А.Мельниченко

Когда в начале 60-х годов родилась микроэлектроника, задача этого нового направления электронной техники казалась, в общем-то, незамысловатой - всемерно уменьшать габариты отдельных узлов или устройств и, пожалуй, еще снижать их энергопотребление. Но скоро увидали и другое: чем радикальнее удается снизить размеры элементов, повысить плотность их упаковки - а соответственно и толщину и длину соединительных проводников, - тем заметнее растет быстродействие схемы. Это стало принципиально важным для совершенствования персональных компьютеров.

Вот почему четвертый десяток лет разработчиками микросхем владеет, так сказать, одна, но пламенная страсть: меньше, еще меньше, на сколько возможно меньше! А действительно - насколько еще возможно?

Сейчас, например, толщина проводника в стандартной интегральной схеме не превышает 1 мкм, что в 100 раз тоньше человеческого волоса. В результате один чип может содержать уже миллионы транзисторов. Близки к освоению технологии, позволяющие на порядок снизить названный параметр. А тогда на одном кристалле спокойно разместится и до миллиарда элементов Но есть ли тут предел?

На подобный вопрос давно ответила история техники (да, пожалуй, и просто здравый смысл): если все время идешь по одному пути - рано или поздно до какого-то финиша обязательно доберешься. Как ни совершенствуй, скажем, паровую машину, но есть у нее предельный теоретический КПД - и точка. Только на принципиально новом двигателе есть шанс сразу рвануть к отдаленным рубежам...

Так вот: все современные массовые микросхемы, как бы их ни улучшали, как бы ни обновлялись технологии и материалы для их производства, остаются этапами одного большого пути. Ибо все они создаются на основе полупроводников. Не будем излагать здесь принцип работы полупроводниковых диодов и транзисторов - его вполне ясно описывает любой учебник физики, Важно то, что геометрические размеры всех подобных устройств имеют абсолютный теоретический предел - толщину так называемого двойного электрического слоя.

Возьмем границу раздела любых двух фаз или веществ, создающих контактную разность потенциалов. Вблизи нее обязательно собираются подвижные носители заряда; отрицательные с одной стороны и положи тельные с другой. Они и составляют двойной электрический слой, общая толщина которого порядка 0,1 мкм. Его частным случаем является и р-n-переход в том же диоде или транзисторе (то есть поверхность контакта двух полупроводников с проводимостью разного типа - электронной и <дырочной>). Здесь двойной слой со стоит из электронов по одну сторону поверхности и их вакансий (<дырок>) - по другую. Причем именно в этом слое и сосредоточены специфические свойства всякого полупроводникового прибора. А сделать его тоньше, чем он есть от природы, <счистить> с него часть носителей заряда категорически запрещают законы физики.

Как видим, элементы нынешних полупроводниковых интегральных схем с их микронными размерами уже довольно близки к абсолютному пределу. Что же - значит, пора переходить к принципиально новым устройствам. Тем более что одно из них уже испытывается. А предложил его Марк Джонсон, сотрудник исследовательского подразделения американской компании Bell - фирмы Bellcore (г. Ред Бэнк, штат Нью-Джерси).

"Изюминка" идеи доктора Джонсона - использовать не коллективные электронно-дырочные эффекты, но чисто индивидуальное, квантовое по ведение электрона. А именно - его спин.

Заметим, что физическая сущность этого фундаментального свойства элементарных частиц так до конца и не ясна, подобно сущности, скажем, гравитации. Спин электрона иногда пытаются представить как результат его вращения вокруг оси, при котором он приобретает определенный магнитный момент. Но такое простое, механистическое объяснение приводит к ряду противоречий. Достаточно, например, исходя из известных параметров электрона, провести вполне элементарные расчеты. Результат окажется весьма интересным: для поддержания своего магнитного момента электрон обязан вращаться с такой скоростью, что его поверхность должна двигаться быстрее света. Конечно, такие парадоксы возникают, только если считать электрон заряженным шариком, вращающимся наподобие волчка вокруг некой оси. На самом же деле тут имеет место особое, квантовое движение, связанное с волновыми свойствами электрона и не поддающееся наглядному представлению.

Однако “загадка спина” ничуть не смутила Маска Джонсона. придумавшего, как использовать магнитные свойства электрона на практике. Изобретенный им прибор можно назвать спиновым транзистором - Хотя и с оговоркой, ибо полной аналогии с обычным транзистором тут нет.

Рассмотрим сначала прохождение электрического тока через проводящую и одновременно намагниченную среду. При движении электронов по обычному проводнику их спины направлены произвольно, с равной вероятностью во все стороны. Но во внешнем магнитном поле они, естественно, выстраиваются вдоль его силовых линий. Поток электронов приобретает магнитную поляризацию. А что произойдет после его выхода из намагниченной среды? Конечно, деполяризация, но не мгновенная. Ведь электроны обладают вполне определенной массой, а значит, и инерцией. Чтобы их спины вновь приобрели хаотическую ориентацию, требуется некоторой время. И время это тем больше, чем ниже температура среды.

Отсюда понятна и ситуация “б”: едва намагниченность пластинки 3 сменится на обратную, поляризованным электронам с золотой пленки откроется “режим наибольшего благоприятствования” для прохода. И они дружно устремятся через пластинку 3, уже игнорируя не столь привлекательный средний электрод. Транзистор отпирается.

Подчеркнем главное: описанные процессы никак не связаны со свойствами двойного электрического слоя и вообще границ раздела. Для такого параметра, как спин, все это безразлично. В результате упомянутое препятствие к дальнейшей “лилипутизации” полностью отпадает.

Более того: по той же самой причине спиновый транзистор, в отличие от любых! других микроэлектронных устройств, работает тем лучше, чем он меньше! Ведь чем короче расстояние, которое должны пройти поляризованные электроны, тем полнее они сохранят свою поляризацию. И, значит, тем четче будут отличаться у транзистора режимы отпирания и запирания.

Заговорив о преимуществах нового прибора, обязательно упомянем и то, что изготовлен он из металлических, высокопроводящих материалов, а не полупроводников. Ясно, что такие элементы микросхем станут меньше греться, меньше энергии рассеивать зря. И опять-таки - их размеры и плотность упаковки в чипах можно будет спокойно увеличивать, не опасаясь перегрева.

И еще момент, который стоит отметить. На самом деле магнитная микроэлектроника, конечно, давно существует как самостоятельное и широкое направление. Не вдаваясь в детали, лишь упомянем здесь элементы на тонких магнитных пленках, элементы с так называемыми магнитными пузырьками, цилиндрическими магнитными доменами, устройства, использующие эффект Холла, и т.д. Но во всех подобных случаях речь идет о магнитных процессах только на доменном уровне, то есть опять-таки коллективных. И никогда еще в данной области не использовалось индивидуальное квантовое свойство электрона! В этом также принципиальная новизна спинового транзистора.

А из ряда его возможных практических применений особенно привлекательно одно - в качестве элемента долговременной памяти. Ведь, его пластина 3 вполне способна неограниченно долго сохранять, вектор намагниченности и после отключения тока в управляющем проводнике. Для считывания информации потребуется лишь подать короткий “зондирующий” импульс на средний электрод.

Матрицы сверхминиатюрных спиновых транзисторов смогут заменить самое слабое звено компьютера дисковые накопители, как гибкие, так и жесткие. В результате конструкция и компоновка ЭВМ всех видов радикально упростятся. Дисководы с их многочисленными подвижными деталями, вообще всю “механику”, можно будет навсегда изгнать из вычислительной техники. А ведь мало того, что эти устройства громоздки, ненадежны, подвержены износу и повреждениям. Они еще и снижают общее быстродействие машин. Так надо ли говорить, каким праздником и для разработчиков, и для пользователей станет избавление от них?

Понятно, что открываются большие возможности и для использования нового устройства в качестве цифрового или логического элемента.

(Техника Молодежи №2/1994г.)