Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электромагнитные солитоны в полупроводниковых сверхрешётках 7
1.1. Свойства полупроводниковых сверхрешёток 7
1.2. Уравнение электромагнитной волны, распространяющейся в полупроводниковой сверхрешётке 10
1.3. Электромагнитные солитоны в сверхрешётке 14
1.4. Затухание солитона в полупроводниковой сверхрешетке 17
1.5. Энергетический анализ процесса распространения солитона в полупроводниковой сверхрешётке 19
1.6. Движение солитона во внешнем электрическом поле 21
1.7. Взаимодействие солитонов в полупроводниковой сверхрешётке 23
1.8. Прохождение одиночным солитоном поперечного слоя неоднородности сверхрешётки 24
Глава 2. Исследование возможности создания солитонных запоминающих устройств 30
2.1. Типы существующих устройств памяти 30
2.2. Конструкция и принцип действия ячейки солитонной памяти 32
2.3. Методика моделирования работы ячеек 33
2.4. Локализация солитона в ячейке 39
2.5. Извлечение солитона из ячейки 49
2.6. Расчёт управляющих токов 53
2.7. Конструкция солитошюго устройства памяти 55
2.8. Выводы 56
Глава 3. Солитонная линия задержки на основе полупроводниковой сверхрешётки 57
3.1. Солитонные линии связи 57
3.2. Назначение линий задержки 58
3.3. Конструкция солитонной линии задержки 59
3.4. Период колебаний солитона в ячейке 60
3.5. Продолжительность задержки солитонов 67
3.6. Прохождение солитона через набор близкорасположенных поперечных слоев неоднородности 68
3.7. Распространение солитонов в многозвенных RLC-цепях 71
3.8. Выводы 73
Глава 4. Взаимодействие электромагнитных солитонов в окрестности поперечного слоя с повышенной концентрацией носителей заряда 74
4.1. Столкновение солитонов вблизи слоя неоднородности 74
4.2. Критическое значение параметра неоднородности 86
4.3. Выводы 89
Заключение 91
Список литературы 93
- Уравнение электромагнитной волны, распространяющейся в полупроводниковой сверхрешётке
- Прохождение одиночным солитоном поперечного слоя неоднородности сверхрешётки
- Прохождение солитона через набор близкорасположенных поперечных слоев неоднородности
- Критическое значение параметра неоднородности
Введение к работе
Актуальность темы. Интерес исследователей к полупроводниковым сверхрешёткам вызван особенными свойствами сверхрешёток, отличающими их от однородных полупроводников. Вид электронного энергетического спектра полупроводниковых сверхрешёток делает возможным распространение в них электромагнитных солитонов. Стремительное развитие нанотехнологий оправдывает надежды на практическую реализацию новых электронных устройств на основе полупроводниковых сверхрешёток. Эти перспективы имеют непосредственное отношение к информационным технологиям. Поиск физических принципов функционирования устройств обработки информации на основе полупроводниковых сверхрешёток может стать одним из направлений исследований, ведущих к созданию вычислительных систем нового поколения.
Цели исследования:
Теоретический анализ процесса управляемой локализации электромагнитных солитонов, распространяющихся вдоль слоев полупроводниковой сверхрешётки с набором поперечных слоев неоднородности, имеющих повышенную концентрацию носителей заряда.
Исследование возможности создания солитонных запоминающих устройств на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Выявление особенностей взаимодействия электромагнитных солитонов в окрестности слоев неоднородности полупроводниковой сверхрешётки.
Объекты исследования: Уединённые электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль слоев полупроводниковой сверхрешётки с набором поперечных неоднородностей.
Научная новизна. Впервые:
Предложен новый тип запоминающего устройства, основанный на записи информации, представляемой в виде электромагнитных солитонов. В качестве нелинейной среды элемента памяти взята полупроводниковая сверхрешетка.
Предложен и обоснован новый тип линии задержки на основе полупроводниковой сверхрешётки, предназначенной для задержки солитонных импульсов. Солитонная линия задержки позволяет изменять порядок слов и отдельных бит в информационном потоке.
Обнаружен эффект изменения порогового значения концентрации носителей заряда в слое неоднородности полупроводниковой сверхрешётки для взаимодействующих в окрестности этого слоя электромагнитных солитонов при изменении разности фаз солитонов.
Научная и практическая ценность полученных результатов:
Возможность управляемой локализации электромагнитных солитонов в сверхрешётке с набором неоднородностей позволяет использовать эти полупроводниковые структуры в качестве среды для хранения информации, представляемой в виде солитонов.
Эффект изменения пороговой концентрации носителей заряда в слое неоднородности: полупроводниковой сверхрешётки, предсказанный в ходе исследования, необходимо учитывать при создании солитонных фильтров, солитонных элементов памяти и линий задержки на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Положения, сформулированные в настоящей диссертации, могут стимулировать новые экспериментальные работы в области проектирования и создания наноэлектронных устройств на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Положения, выносимые на защиту:
Электромагнитный солитон, распространяющийся в полупроводниковой сверхрешётке, можно локализовать в ячейке, образованной слоями с повышенной концентрацией свободных носителей заряда. Локализация солитонав ячейке и его извлечение проводится с помощью внешнего электрического тока, пропускаемого в заданной ячейке вдоль оси полупроводниковой сверхрешётки.
Локализованный в ячейке солитон совершает колебания. Период колебаний электромагнитного солитона в ячейке определяется размерами ячейки и параметрами солитона. Использование солитонов в качестве записываемого сигнала позволяет осуществлять многослойную запись информации. Солитон. проходя сквозь соседние ячейки не повреждает локализованные в них солитон ы.
Пороговое значение концентрации носителей заряда в слое неоднородности полупроводниковой сверхрешётки для взаимодействующих в окрестности этого слоя электромагнитных солитонов существенно отличается от пороговой концентрации для одиночных солитонов.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных, апробированных методов теоретической и математической физики; непротиворечивостью выводов исследования основным физическим закономерностям, корректностью математических расчётов.
Апробация результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах, в том числе статьи в журналах: "Журнал технической физики". "Радиотехника и электроника", "Laser Physics", в материалах всероссийской заочной конференции "Перспективы развития волжского региона" (г. Тверь, 2002г.), десятой всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве (г. Нижний Новгород, 2003 г.)
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на различных научных конференциях: международном совещании "Радиационная физика твёрдого тела" (г.Севастополь, 2003г., 2004г.), VI международном конгрессе по математическому моделированию (г. Нижний Новгород, 2004г.), конференциях студентов и молодых учёных г.Волгограда и Волгоградской области (в 2000-2003гг.), научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волжского политехнического института (ВПИ при ВолгГТУ), на семинарах научно-исследовательской лаборатории "Физика полупроводников и диэлектриков" при кафедре общей физики ВГПУ.
Структура и объём. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 111 страниц, включая 34 рисунка и список цитируемой литературы из 121 наименования.
Личный вклад автора. Автор диссертации принимал непосредственное участие в вычислениях и обсуждении результатов работы, а также полностью выполнил численный расчёт и моделирование процессов на ЭВМ. Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором СВ. Крючковым.
Уравнение электромагнитной волны, распространяющейся в полупроводниковой сверхрешётке
Как было выяснено в [68], истинное значение критической скорости захвата абсолютно не соответствует расчёту в рамках адиабатического подхода. Основная причина несоответствия состоит в том, что подсчёт потерь энергии в рамках адиабатического приближения полностью игнорировал возможность передачи части энергии в дискретную моду примеси. Однако, при низких энергиях этот механизм играет наиболее существенную роль при подсчёте потери энергии солитоном.
Примесь, оказывающая в среднем притягивающее воздействие на кинк, за счёт механизма резонансного перераспределения энергии между кинетической энергией кинка и его дискретной модой возбуждения может иногда отражать кинк назад. Это явление, предсказываемое для модельного эффективного лагранжиана, бьшо подтверждено и в расчётах точной полевой задачи [68]. Оно абсолютно не согласуется с представлением о потенциальном характере взаимодействия кинка и примеси с учётом диссипации энергии. В то же время наблюдаемые сильные пульсации формы солитона для неоднородного уравнения синус-Гордона с диссипационными членами не укладывались в обсуждаемый механизм передачи энергии в силу отсутствия дискретной моды возбуждения солитона. Оказалось, что в спектре возбуждений системы, описываемой уравнением (1.47), имеется дополнительный дискретный уровень, связанный с примесью.
Дискретная примесная мода не связана буквально с солитоном и может существовать в его отсутствие. При более точном анализе рассеяния солитона на примеси необходимо учитывать колебания плотности заряда примеси и перераспределение плотности заряда примеси, возникающие в результате воздействия солитона. Дискретная примесная мода для уравнения (1.47) при СС = 0,р = 0и2С = 0 определяется формулой:
Прямой эксперимент по рассеянию солитона на примеси продемонстрировал, что дискретная мода примеси действительно возбуждается [68].
Солитон, обладающий скоростью выше критической, проходит над примесью, потеряв часть энергии на возбуждение дискретной моды. При некоторых скоростях солитона, меньших критического значения, реализуются "окна отражения солитона". Для уравнения синус-Гордона при Ц = 0.7 наблюдается 11 окон отражения, которые можно квалифицировать двойные взаимодействия солитона с неоднородностью: солитон сталкивается с примесью, проходит мимо неё возбуждая колебания дискретной моды в точке, останавливается и возвращается вновь к примеси. При этом часть энергии, отнятая в первом столкновении, возвращается вновь в кинетическую энергию поступательного движения солитона, и он уходит в обратную сторону. Основной механизм резонансного обмена энергией связан с дискретной модой примеси.
В последующих главах будут рассматриваться ПСР, содержащие слои с повышенной концентрацией электронов. Для таких слоев параметр неоднородности Ц принимает положительные значения, поскольку Дп 0. Слой, обладающий X 0, отталкивает приближающиеся к нему электромагнитные солитоны. В работе [75] показано, что высокая концентрация свободных электронов в сверхрешетке GaAs/AIGaAs препятствует образованию домена с высоким электрическим полем, ответственного за процесс резонансного туннелирования в слабосвязанных ПСР.
Исследование процессов взаимодействия одиночных солитонов с точечными примесями (тонкими слоями неоднородности) в квантовых полупроводниковых сверхрешётках привело к предсказанию ряда новых эффектов. На одном из таких эффектов основан принцип действия своеобразного солитонного фильтра [70,71]. Узкий поперечный слой ПСР с повышенной концентрацией электронов пропускает солитоны с энергией и скоростью, превышающими пороговые значения (1.48), (1.49). При не выполнении условий (1.48) и (1.49) для приближающегося солитона слой вызывает отражение солитона. Указанный эффект можно использовать и при разработке других солитонных устройств на основе ПСР, предложенных в следующих главах.
Устройства памяти (запоминающие устройства) предназначены для записи, хранения и воспроизведения информации. В качестве носителя информации в устройствах памяти может выступать физический сигнал, распространяющийся в среде, или сама среда. При этом информация задаётся в виде параметров сигнала или параметров состояния среды.
Процесс записи информации осуществляется при воздействии сигнала на носитель. В результате воздействия изменяется состояние этого носителя. Считывание информации состоит в изменении параметров считывающего сигнала или в его генерации под действием носителя.
Устройства памяти характеризуются временем записи (считывания) информации, характерным временем её сохранения, плотностью размещения информации на носителе, информационной ёмкостью, энергией, необходимой, для переключения элемента памяти, диапазоном рабочих температур, и т.п.
Элементом памяти принято называть наименьший участок среды - носителя информации, позволяющий хранить единицу информации. Информационная ёмкость устройства памяти определяется произведением полного числа элементов памяти в устройстве на число бит в элементе памяти.
Существуют различные физические способы записи, хранения и считывания информации: электрические, магнитные, оптические и акустические [84].
Работа электрических элементов памяти основана на различных эффектах перераспределения тока, заряда или напряжения внутри элемента памяти. Физические принципы работы элемента памяти и технология изготовления устройства памяти определяют минимально достижимую энергию переключения элемента памяти, что в конечном счёте определяет плотность размещения информации на носителе. Наиболее разработанными и широко распространёнными устройствами памяти, использующими электрические элементы памяти, являются полупроводниковые устройства памяти. К числу основных разновидностей полупроводниковых устройств памяти относятся постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые ПЗУ (ППЗУ), стираемые ППЗУ (СППЗУ), ППЗУ с электрическим стиранием (ЭСППЗУ), статические и динамические устройства памяти с произвольной выборкой (СЗУПВ и ДЗУПВ).
Прохождение одиночным солитоном поперечного слоя неоднородности сверхрешётки
При определении минимальной величины тока, необходимой для извлечения солитона из ячейки, в качестве начального приближения для тока извлечения можно взять найденное значение тока записи. В поиск минимально-необходимой величины тока извлечения потребует меньше итераций,
В целях увеличения продолжительности хранения солитона в ячейке возможна его подпитка внешним током, периодически включаемым в ячейке. Направление тока подпитки должно совпадать с вектором напряжённости электрического поля солитона. В процессе колебаний этот вектор периодически меняет своё направление, поэтому действие тока подпитки необходимо синхронизировать с колебаниями солитона в ячейке.
Можно использовать ток Jm,,. (t), изменяющийся по гармоническому закону: синхронно с колебаниями E(t). Амплитуда Jnjn. тока подпитки гораздо меньше величины тока, применённого при записи, и рассчитывается исходя из потерь энергии солитона за один период. Колебания могут продолжаться бесконечно долго, если потери энергии солитона за период AWp(tn)= Wp(T + tn)-Wp(x) будут скомпенсированы энергией тока AWj(Tn)=Wj(r+Tn)-Wj(T). Следовательно, оптимальная амплитуда тока является решением уравнения: AWT0Ka(Tn)=AWp(tI]). Если энергия подпитки будет превышать энергию потерь, то спустя некоторое время солитон не запланировано покинет ячейку. В связи со сложностью записанного уравнения оптимальную амплитуду тока легче определить путём численного эксперимента, моделируя колебания солитона в ячейке. Варьируя амплитуду тока и сравнивая амплитуды солитона в середине ячейки на протяжении нескольких периодов колебаний, можно добиться стабилизации колебаний. Даже в отсутствии тока подпитки солитон способен существовать в ячейке длительное время. Максимальная продолжительность хранения количественно связана с параметром т полупроводниковых материалов, из которых состоит ПСР. В примере, рассмотренном в параграфах 2.4 и 2.5 т=0.01, а» 1.887-10" , а логарифмический декремент затухания составляет 5«1.12110 .В этом случае прогнозируемая максимальная продолжительность хранения солитона с указанными параметрами при отсутствии подпитки превышает 103 периодов колебаний. Предлагаемое солитонное устройство памяти должно содержать: солитонный излучатель, ячейки памяти, элементы управления записью и извлечением солитонов, устройство, регистрирующее извлечённые солитоны..„ В качестве источника ЭМВ можно использовать поперечный слой неоднородности G (рисунок 2.17) с повышенной концентрацией электронов яо 10ам э. Генерация нелинейных ЭМВ происходит под действием резкого ( 1пс) изменения внешнего электрического тока, пропускаемого через слой G. Для выделения из возбуждаемой ЭМВ солитонной составляющей по обе стороны от слоя G можно создать фильтрующие слои F с концентрацией nG «10 м . Излученный солитон усиливается во внешнем электрическом поле, создаваемом в области U боковыми обкладками. На краю элемента расположена проводящая пластинка С, предназначенная для регистрации извлеченных солитонов. Представленный элемент солитонной памяти имеет возможность совмещения с кремниевой технологией изготовления интегральных микросхем. Разработка модели элемента солитонной памяти является первым шагом на пути создания действующих солитонных запоминающих устройств на основе ПСР. Практическая реализация проекта затруднена отсутствием доступных технологий производства гетероструктур. Электромагнитный солитон, распространяющийся в полупроводниковой сверхрешётке, можно локализовать в ячейке, образованной слоями с повышенной концентрацией свободных носителей заряда Локализация солитона в ячейке и его извлечение проводится с помощью внешнего электрического тока, пропускаемого в заданной ячейке вдоль оси сверхрешётки. Локализованный в ячейке солитон совершает колебательные движения. Возможность управляемой локализации электромагнитных солитонов в полупроводниковых сверхрешётках, содержащих набор поперечных слоев с повышенной концентрацией носителей заряда, позволяет использовать эти полупроводниковые структуры в качестве среды для хранения информации. Устойчивость солитонов при взаимодействии между собой и слоями неоднородности сверхрешётки допускает осуществление многослойной записи информации. Электромагнитный солитон, проходя сквозь соседние ячейки, не повреждает локализованные в них солитоны. Солитонная запись способна храниться длительное время без восстановления. Предельно допустимая продолжительность хранения солитона в ячейке определяется параметром Т} полупроводниковой сверхрешётки.
Прохождение солитона через набор близкорасположенных поперечных слоев неоднородности
В случае с электромагнитными солитонами, распространяющимися в ПСР и имеющими одинаковый топологический заряд, налетающий сзади солитон препятствует летящему спереди солитону с меньшей энергией преодолеть слой неоднородности. Замечено также, что при встречном столкновении солитонов с противоположными топологическими зарядами в окрестности слоя неоднородности наблюдается повышение критического значения параметра неоднородности для меньшего из них. Следовательно, в этой ситуации встречный солитон с противоположным топологическим зарядом способствуют проникновению меньшего сквозь слой неоднородности.
Анализ процессов распространения электромагнитных солитонов в ПСР показывает, что присутствие неоднородностей среды оказывает существенное влияние на обмен энергией между солитонами. Известно, что в однородной среде солитоны взаимодействуют абсолютно упруго [68]. Столкновения электромагнитных солитонов в окрестности слоя с повышенной концентрацией носителей заряда в ПСР не являются абсолютно упругими. Пороговое значение концентрации носителей заряда для прохождения слоя взаимодействующими солитонами серьёзно отличается от порогового значения для одиночного прохождения солитонов.
Такое взаимодействие невозможно объяснить, используя известную аналогию между солитонами и точечными частицами, подчиняющимися законам классической механики. Пусть два шарика, двигаясь в одном направлении, накатываются на горку гладкой формы. При центральном столкновении на склоне горки движущийся сзади шар не может помешать первому её преодолеть. Взаимодействие солитонов в подобной ситуации имеет иной результат. Обнаруженный эффект необходимо учитывать при проектировании солитонных устройств. Фильтрация электромагнитных солитонов по амплитуде (и скорости) со строго заданными пороговыми значениями возможна лишь для солитонов. не взаимодействующих вблизи фильтрующего элемента. Для обеспечения такой фильтрации можно использовать генераторы солитонных импульсов с большой скважностью, чтобы дистанция между солитонами значительно превышала их характерный размер.
При проектировании солитонных элементов памяти, описанных во второй и третьей главах, также необходимо учитывать изменение критического значения параметра неоднородностей для взаимодействующих солитонов. Локализованный в ячейке солитон может покинуть пределы ячейки за счёт энергии другого солитона, пролетающего эту ячейку, если однонаправленное взаимодействие солитонов произойдёт вблизи границы ячейки, имеющей малый запас высоты потенциального барьера для локализованного солитона.
При встречном столкновении солитонов внутри ячейки вблизи границы возможен захват ячейкой второго солитона, если он имеет малый запас энергии по отношению к высоте потенциального барьера границ ячейки, В результате захвата оба солитона будут совершать колебания в одной ячейке.
Слои с повышенной концентрацией носителей заряда, ограничивающие ячейки, должны надёжно выполнять функцию локализации электромагнитных солитонов, записанных в ячейки. Для исключения перечисленных случаев максимальная энергия локализованных в ячейках солитонов должна быть меньше на 25-30% высоты потенциального барьера, создаваемого границами ячейки, а энергия пролетающих ячейку солитонов - на 25-30% больше высоты потенциального барьера границ ячейки. Тогда солитоны, проходящие сквозь занятые ячейки, не способны вызвать незапланированное извлечение локализованных ранее в ячейках солитонов.
Возможность управляемой локализации электромагнитных солитонов в сверхрешётках с набором неоднородностей позволяет использовать эти полупроводниковые структуры в качестве среды для хранения информации. В данной работе проведён теоретический анализ процесса управляемой локализации электромагнитных солитонов, распространяющихся вдоль слоев полупроводниковой сверхрешётки с набором поперечных слоев неоднородности, имеющих повышенную концентрацию носителей заряда.
Предложен новый тип запоминающего устройства, основанный на записи информации, представляемой в виде электромагнитных солитонов. В качестве нелинейной среды элемента памяти взята полупроводниковая сверхрешетка. В процессе записи используются электромагнитные солитоны, распространяющиеся вдоль слоев сверхрешетки. Каждая ячейка памяти ограничена двумя поперечными слоями неоднородности. Локализацию и извлечение солитона производят с помощью внешнего электрического тока, включенного внутри заданной ячейки.. Путем моделирования на ЭВМ исследованы особенности функционирования элемента солитоннои памяти, содержащего несколько ячеек. Проанализированы режимы записи, хранения и извлечения информации.
Предложен и обоснован новый тип линии задержки на основе полупроводниковой сверхрешётки, предназначенной для задержки солитонных импульсов. Солитонная линия задержки позволяет изменять порядок слов и отдельных бит в информационном потоке. Обнаружены особенности взаимодействия электромагнитных солитонов в окрестности слоев неоднородности полупроводниковой сверхрешётки. Эффект изменения пороговой концентрации носителей заряда в слое неоднородности полупроводниковой сверхрешётки, предсказанный в ходе исследования, необходимо учитывать при создании солитонных фильтров, солитонных элементов памяти и линий задержки на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Положения, сформулированные в настоящей диссертации, могут стимулировать новые экспериментальные работы в области проектирования и создания наноэлектронных устройств на основе полупроводниковых сверхрешёток.
Критическое значение параметра неоднородности
Устройства памяти (запоминающие устройства) предназначены для записи, хранения и воспроизведения информации. В качестве носителя информации в устройствах памяти может выступать физический сигнал, распространяющийся в среде, или сама среда. При этом информация задаётся в виде параметров сигнала или параметров состояния среды.
Процесс записи информации осуществляется при воздействии сигнала на носитель. В результате воздействия изменяется состояние этого носителя. Считывание информации состоит в изменении параметров считывающего сигнала или в его генерации под действием носителя.
Устройства памяти характеризуются временем записи (считывания) информации, характерным временем её сохранения, плотностью размещения информации на носителе, информационной ёмкостью, энергией, необходимой, для переключения элемента памяти, диапазоном рабочих температур, и т.п.
Элементом памяти принято называть наименьший участок среды - носителя информации, позволяющий хранить единицу информации. Информационная ёмкость устройства памяти определяется произведением полного числа элементов памяти в устройстве на число бит в элементе памяти. Существуют различные физические способы записи, хранения и считывания информации: электрические, магнитные, оптические и акустические [84]. Работа электрических элементов памяти основана на различных эффектах перераспределения тока, заряда или напряжения внутри элемента памяти. Физические принципы работы элемента памяти и технология изготовления устройства памяти определяют минимально достижимую энергию переключения элемента памяти, что в конечном счёте определяет плотность размещения информации на носителе. Наиболее разработанными и широко распространёнными устройствами памяти, использующими электрические элементы памяти, являются полупроводниковые устройства памяти. К числу основных разновидностей полупроводниковых устройств памяти относятся постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые ПЗУ (ППЗУ), стираемые ППЗУ (СППЗУ), ППЗУ с электрическим стиранием (ЭСППЗУ), статические и динамические устройства памяти с произвольной выборкой (СЗУПВ и ДЗУПВ). Принцип действия магнитных элементов памяти основан на эффекте сохранения намагниченности носителя после выключения внешнего магнитного поля. Различают магнитные элементы памяти, использующие намагниченность всего объёма элемента и намагниченность участков носителя. В основе работы оптических элементов памяти лежит явление оптической бистабнльности или мультистабильности. Схемы таких элементов нелинейны и имеют обратную связь. Также существует класс элементов памяти, в которых хранение информации осуществляется в структурных изменениях (нарушениях формы) поверхности носителя. Структурные изменения носителя проявляются в виде изменения рельефа его поверхности; изменения степени разупорядоченности поверхности; механической перфорации; прожигания микроотверстий в непрозрачной подложке; образования микровздутий из-за термического локального нагрева. Элементы памяти, относящиеся к этому классу, обычно не позволяют проводить многократную перезапись информации. Примером современного устройства памяти, использующего элементы описанного класса, является оптический диск. Такие устройства обладают относительно большим временем доступа к информации и поэтому используются как внешние устройства памяти. В качестве оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), устройств кеш-памяти и регистровых устройств памяти в последние годы используют электрические полупроводниковые устройства, поскольку они обладают наилучшим быстродействием [85]. Большее распространение приобрели ОЗУ ёмкостного типа. Некоторые из таких устройств реализованы на базе периодических гетероструктур [86,87]. В [88] предложен элемент памяти на основе периодической наноразмерной Si/CaF2 структуры, в котором запись информации осуществляется путём захвата заряда на ловушечные состояния в диэлектрике (CaF2). Высокий и низкий уровни сигнала в нём соответствуют току в максимуме и минимуме области отрицательного дифференциального сопротивления, возникающей в результате туннельно-резонансного переноса носителей заряда по уровню ловушек в диэлектрике. Быстродействие таких логических элементов определяется темпом активационного захвата носителей заряда на ловушечное состояние и темпом туннельного переноса носителей от одного состояния к следующему. В данной главе предлагается новый тип запоминающего устройства, основанный на записи информации, представляемой в виде электромагнитных солитонов. В качестве нелинейной среды элемента памяти взята полупроводниковая сверхрешетка. Устойчивость солитонов позволяет использовать их в качестве носителей информации. Запись информации может проводиться путем локализации солитонов, распространяющихся вдоль оси Oz слоев ПСР, в ячейках, каждая из которых ограничена двумя неоднородностями, параллельными плоскости хОу (рисунок 2.1). Размер ячейки г должен превышать ширину солитонов L. Поперечный (вдоль оси Ох) размер ЭСП должен составлять примерно 10 м, т.е. несколько десятков или сотен периодов сверхрешетки d, для того чтобы избежать боковых краевых эффектов. Способность солитонов проходить друг сквозь друга без повреждений даёт возможность применять многослойную запись информации. Локализация солитона в ячейке и его извлечение может производиться с помощью внешнего электрического тока jx(t,z), включенного внутри заданной ячейки. Концентрация свободных носителей заряда в слоях неоднородности должна быть такой, чтобы электромагнитные солитоны в отсутствии внешних воздействий свободно проходили все слои неоднородности в элементе памяти.
Каждая ячейка (т = 1,2,..,М) снабжена парой обкладок (рис.2.1), к которым подводятся электрические токи, управляющие локализацией и извлечением электромагнитных солитонов. Обкладка по ширине должна охватывать почти всю ячейку. Между каждой обкладкой с номером m и соседними поперечными неоднородностями Nm и Nm+i необходим небольшой зазор для исключения возможности появления помех вследствие воздействия электрического поля обкладок на соседние неоднородности.
