сигналов и повышает быстродействие схем. С точки же зрения физика, смысл миниатюризации прежде всего в том, что на обработку информации затрачивается меньше энергии, чем прежде.

Попробуем представить себе компьютер, в котором эта тенденция доведена до предела. Минимальные порции информации — биты — кодируются в нем отдельными электронами, перескакивающими из ячейки в ячейку, словно костяшки на счетах. Фантастика? Не торопитесь с выводами. Последние работы физиков у нас в стране и за рубежом позволяют надеяться на появление таких устройств буквально через несколько лет. И тогда только родившийся термин «одноэлектроника» войдет в разговорную речь.

Но как заставить электроны с коллективного подряда перейти к индивидуальной трудовой деятельности? Обычно в макромире свойства отдельных микрообъектов не проявля

ются — мы замечаем лишь их групповое, усредненное поведение. И все же ученые, изыскивая дополнительные возможности миниатюризации, не могли не обратиться в конце концов к процессу, в котором электроны действуют поодиночке. Этот процесс — туннелирование.

ЭЛЕКТРОННАЯ КАПЕЛЬ

Как утверждает классическая физика, через проводники, разделенные изолятором, ток не течет. Это и понятно — слой изолятора создает высокий энергетический барьер на пути электронов. Однако квантовая теория вносит поправку: если изолятор достаточно тонок, то с какой-то вероятностью электрон просочится сквозь него, как капля воды через неплотно завернутый кран. Такое преодоление непреодолимого вроде бы препятствия (энергии электрона заведомо не хватает, чтобы перескочить барьер) в рамках обычных представлений необъяснимо. Кажется, что частица проникла через какое-то отверстие в преграде, и потому эффект называют тун-нелированивм. Разумеется, это не больше чем образ. Причина явления не в изъянах барьера между проводниками, а в основных законах квантовой механики.

Туннельный эффект известен уже более полувека и нашел применение во многих приборах, от туннельного диода до туннельного сканирующего микроскопа, создатели которого удостоены не так давно Нобелевской премии по физике. Но одного этого эффекта для построения одноэлек-

тронных устройств недостаточно. Даже если электроны поодиночке преодолевают туннельный переход — два проводника, разделенные тонким изолятором,— это не так-то просто заметить — ведь в каждом кубическом сантиметре металла присутствуют триллионы триллионов этих частиц. На помощь исследователям может прийти современная технология изготовления микроскопических структур, разработанная для нужд электроники. Сегодня уже делают проводники, а значит, и туннельные переходы площадью в миллиардную долю квадратного миллиметра. Такой переход можно рассматривать как крошечный конденсатор — две миниатюрные обкладки и диэлектрик между ними. Поскольку электрическая емкость пропорциональна площади обкладок, у нашего микроперехода она будет ничтожна. А теперь — последний шаг. Про-скакивание электрона с одного проводника на другой не что иное, как перезарядка конденсатора, которая неизбежно вызовет скачок напряжения. Скачок этот тем больше, чем меньше емкость. У описанного туннельного перехода емкость оказывается столь мала, что даже при прохождении одного электрона перепад напряжения будет заметен.

Первыми этот скачок почувствуют соседние электроны, и их движение через переход приобретет необычный характер. Едва один из них преодолеет слой изолятора, как на обкладках микроконденсатора появится разность потенциалов, препятствующая туннелированию остальных частиц. Грубо говоря, проскочивший электрон отталкивает собратьев, пока сам не удалится от них. В результате частицы ритмично просачиваются сквозь изолятор. Частота такой «электронной капели» будет равна току в проводниках, деленному на заряд электрона.

А нельзя ли вызвать капель по заказу7 Теоретические расчеты говорят, что для этого достаточно последовательно соединить два перехода. Примером такой системы может служить микроскопический кусочек металла, отделенный тонкими изолирующими -слоями от подходящих к нему с двух сторон проводников.

Состояние центрального, общего для двух переходов проводника будет определять весь ход событий. Перескок электрона, приводящий к временной блокировке одного из переходов, одновременно вызывает изменение заряда центрального про-

2