ВАКУУМНЫЙ ЗАПОМИНАЮЩИЙ АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Советский патент 1996 года по МПК H01J21/10 

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике и может быть использовано для создания элементов и устройств памяти, электровакуумных приборов и вакуумных интегральных схем.

В настоящее время в вакуумных интегральных схемах, предназначенных для использования в экстремальных окружающих условиях, запоминающие элементы создаются схемотехническим путем, что существенно снижает уровень интеграции и увеличивает стоимость вакуумных интегральных схем для запоминающих устройств. Поэтому необходимость в функциональных элементах памяти, имеющие высокое быстродействие и совместимых с вакуумными интегральными схемами и технологией их изготовления, чрезвычайно велика.

Известен запоминающий элемент, состоящий из сегнетоэлектрика, соприкасающегося с термической емкостной областью и расположенного между двумя металлическими электродами, источника поляризующего напряжения и нагревательного устройства для нагрева термической емкостной области [1] Недостатком такого запоминающего элемента является низкое быстродействие из-за инерционности тепловых процессов в сегнетоэлектрике.

Наиболее близким по технической сущности является вакуумный запоминающий элемент, который содержит размещенные в вакуумированном корпусе сегнетоэлектрическую пленку и нанесенные на ее поверхности металлические электроды [2] При этом источник электронов служит для избирательного нагрева участков сегнетоэлектрической пленки. Однако быстродействие такого запоминающего элемента ограничено инерционностью тепловых процессов при нагреве отдельных участков сегнетоэлектрической пленки во время записи и считывания информации.

Целью изобретения является повышение быстродействия запоминающего элемента.

Указанная цель достигается тем, что в вакуумном запоминающем активном элементе, содержащем размещенные в вакуумированном корпусе сегнетоэлектрическую пленку и нанесенные на ее поверхности металлические электроды, в сегнетоэлектрической пленке и электроде, обращенном к источнику электронов, выполнены соосные отверстия, а источник электронов размещен соосно с этими отверстиями.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено схематическом изображение поперечного сечения вакуумного запоминающего активного элемента и схема его включения во внешнюю цепь.

Вакуумный запоминающий элемент представляет собой источник электронов 1, размещенный над сегнетоэлектрической пленкой 2, имеющей отверстие, соосное с отверстием в управляющем электроде 3, нанесенном на поверхность сегнетоэлектрической пленки, обращенную к источнику электронов, и сплошной металлический электрод 4, расположенный на обратной стороне сегнетоэлектрической пленки. Источник электронов и сегнетоэлектрическая пленка с напыленными электродами вакуумированы в общем корпусе. В качестве источника электронов может использоваться, например, автокатод или термоэлектронный катод, а также катод на основе МДМ-структур или другие ненакаливаемые катоды. Источник электронов может быть расположен на отдельной подложке, которая механически соединяется с подложкой, содержащей сегнетоэлектрическую пленку, с электродами. Источник 5 поляризующего напряжения подключен между управляющим и коллекторным электродами, а блок 6 питания с регистрирующим устройством соединен с источником электронов и коллекторным электродом. В качестве регистрирующего устройства может использоваться, например, измерительный прибор достаточной чувствительности или усилительный каскад исполнительного устройства.

Конкретно вакуумный запоминающий активный элемент может представлять собой следующую конструкцию: на несущей диэлектрической подложке, например ситалловой, расположен тонкопленочный сплошной коллекторный электрод, выполненный, например, из никеля или молибдена, толщиной 0,3-0,5 мкм. На этом электроде методами тонкопленочной технологии сформирована сегнетоэлектрическая пленка, например, из сегнетокерамики толщиной до 50 мкм и более микрон в зависимости от требуемых параметров запоминающего элемента. На сегнетоэлектрической пленке расположен второй слой металла, аналогичный первому, но в котором фотолитографическими методами выполнено отверстие, через которое формируется отверстие в сегнетоэлектрической пленке до первого металлического слоя, т.е. выполнены соосные отверстия. Над полученной структурой на расстоянии 5-50 мкм закреплен источник электронов, например, низкотемпературный термокатод. Термокатод расположен на отдельной подложке, соединяемой с исходной подложкой с помощью металлических штырей, впаянных в обе подложки, причем эти штыри также служат электрическими выводами запоминающего элемента. Собранный элемент помещается в герметизированный корпус и вакуумируется.

Вакуумный активный запоминающий элемент работает следующим образом. Для записи информации между управляющим и коллекторным электродами прикладывается напряжение, достаточное для переполяризации сегнетоэлектрика. При считывании записанной информации поток электронов от источника электронов проходит через соосные отверстия в управляющем электроде и сегнетоэлектрической пленке, поляризованной в соответствии с записанной информацией. В том случае, если пленка поляризована таким образом, что электрическое поле в отверстии, образованном сегнетоэлектрической пленкой и управляющим электродом, способствует прохождению электронов к коллектору, т.е. на поверхности сегнетоэлектрической пленки, обращенной к источнику электронов, накапливается положительный заряд, ток коллектора будет иметь максимальное значение. При обратной поляризации пленки, когда поверхность сегнетоэлектрической пленки, обращенная к источнику электронов, заряжается отрицательно, и управляющий электрод вследствие этого имеет отрицательный потенциал относительно коллектора, электрический ток, образованный потоком электронов от источника электронов, резко уменьшается. Величина коллекторного тока, определяемая регистрирующим устройством, позволяет судить о записанной информации. За счет взаимодействия потока электронов с полем сегнетоэлектрической пленки в отверстиях и частично над ними появляется возможность определения направления поляризации сегнетоэлектрика и, следовательно, считывания записанной информации. Используя, помимо поля сегнетоэлектрической пленки, которое в данном случае является управляющим, электрическое поле от внешнего источника напряжения, за счет энергии последнего можно получить усиление сигнала при считывании аналогично усилению, получаемому в электровакуумном триоде.

Таким образом, предлагаемый вакуумный запоминающий активный элемент имеет высокую скорость считывания информации за счет исключения инерционных процессов нагрева сегнетоэлектрической пленки и практической безинерционности электронного потока; за счет усилительных свойств имеет большое отношение сигнал/шум на выходе, что особенно важно при работе в условиях сильных электромагнитных помех, возникающих, например, при ядерном взрыве; позволяет значительно расширить функциональные возможности за счет разделения цепей записи и считывания, поскольку возникает возможность одновременной подачи на электроны элемента как цифровых, так и аналоговых сигналов; не требуется системы фокусировки и отклонения электронного луча, что обеспечивает совместимость технологии элемента с технологией вакуумных интегральных схем; увеличивает степень интеграции вакуумных интегральных схем для запоминающих устройств благодаря реализации функций ячейки памяти одним активным элементом; на основе такого запоминающего элемента могут быть легко реализованы матричные запоминающие устройства с большим объемом запоминаемой информации большим преимуществом элемента является отсутствие схем регенерации записанной информации, так как считывание происходит без разрушения информации, что, в свою очередь, резко упрощает периферийные схемы и снижает стоимость запоминающих устройств.

Вакуумный запоминающий активный элемент, содержащий размещенные в вакуумированном корпусе источник электронов, сегнетоэлектрическую планку и нанесенные на ее поверхности металлические электроды, отличающиеся тем, что, с целью повышения быстродействия запоминающего элемента, в сегнетоэлектрической пленке электроде, обращенном к источнику электронов, выполнены соосные отверстия, а источник электронов размещен соосно с этими отверстиями.

Вакуумный запоминающий активный элемент, содержащий размещенные в вакуумированном корпусе источник электронов, сегнетоэлектрическую пленку и нанесенные на ее поверхности металлические электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия запоминающего элемента, в сегнетоэлектрической пленке-электроде, обращенном к источнику электронов, выполнены соосные отверстия, а источник электронов размещен соосно с этими отверстиями.