3.2.3 Процессоры
Процессоры для обработки больших информационных массивов, реализованные на принципах функциональной электроники, представляют значительный интерес. Это обусловлено тем, что такие устройства позволяют обрабатывать информацию в аналоговом виде, одномоментно либо весь массив, либо его часть. Результирующая информация может быть преобразована в цифровую форму. Возможна операция выделения разностной информации между двумя и более временными состояниями информационного массива.
Процессоры можно реализовать на слоистых структурах типа сегне|тоэлектрик-фотополупроводник. С обоих сторон такой структуры напыляются проводящие пленки, причем со стороны фотополупроводника пленка должна быть оптически прозрачной. При формировании на слое фотополупроводника оптического информационного массива на слоистую структуру одновременно подается "записывающий" импульс напряжения. В освещенных участках сопротивление фотополупроводника резко уменьшается и все приложенное напряжение падает на слое сегнетоэлектрика. Под засвеченными местами сегнетоэлектрик переполяризуется. В темных местах сопротивление фотополупроводника велико и все напряжение падает на него. Сегнетоэлектрик под темными местами не переполяризустся. Возникает пространственное распределение поляризации сегнетоэлектрика, соответствующее распределению освещенности.
Таким образом, оптический информационный массив преобразован в электрически заряженный информационный массив, который может быть легко считан. Стирание записанной информации может быть осуществлено путем засветки всей поверхности фотополупроводника с одновременной подачей импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему импульсу. Это позволяет перевести сегнетоэлектрик в исходное состояние. Такая структура является основой для создания оптических процессоров сигналов с промежуточным запоминанием информации, систем отображения информации.
Оптоэлектронные свойства материалов определяются характером переориентации доменов над воздействием поляризующего электрического поля. Домены образуют зерна, размер которых определяется характеристиками материала. Так для цирконата-титаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ, PLZT), размер зерна составляет несколько микрон и включают в себя до десятка сегнетодоменов. Простейший тип переориентации доменов под действием электрического поля приводит к изменению вектора поляризации на противоположное (180°). Однако режим поворота доменов каждого элемента сопряжен с трудностями нормирования матрицы таких элементов со множеством электродов.
Устройство на основе метода преимущественной ориентации доменов с помощью механического напряжения, создаваемого деформацией пластины, получило название ФЕРПИК (FERPIC - ferroelektric Picture). Его структура приведена на рис. 3.7.
Рассмотрим работу процессора, выполняющего функцию отображения информации, в терминах функциональной электроники.
В качестве основной континуальной среды используется сегнетоэлектрик (3) в виде ЦТСЛ - керамики [(Pb0,99Zn0.65Ti0.35)0.93La0.07O3] со средним размером зерна 1,0...1,5 мкм. В такой среде динамические неоднородности представляют собой субмикроные сегнетоэлектрические домены. Континуальная среда подвергается смещению деформацией, что позволяет сориентировать домены вдоль оси напряжения. Континуальная среда сопряжена, с одной стороны, с фотополупроводником (Z), с другой, - с прозрачным проводящим электродом (1) и прозрачной подложкой (4), несущей механические нагрузки. Прозрачный электрод (1) нанесен и с другой стороны фотопроводящего слоя.
Запись информационного массива осуществляется путем освещения устройства через транспарант (5) либо сканированием модулируемого по амплитуде (или по растру) лазерного луча. Управление записью осуществляется полями. На керамическую пластину подается напряжение +70 В. В местах засветки уменьшается сопротивление фотопроводящего слоя, и величина напряженности электрического поля достаточна для поворота доменов на 90°. После окончания сканирования информационный массив записан в виде распределения доменов различных направлений поляризации. В этом случае можно говорить, что одновременно произошло детектирование информационных сигналов. Заметим, что оптическое пропускание устройства типа ФЕРПИК зависит от состояния доменов.
Рис. 3.7 – Устройство обработки информации типа ФЕРПИК: 1 - прозрачные проводящие электроды; 2 - фотопроводник; 3 - сегнетокерамика; 4 - прозрачная подложка; 5 – облучение через маску; 6 - облучение сканированием; 7 – переключатель режимов работы; 8 - источники напряжения
Записанную информацию можно считать, закоротив электроды (поставив переключатель (7) в среднее положение и осветив устройство пучком монохроматического света).
Достигнуто разрешение ~40лин/мм, эффективность считывания ~ 10% и контраст 10:1.
Стирание информационного массива можно осуществить путем освещения всей поверхности и одновременной подачей на слоистую структуру отрицательного напряжения (-35 В). При этом динамические неоднородности в виде сегнетоэлектрических доменов возвращаются в исходное состояние. Это устройство обработки информации в русской терминологии называют еще "Сегнот" – сегнетоэлектрическое отображение.
В дальнейшем эта конструкция стимулировала появление аналогичных устройств на основе слоистых структур сегнетокерамик - фотопроводник. К ним относятся, например, КЕРАМПИК (CERAMPIC), континуальной средой в котором служит крупнозернистая керамика (Pb0,99La0.77Zn0.65Ti0.35)0.93O3 с размером зерен ~3,0 мкм.
Другим примером устройства является ФЕРИКОН (FERICON). В качестве континуальной среды в нем используется сегнетокерамика толщиной 250 мкм, обладающая свойством локально деформироваться и, таким образом, распределение поверхностной деформации соответствует распределению переполяризовавшихся участков. Амплитуда деформации составляет 0,5 мкм и шлирен–методом можно получить увеличенное изображение в отраженном свете с разрешением до 100 лин/мм.
Слоистая структура может применяться в качестве оптических процессоров, в частности для преобразования входного некогерентного изображения в выходной когерентный сигнал, что и используется в гологра-фических ЗУ. Весьма перспективно применение таких структур в процессорах сложения и вычитания информационных массивов. В этих устройствах используется способность сегнетоэлектрика к устойчивому частичному переключению в пределах от -PS до +PS под действием электрического поля.
В устройстве, аналогичном известной конструкции ФОТОТИТУСа, операции сложения изображений можно применять для увеличения отношения сигнал/шум в процессе обработки изображений. Операцию вычитания изображений можно использовать для обращения изображения-преобразования позитивного изображения в негативное, дифференцирования изображения, выделения слабоконтрастных контуров.
Таким образом, слоистые структуры типа сегнетоэлектрик-фотополу-проводник можно использовать в основе устройств памяти, оптических процессоров, устройств отображения информации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Что представляет собой активный диэлектрик?
2 Что такое сегнетомагнетик, и каким он обладает свойством?
3 Какими свойствами обладает пироэлектрик?
4 Что такое сегнетоэлектрический домен, и какими он обладает свойствами?
5 В чем заключается эффект поля в структурах сегнетоэлектрик-полупроводник?
6 Как сформировать память на сегнетоэлектриках?
7 Опишите процессор типа ФЕРПИК.