Квантово-размерные электронные устройства и режимы их работы

1 Область техники Настоящее изобретение относится к области электронных компонентов и проводников, в частности к многофункциональным электронным компонентам интегральных схем (ИС),имеющим минимальные предельно достижимые габаритные размеры при максимальном быстродействии и максимально возможных рабочих температурах. Такие компоненты и проводники используются для создания двумерных (планарных) и трехмерных электронных ИС, предназначенных для обработки и преобразования аналоговой и цифровой информации, а также для передачи электрических сигналов и энергии. Уровень техники Существует тенденция к уменьшению размеров элементов интегральных схем. Однако при уменьшении размеров электронных элементов менее 100 нм начинают проявляться дискретный характер носителей заряда и их квантово-механические характеристики, что также должно повлиять на конструктивные особенности активных приборов - транзисторов. Вместе с тем, при размере менее 100 нм отдельные элементы транзисторов, по существу,являются малыми частицами - кластерами [1]. При уменьшении размера кластера может наступить условие, позволяющее создавать приборы, способные управлять группами электронов или даже одним электроном. Известен большой класс электронных приборов, основанных на одноэлектронном туннелировании через кластер малых размеров [2]. Такой прибор в простейшем случае представляет некий аналог полевого полупроводникового транзистора, между стоком и истоком которого находится изолятор со встроенным в центре малым кластером. Этот транзистор принято называть SET (Single Electron Transistor). Встроенный в изолятор SET-прибора кластер имеет собственную емкость относительно подложки Сс. Суть описанного в [2] эффекта заключается в том, что при туннельном прохождении электрона с зарядом е через кластер электрон изменяет потенциал на нем на величину U=е/Сс и своим полем блокирует прохождение других электронов на время нахождения электрона на кластере. При этом необходимо,чтобы потенциал на кластере превышал потенциал тепловых шумов емкости кластера:(1) где k - постоянная Больцмана,Т - абсолютная температура. Например, сферический кластер из кремния с радиусом rс=5 нм, имеющий диэлектрическую проницаемость =11,7, будет обладать емкостью Сс=40rс и, следовательно, исходя из(1), иметь максимальную температуру эксплуатации прибора 2 где 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума. Это условие показывает, что, в принципе,при переходе к материалам с 5,6 или к кластерам меньшего размера есть возможность создания одноэлектронного квантового прибора,работающего при нормальной - 290-300 К (1727 С) температуре. Однако рассматривать отдельный кластер как компонент микросхемы без учета емкостей электродов транзистора не имеет физического смысла. Поэтому необходимо учитывать все паразитные емкости. Как показано в [3], регистрация одного электрона возможна полевым полупроводниковым транзистором с изолированным затвором. Причем структура самого канала транзистора на анализ не влияет. Поэтому для любых приборов такого типа, вплоть до нанометровых, необходимо учитывать как входную емкость Ci, так и выходную емкость Са. Следовательно, формула(1) должна быть дополнена множителем Са/Сi в соответствии с [3, формула (7.36)] Из этого выражения следует, что при приемлемом размере проводника, подводящего сигнал управления к затвору или кластеру, например длине проводника 1000 нм и ширине 10 нм, емкость проводника для кремниевой подложки будет Ci100 Сс. Следовательно, при приемлемом быстродействии рабочая температура прибора составит всего Т=1,43 К (-271,72 С). Именно такая температура является предельной для большинства SET-приборов, реализованных до настоящего времени [4-7]. В этих работах пытались реализовать высокотемпературное одноэлектронное туннелирование, по существу,одним способом, предложенным в работе [2]. Например, между двумя электродами, нанесенными на диэлектрик, размещали металлические кластеры размером меньше 50 нм [4]. Или аналогично в слое диэлектрика равномерно распределены кластеры фуллерена, имеющие размер всего 0,634 нм [5]. В работах [6, 7] уже рассмотрены всевозможные логические устройства для создания цифровой памяти логических элементов с размерами структур от 0,2 до 100 нм. Однако в работе [2], которая явилась прототипом всех этих работ, была допущена принципиальная ошибка - не учтен безразмерный множитель Са/Сi. В результате, эта ошибка из работы [2] перешла в большинство патентов, использующих принцип одноэлектронного туннелирования. Эта ошибка ставит большое число выданных патентов на SET-приборы в разряд работ,имеющих только научное применение, но не имеющих широкого коммерческого применения. Устранить эту ошибку технически очень сложно, так как между любыми активными элементами должны существовать связи посредством электрических проводников, размер кото 3 рых трудно свести к размеру самого активного элемента. Следовательно, всегда будет существовать большая паразитная емкость подводящих электродов. В ряде других работ [8] идут более традиционным образом, встраивая кластер в подзатворный диэлектрик полевого транзистора. Заряжая или разряжая этот кластер уже группой электронов, туннелирующих через диэлектрик,удается изменить характеристики полевого транзистора и создать аналоговую или цифровую память. Однако время хранения заряда здесь оказывается недостаточным, а размеры самого прибора остаются большими. Из описаний вышеизложенных патентов следует, что в них не учли пространственные емкости подводящих проводников к транзисторам. И, естественно, здесь не удалось получить рабочих температур, превышающих температуру жидкого гелия. Определенным достижением в области повышения рабочих температур SET-приборов до нормальных условий явилась работа [9]. В ней авторы поместили 30 нм кластер из титана между титановыми электродами толщиной 3 нм,расположенными на расстоянии 50 нм. Промежуток между кластером и электродами заполнили туннельно-прозрачным диэлектриком из ТiOх. При нормальной температуре при подаче небольшого напряжения 0,1-0,7 В на вольтамперной характеристике (ВАХ) образуется четыре N-образных участка Этот необычный эффект был объяснен одноэлектронным туннелированием. Однако, если учесть, что окись титана имеет =24, и дополнительно посчитать емкость кластера и электродов относительно подложки, то рабочая температура получается значительно ниже нормальной. Ясно, что здесь авторы столкнулись с эффектом, связанным, повидимому, с необычными характеристиками самой диэлектрической пленки ТiOх. По существу, все диэлектрики в той или иной мере обладают нелинейными участками зависимости удельного сопротивления от напряженности электрического поля. На начальном участке этой зависимости удельное сопротивление не меняется до напряженности поля 104 В/см. Далее удельное сопротивление падает за счет образования дополнительных носителей,освобождающихся из ловушек - донаторов [10,с.264] Если диэлектриком является высокомолекулярное соединение (ВМС), то в них ток двигается вдоль сферолитов, т.е. неких каналов,образованных длинными молекулами. При превышении полей 105-106 В/см, как правило, начинается необратимый пробой диэлектрика, т.е. непосредственно в каналах пробоя начинается массоперенос и деструкция молекул. В тонкопленочных диэлектриках объемное содержание донаторов недостаточно для образования каналов пробоя, поэтому пробой пленок происходит при напряженности полей, большей на порядок. 4 Например, для пленок Si2 О 3 толщиной порядка 15 нм напряженность электрического поля не превышает 8 МВ/см. Если же имеется достаточное количество ловушек (донаторов), то такoй диэлектрик обладает свойством запоминания заряда, прошедшего по данному каналу. Это свойство запоминания заряда широко используется в электронике для создания перепрограммируемой памяти. Однако такая память оперирует с большим количеством электронов, накопленных во многих ловушках с разными энергетическими характеристиками. Это приводит к постоянной утечке зарядов с ловушек и, следовательно, изменению параметров приборов. Поэтому их нельзя использовать в наноразмерных приборах, так как здесь приходится оперировать с единичными ловушками. Другой важной нелинейной характеристикой диэлектриков является лавинный пробой диэлектрика. Такой пробой выполняет функцию ограничения выходного сигнала. Причем он происходит без деструкции материала, например, в широкозонных полупроводниках, выполненных в виде многослойных поликристаллических пленок на основе ZnO. В этих пленках размер кристаллитов-кластеров составляет 0,215,0 мкм и они разделены туннельнопрозрачными промежутками из Вi2O3 толщиной 2,0-10,0 нм [11]. Однако из этой работы совершенно не ясно, как будут изменяться характеристики пленок при уменьшении кристаллитов до наноразмеров, т.е. менее 0,1 мкм. Кроме того,такие ограничители выходного сигнала не обладают усилительными свойствами, что сужает их область применения в наноэлектронике. Кроме функций ограничения сигнала известен класс элементов, обладающих N- и Sобразными характеристиками, позволяющими усиливать и нелинейно преобразовывать сигнал. Известно, что N-образными характеристиками обладают приборы, в которых образуются электронные капли - домены. S-образная характеристика обычно образуется за счет возникновения токовых шнуров [12, 13]. Однако приведенные характеристики нелинейных элементов, как правило, получены для образцов микронного и более размера, что не позволяет автоматически перенести такие характеристики на наноразмерные образцы. Кроме того, эти нелинейные характеристики присущи только двухэлектродным приборам, что также сужает их область применения в наноэлектронике. Также важным видом нелинейной характеристики являются гистерезисные петли на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках и подобные гистерезисные характеристики [14]. Однако, как правило, приборы, основанные на эффекте Джозефсона и других туннельных эффектах между сверхпроводником и полупроводником, сверхпроводником и металлом и т.п.,управляются внешним током или внешним магнитным полем. Создание источников тока для 5 управления джозефсоновскими приборами требует достаточно высокого напряжения, что, в целом, приводит к увеличению энергетических потерь. Также создание внешнего магнитного поля связано с формированием литографическим способом катушек или петель, что делает этот подход громоздким. Существующие сверхпроводники, которые можно использовать в джозефсоновских приборах, имеют критические температуры, не превышающие -182 С, что требует применения криостатов и, следовательно,увеличивает габариты приборов. Все это делает проблематичным применение этих приборов в наноэлектронике. Аналогичные нелинейные характеристики имеют многие аморфные и поликристаллические пленки полупроводников [15] или материалы, обладающие фазовыми переходами металл-полупроводник (ФПМП) [16], в том числе с ФПМП на основе высокомолекулярных органических полупроводников (BEDT-TTF)mXn [17] или на основе пленок Ленгмюра-Блоджет из стеариновой кислоты, в виде молекулярного одноэлектронного транзистора [18]. Здесь процесс движения электронов в ленгмюровской пленке (с встроенными наноразмерными кластерами) осуществлялся под действием ортогональной иглы СТМ [18]. При такой геометрической конфигурации емкость управляющего электрода - иглы, естественно, значительно меньше, чем в формуле (3), что позволяет наблюдать квантовые эффекты при нормальных температурах и низком быстродействии. Однако при расположении управляющего электрода на подложке емкость увеличивается и при приемлемом быстродействии прибор может работать только при низких температурах. Таким образом, приведенные в работе характеристики не вполне соответствуют характеристикам реального прибора с расположением электродов на подложке в отношении реальной рабочей температуры. Элементы, обладающие характеристиками с гистерезисными петлями, позволяют хранить информацию, т.е. создать ячейки памяти. В эти ячейки информация записывается с помощью электрического тока. Также существуют гистерезисные характеристики магнитных материалов, которые аналогично можно использовать для создания ячеек памяти. В них можно осуществлять запись информации с помощью внешних дополнительных полей. Например, существует вариант записи информации в одиночном кластере на основе переворота спины электрона под действием фотонов в магнитных полупроводниковых пленках нанометровой толщины в системе РbТе-EuTe-РbТе [19]. Для лучшего магнитного материала типаSmCo максимальная запасенная энергия магнитного поля в единице объема не превышает 5 Дж/моль. Термодинамические расчеты для этого материала показывают, что минимальный 6 размер магнитного кластера, удовлетворяющего разумным требованиям сохранения информации более года при нормальной температуре, должен быть больше 100 нм. Следовательно, и устройство в [19], в принципе, ограничено этими размерами. Поэтому для наноразмерных приборов он пока является неперспективным. Другая попытка создания активных наноразмерных квантовых приборов [12] основана на создании некого подобия атома - суператома сферической формы из полупроводников по технологии получения сверхрешеток. Здесь ядро размером 3-10 нм окружено сферическими слоями сверхрешеток. Общий диаметр такого кластера - 71 нм. В этом устройстве электроны двигаются вдоль поверхностей сверхрешеток вокруг заряженного ядра. Однако энергия связи электронов в таких оболочках составит 1 мэВ,что, естественно, требует гелиевых температур. Следовательно, и такой подход к конструированию электронных наноразмерных приборов для нормальных температур неперспективен. Из приведенных примеров, по крайней мере, только для ФПМП существуют аксиоматическая теория, приближенно описывающая нелинейные S-образные участки ВАХ. Эта теория основана на термодинамической неустойчивости и наличии гистерезиса в точке фазового перехода металл-полупроводник за счет изменения кристаллической структуры. Из-за инерционности всех тепловых процессов при перекристаллизации в таких S-приборах на ФПМП они считаются неперспективными для применения в микро-, а, тем более, в наноэлектронике. При уменьшении размеров приборов часто возникают нелинейные характеристики, которые выгодно использовать в активных элементах наноэлектроники. Например, при уменьшении толщины диэлектрика, расположенного между электродами, менее 8 нм, между электродами возникает туннельный ток [12, с.93]. Этот ток описывается вероятностью туннелирования электронов через энергетический барьер заданной формы. Однако при малых 1-300 мВ напряженияx на барьере возникают существенные аномалии [13, с.371], не позволяющие описать их вероятностными методами. Кроме того,сам критический размер барьера - 8 нм, не следует ни из одной теории. В полупроводниковых диодах с большим уровнем легирования - туннельных диодах, образуется N-образная характеристика. Эта характеристика описывается туннелированием носителей в полупроводнике через р-n переход. Обычно в этих диодах, в зависимости от напряжения, ширина р-n перехода составляет 10-15 нм,а длина волны де Бройля электронов не превышает 3 нм. Вследствие этого туннельный эффект не должен наблюдаться, как это следует из классической теории [20, с.349]. В действительности, на ВАХ туннельных полупроводниковых диодах существует падающий участок, который 7 приписывается туннельному току, возникающему при взаимодействии носителей с фононами и фотонами полупроводника решетки р-n перехода. Однако и в этом случае существующие модели не описывают аномалии на ВАХ,такие как остаточный ток во впадине ВАХ и возникновение горба на ВАХ при дополнительном легировании перехода и некоторых других аномалий [13]. Как показано в этом разделе, по уровню техники существующие модели SET приборов и других нелинейных приборов с учетом всех дополнительных факторов не позволяют рассчитать, а, следовательно, и создать высокотемпературные логические схемы. Большие сложности возникают при использовании в расчетах Sприборов термодинамических моделей, с помощью которых невозможно рассчитать реальное быстродействие приборов. Существующие модели описания туннелирования электронов с Nобразными характеристиками не отражают многие особенности ВАХ и не позволяют определить конструктивные требования к наноразмерным приборам. При проектировании интегральных схем на основе квантово-размерных электронных устройств существует также проблема гальванической развязки отдельных частей микросхем, т.е. создание неких квантово-размерных трансформаторов и преобразователей. Из вышесказанного следует, что до сих пор неизвестно, на каких физических принципах строить активные элементы наноразмерных электронных приборов. Не определены также физические ограничения, накладываемые на размер, быстродействие и рабочие температуры прибора. Проблемы существующих моделей электрона и предпосылки создания изобретения В настоящее время основной проблемой в физике твердого тела и в физике в целом является отсутствие моделей элементарных частиц,адекватных экспериментальным данным. Так,обычный электрон представляется или равномерно заряженной сферой, или зарядом, сосредоточенным на сферической оболочке, либо неким размытым в пространстве образованием,описываемым плотностью вероятности заряда или массы. При этом предполагается, что размеры электрона описываются его классическим радиусом, который по размеру близок к радиусу ядра. Величина классического радиуса электрона близка к значению, полученному в экспериментах по рассеянию свободных электронов. Однако прямых экспериментов по измерению радиуса электрона в конденсированном веществе не проводилось. Поэтому для металлов и полупроводников в теоретических моделях проводимости, как правило, используется значение классического радиуса электрона или размер его де Бройлевской волны вероятности. Но, используя эти модели, не удается точно описать такие 8 важнейшие характеристики материалов, как электропроводность, теплопроводность, электронная теплоемкость, сверхпроводимость и ряд других характеристик. Отсюда следует, что эти модели являются неадекватными и не позволяют создавать новые приборы с новыми характеристиками. В результате этого фактора остановился прогресс в области наноэлектроники и нанотехнологий в целом. Ясно, что этот кризис обусловлен ошибочным представлением формы и размера самого электрона, находящегося в твердом теле. Таким образом, создание СБИС (более 109 активных элементов) для обработки информации при нормальной температуре возможно лишь при использовании более точных квантово-механических моделей и разработки на их основе методов оптимизации режимов работы СБИС. Задача изобретения Задачей изобретения является увеличение рабочих температур квантово-размерных устройств, управляющих одним, двумя и более электронами, проходящих через такие квантовые устройства, имеющих предельно достижимое быстродействие при минимально допустимых размерах, высокую стабильность. Раскрытие изобретения В предлагаемой заявке впервые рассмотрена новая модель электрона в виде кольца. Эта модель позволила точно описать ряд известных,но неправильно трактуемых экспериментальных факторов и предсказать новые эффекты, на основе которых можно создать новый класс квантово-размерных электронных приборов. По существу, предлагаемая заявка базируется на открытии в области физики и, в частности, в области физики электрона и физики конденсированного вещества. Суть открытия - детерминированный подход в квантовой механике. На основании новой теории рассчитан большой ряд параметров электронных приборов, а также значений фундаментальных экспериментальных данных и мировых констант. Результаты расчетов и экспериментальных данных сведены в таблице приложения к данной заявке и изложены в прилагаемой работе. В этой работе теоретические и справочные экспериментальные данные совпадают с предельной точностью. Это говорит о высокой достоверности всей теории в целом. Более того, справедливость новой модели электрона и соответствующей теории подтверждается в широком круге физических явлений и, в том числе, для космических объектов. Высокая степень совпадения экспериментальных данных и теоретических расчетов в области космических объектов представлена в работе [21]. Таким образом, в результате теоретических исследований и анализа экспериментальных данных удалось разработать модель механизма взаимодействия электронов в конденсированных средах, дающую достаточно 9 точное совпадение с экспериментальными данными. Согласно этой модели электроны в конденсированных средах могут занимать определенные устойчивые состояния с минимумом энергии и низким сечением взаимодействия с атомами среды. Последующий раздел посвящен описанию теоретической модели механизма взаимодействия электронов в конденсированных средах и описанию примеров наилучшего осуществления изобретения. В настоящее время единственным способом увеличить рабочую температуру прибора является уменьшение сечения взаимодействия электрона с коротковолновыми фононами и инфракрасными фотонами подложки и самим материалом прибора. Вместе с тем, известно, что сечение взаимодействия свободного электрона близко к его классическому радиусу r1=/meC. Сечение комптоновского рассеяния гамма кванта на электроне в конденсированных средах дает радиус электрона r2=/mеС, а сечение рассеяния атома водорода равно боровскому радиусуr3=/mес. Здесь =h/2 - постоянная Планка,=1/137.036 - постоянная тонкой структуры, me масса свободного электрона и с - скорость света. Можно заметить, что эти радиусы отличаются на множители (n/c).r3=/mеc=/mе(-1/c) В дифференциальной геометрии известно,что любое пространство можно разложить на вложенные торы или, как частный случай тора,на вложенные сферы [21]. Выберем шаг разложения пространства по торам. Предположим,что в конденсированной среде размер электрона может иметь максимальный размер(4) При таком размере электрона и скорости движения его волны 2c он будет обладать минимально возможной энергией в конденсированной среде. По существу, такое предположение отвечает идее Кельвина, выдвинутой еще в 19 веке. Он предположил, что электрон является токовым вихрем. В дальнейшем де Бройль (1924 год) совместно с соавторами развил эту модель, [22]. Аналогичные модели использовали и другие авторы, представляя электрон в виде тора [23,24]. Однако в их моделях размер большого радиуса тора не превышает его комптоновского радиуса, r2=2r0, а малый радиус тора стремится к нулю. Расширим эту модель. Введем большой радиус тора, равный r0, а малый радиус тора ограничим классическим радиусом электронаr1=3r0. Такое образование является единственной замкнутой ориентируемой двумерной поверхностью, допускающей невырожденное в 10 каждой точке векторное поле. Как следует из дифференциальной геометрии, ни в какой другой топологии невозможно равновесное состояние изолированной системы с самодействием в виде одноименно заряженной среды. Учитывая вышеизложенное, кольцевую волну электрона с равномерно распределенным зарядом е назовем кольцевым электроном. Исключительно важным является то, что вследствие осевой симметрии распределенного вращающегося заряда такое кольцо не излучает электромагнитных и гравитационных волн, т.е. является абсолютно устойчивым. При представлении электрона в виде движущегося по орбите вокруг ядра точечного заряда в модели Бора или некой распределенной вероятности заряда в модели Шредингера приходится постулировать его стабильность, вводя дискретные энергетические уровни, на которых электрон не излучает электромагнитных волн. В нашем же случае стабильность электрона автоматически вытекает из его геометрической формы. Экспериментальное доказательство правомерности такой трактовки размера и формы электрона приведем ниже. Квантово-размерные эффекты возникают в разных конденсированных средах. Например,квантовый эффект Холла в тонких полупроводниковых слоях при низких температурах [25]. Здесь плотность разрешенных состояний на уровнях Ландау равна плотности квантов магнитного потока n4=1/2r42, где r47 нм, так называемая магнитная длина, которая непосредственно связана с радиусом орбиты электрона для наинизшего уровня Ландау. Т.е. здесь электроны представляются тонкими кольцеобразными волнами с расстояниями между кольцами 2r4. В свою очередь, эти кольца расположены в одной плоскости. При нормальных температурах обнаружено характерное образование с размером, связанным с размером кольцевого электрона. Оно возникает при механическом взаимодействии двух плоскостей в электролите 0,1 М HCl. Это образование имеет размер порядка 7,5 нм [26, с.170]. Причем оно является исключительно жестким. В ряде экспериментов было замечено, что аналогичные по размеру и жесткости образования возникают всегда в начальной фазе перехода вещества из жидкой фазы в твердую [27]. Предложенная кольцевая модель электрона с радиусом r0 позволяет достаточно просто объяснить аномальные явления, возникающие в переходах металл-диэлектрик-металл, не привлекая вероятностные модели. Если представить электрон неким колесом с радиусом r0, то такое колесо, естественно, может без проблем "переехать" потенциальную яму, меньшую его радиуса - меньше 8 нм. Это чрезвычайно упрощенное механическое объяснение несет фундаменталь 11 ный смысл, не связанный с представлением частицы как некой плотности вероятности, распределенной в пространстве. И в этом случае не требуется представлять ее туннелирующей через некие потенциальные барьеры. Используя кольцевую модель электрона,можно описать все основные особенности ВАХ туннельных полупроводниковых диодов. Можно предположить, что в определенных пересыщенных твердых растворах сильно легированных полупроводников возможно образование кластеров с радиусом r0. Этот кластер выступает как ядро, и он будет окружен сольватной оболочкой из менее легированного полупроводника. Т.е. образуется некий псевдоатом с туннельно-прозрачной однослойной или многослойной оболочкой с толщиной не более r0. В результате,получается объемное образование, суммарный диаметр которого d4r029 нм. При такой структуре есть вероятность образования кольцевого электрона, двигающегося между оболочкой и поверхностью ядра, полностью охватывая ядро. Если такой электрон возник, то его можно представить в виде кольцевого тока и рассчитать параметры. Известно, что тонкий кольцевой ток радиуса r0 с зарядом е создает на оси х соответственно электрическое и магнитное поля [28](6) где I=2 ес/2 r0 - кольцевой ток. Можно показать, что совместное решение уравнений (5) и (6) даeт потенциальную яму на оси х на расстоянии от центра кольца r0/2. Следовательно, при расстоянии от центра кольцаr0/2 другой произвольный электрон будет притягиваться к кольцу. Причем в центре плоскости сечения такого кольца напряженность электрического поля равна нулю. Вследствие этого в центре кольца образуется еще одна потенциальная яма, в нижней точке которой энергия взаимодействия с точечным зарядом равна нулю. В процессе движения электрона в кристалле в его потенциальную яму попадают ионы остова кристаллической решетки. В результате происходит уменьшение энергии взаимодействия иона с кольцевым электроном в /2 раз. Взаимодействие кольцевого электрона со всеми остальными окружающими зарядами в этом случае будет определяться, в основном, долей электростатического поля, находящегося за площадью, охваченной этим кольцом. Можно показать, что величина этого поля будет порядка e. Если кольцевой электрон поместить во внешнее магнитное поле В, то частота прецессии его будет е=Ве/mе. Из этого уравнения следует, что эффективная масса электрона составляет m=137,036me. Поэтому уменьшение сечения взаимодействия электрона с колебаниями ионов решетки (с фононами или с инфра 003164 12 красными фотонами) можно трактовать как увеличение эффективной массы электрона и, следовательно, уменьшение пространственного сдвига, сообщаемого ему фононом (или ИК фотоном). Также уменьшение сечения взаимодействия можно интерпретировать и как уменьшение эффективного кулоновского взаимодействия между зарядом решетки и самим электроном в е раз. Вследствие вышесказанного, электрон как бы теряет чувствительность к параметрам среды, в которой он двигается. Ярким подтверждением существования тяжелых электронов являются сверхпроводники с f-электронными системами. Например, для систем типа UBe13UPt3m137me [29]. Отметим,что для полупроводников mmе, для металловmme. При нормальных температурах также можно найти тяжелоэлектронные системы. Например, в материалах, имеющих фазовый переход металл-полупроводник типа VO2 эффективная масса электрона составляет m60me [16,с.33]. Итак, достоверность предложенной теоретической модели кольцевого электрона в конденсированной фазе вполне обоснована и подтверждена независимыми экспериментами. Однако возникновение такого электрона возможно только при определенных внешних воздействиях, например температуры, сильного внешнего поля, а также при других нестационарных процессах. Вследствие этого стандартные измерения, например, массы электрона в полупроводниках не выявляют этого явления, так как проводятся в стационарных условиях. Одно из таких нестационарных состояний в полупроводниках возникает при импульсном его освещении. При этом образуются связанные состояния электрон-дырка - экситоны. Обычно их описывают боровской моделью с радиусомr5=r3/m5, где m5 - приведенная масса экситона. Однако множитель /m5 можно представить через модель кольцевого электрона. Так как сечение взаимодействия кольцевого электрона с решеткой падает как е, то 1 и mэmе/. Следовательно, радиус экситона r5 не должен превысить r0. При этом энергия экситона не будет превышать (/2)W3=15,8 мэВ, гдеW3=me(c)2/2 - энергия основного уровня атома Бора. В этом случае пространственная трехмерная конденсация электронов в экситонные капли должна иметь концентрацию N5(r0/2)-3=7,421018 cм-3. Наиболее плотные капли возникают в Si. Они имеют N5=(3,03,37)1018 см-3 и энергию связи экситонов в капли W5=8,2 мэВ, что вполне вписывается в допуски, приведенные выше, и соответствует экспериментальным данным, приведенным в [30]. Такой большой экситон с радиусом порядка r0 принято называть экситоном Ванье-Мотта. Из экспериментальных данных известно, что при уменьшении его размеров до 0,1-1,0 нм он 13 трансформируется в экситон Френкеля [30]. В этом случае кольцевой электрон с радиусом r0 просто свернется до размера периода решетки атомного остова, а скорость вращения кольца увеличится в пределе до скорости на поверхности Ферми. Максимальная величина скорости на поверхности Ферми электронов будет с. Таким образом, предлагаемая теоретическая модель кольцевого электрона позволяет описать с новых позиций большинство нестационарных и нелинейных процессов, возникающих в конденсированной среде, не привлекая вероятностные модели. Из вышеприведенного анализа следует,что в определенных материалах можно искусственно создать условие формирования кольцевого электрона с помощью наноструктурирования среды и/или с помощью внешних воздействий. Тем самым создаются резонансные условия работы наноэлектронных приборов, позволяющие функционировать им при нормальных температурах и выше. На основании этой модели стало возможным разработать ряд новых приборов и способы их функционирования в соответствии с приведенной ниже формулой и описанием изобретения. Исходя из новой модели электрона в конденсированной среде, можно также построить структуры квантовых электронных приборов,имеющих высокостабильные резонансные параметры. Сущность изобретения Согласно одному из вариантов изобретения квантово-размерное электронное устройство содержит электроды, по меньшей мере, один кластер с туннельно-прозрачными промежутками между кластером и электродами, характеризуется тем, что кластер имеет, по меньшей мере,один характерный поперечный размер, определяемый в интервале 7,2517 нмr29,0068 нм,причем толщина туннельно-прозрачного промежутка не превышает 7,2517 нм, а расстояние между электродами превышает 7,2517 нм. Указанные параметры определяются из формулыD=ar0,где r0 определяют как (кольцевой) радиус волны электрона согласно формулеr0=/(mе 2c),где =h/2 - постоянная Планка,mе - масса электрона,=1/137,036 - постоянная тонкой структуры,с - скорость света,а - коэффициент, определяемый в пределах 1 а 4. Толщина туннельно-прозрачного слоя при этом не превышает r0, а расстояние между электродами превышает r0. Туннельно-прозрачный промежуток (ТПП) или слой (ТПС) может представлять собой либо диэлектрический зазор, 003164 14 либо диэлектрический слой на поверхности кластера. В этом изобретении кластер может быть выполнен из проводника, полупроводника,сверхпроводника, высокомолекулярного органического материала (ВМС). Квантово-размерный электронный прибор также может быть выполнен в виде, по меньшей мере, одной полости с оболочкой из туннельнопрозрачного слоя. При этом параметры полости и оболочки являются, соответственно, такими же, как для кластера с туннельно-прозрачным промежутком. В ряде случаев кластер может иметь не только сферическую форму, но и иную центрально-симметричную форму. Центрально-симметричная форма кластера позволяет создавать как двумерные, так и трехмерные логические и аналоговые структуры. При этом рабочая температура устройств на таких кластерах будет увеличиваться пропорционально добротности резонатора и может достигать температуры вплоть до температуры деструкции самих материалов кластера. Роль такого резонатора выполняет полость в туннельно-прозрачной оболочке. При этом полость может быть заполненной как газом, так и перечисленными выше материалами. Расчет параметров резонатора и способы работы приборов на его основе приведены ниже. Согласно другому варианту кластер также может быть выполнен протяженным и иметь характерный поперечный размер, определяемый в интервале 14,5034 нмr29,0068 нм. Указанные параметры определяются из формулыD=br0,где 2b4. При следующем варианте протяженный кластер может иметь вдоль оси регулярную структуру с периодом, определяемым в интервале 7,2517 нмr29,0068 нм. Приведенные параметры также определяются из формулы=br0,где 1b4. В соответствии с дальнейшим развитием изобретения множество кластеров могут быть расположены регулярно, по меньшей мере, в одном слое, причем промежутки между кластерами должны быть туннельно-прозрачными и не превышать r0. Ясно, что протяженные осесимметричные кластеры могут создавать резонансные условия для электронов за счет своих поперечных размеров. Однако, в отличие от центрально симметричных структур, их более удобно использовать для планарных однослойных конструкций. В настоящее время планарная технология явля 15 ется ведущей в электронной промышленности. Способы создания регулярных каналов в диэлектрических и полупроводниковых пленках достаточно хорошо разработаны. Следовательно, можно создавать достаточно просто туннельно-прозрачные промежутки между осесимметричными кластерами. Эта технология может служить переходным этапом к трехмерным технологиям будущего. Слои, состоящие как из центрально симметричных кластеров с ТПП, так и из осесимметричных кластеров, по существу, являются активной средой. В такой среде может, при определенных условиях (при подаче внешнего электрического поля), распространяться волна зарядов. Это происходит аналогично распространению электрического импульса по аксонам. Наряду с активными средами кластеры можно использовать в виде отдельных электронных приборов, если подключить к ним через ТПП два или более электродов. При этом необходимо, чтобы паразитные емкости (размеры) этих электродов были минимальны. Естественно, если к кластеру подключены два электрода, то он является своеобразным диодом. Если к кластеру подключены три и более электродов, то он является своеобразным транзистором и т.п. Таким образом, по меньшей мере, два электрода должны быть подключены через ТПП к кластерам, причем один из электродов является управляющим. Для расширения функциональности и управления прибором к кластерам могут быть также подключены, по меньшей мере, три электрода, по меньшей мере, один из которых является управляющим. Параметры электронных приборов, выполненных из кластеров, будут зависеть не только от их размеров, но и от материала подключенных к ним электродов. Это связано с тем, что размеры электрона и механизм его движения в электродах непосредственно связаны с параметрами среды, в которой он распространяется,размерами среды, внешними полями и температурой. Естественно, когда в процессе движения электрона через кластер им управляет поле электрона, находящегося в электродах, то взаимное соотношение полей очень существенно. Кроме того, важным моментом является форма электрона, который эмитируется из входного электрода в кластер. Следовательно, параметры прибора в целом связаны как с размерами и материалом кластера, так и размером и материалом электродов. Согласно дальнейшему развитию изобретения электроды могут быть выполнены из проводника, и/или полупроводника, и/или сверхпроводника, и/или из проводящих органических материалов. 16 Кластеры с ТПП могут также быть объединены в группы и образовывать одномерные,и/или двумерные, и/или трехмерные структуры. Объединение кластеров с ТПП в группы может осуществляться посредством взаимного расположения дискретных электродов, а также за счет формы дискретных электродов. В другом варианте осуществления изобретения кластеры могут быть объединены в изолированные пространственные группы, которые подключены к соответствующим электродам. В связи с тем, что кольцевой электрон при уменьшении размеров электродов стремится покинуть электрод или свернуться до меньших размеров, то размеры электродов должны быть ограничены некоторой критической величиной. В случае использования электродов из сверхпроводника поперечный размер электродов должен быть ограничен размером d2r0, что соответствует 14,5034 нм. Согласно другому варианту электроды выполняются из материала, имеющего фазовый переход металл-полупроводник, и имеют поперечный размер d2r0 или 14,5034 нм. При использовании электродов из проводника поперечный размер электродов может быть ограничен размером dr0=7,2517 нм. При этом удельное сопротивление проводника должно быть не более 10-3 Омсм. Для создания оперативной памяти для компьютеров, преобразователей видеоизображений в электрические сигналы, а также в ряде других применений необходимо кластеры с ТПП или группы кластеров с ТПП объединять в матрицы посредством соответствующей конфигурации электродов. В этом случае каждый кластер с ТПП должен быть подключен, по крайней мере, к двум управляющим электродам,и совокупность таких кластеров образуeт матрицу запоминающих ячеек. К двум управляющим электродам могут быть также подключены, по крайней мере, два или более кластеров с туннельно-прозрачными промежутками, а совокупность таких кластеров образует матрицу запоминающих ячеек, которая может хранить информацию даже при отключении питания. Для того чтобы активные ячейки на кластерах с ТПП или на целых группах таких кластеров могли работать в оптимальном электрическом режиме, их необходимо подключать к электродам питания через специально созданную нагрузку в виде пассивных резисторов или нелинейных элементов в виде таких же кластеров с ТПП. В дальнейшем усовершенствовании кластеры с ТПП могут подключаться к питающим электродам через резистивный слой или кластерный с ТПП (нелинейный) слой. При исполь 17 зовании нелинейной нагрузки достаточно просто создать логические элементы с памятью. На основе групп кластеров с туннельнопрозрачными промежутками, имеющих резистивные или нелинейные нагрузки в виде таких же кластеров, можно создавать всевозможные логические элементы. Особо важно отметить,что в этом случае паразитная емкость управляющих и питающих электродов фактически мало влияет на температурные параметры ячеек,так как сами электроды либо отсутствуют из-за туннельного контакта ячеек, либо имеют минимальные размеры из-за близости расположения этих ячеек. С помощью заданной конфигурации электродов питания или управления можно придавать ячейкам дополнительные функциональные свойства. Это значительно упрощает конструирование приборов. Согласно одному из усовершенствований два или более кластеров подключены через туннельно-прозрачные промежутки к питающим электродам и объединены в группу (в виде одного слоя) контактирующих между собой через туннельно-прозрачные промежутки кластеров,причем к одному или более кластерам через туннельно-прозрачные промежутки подключены управляющие входные электроды, а к другому или к другим кластерам через туннельнопрозрачные промежутки подключены выходные электроды, являющиеся выходом логического элемента ИЛИ. В другом усовершенствовании два или более кластеров с ТПП объединены в группу в виде последовательной одномерной цепочки. Четные элементы этой цепочки подключены через резистивные слои к первому питающему электроду, а нечетные элементы подключены через резистивные слои ко второму питающему электроду и образуют логический регистр сдвига. Объединять кластеры с ТПП и группы кластеров с ТПП можно не только их контактом через ТПП между собой, но и посредством электродов, контактирующих через ТПП с группой таких кластеров. В одном изобретении два или более кластеров с ТПП подключены к питающим электродам через ТПП и объединены в группу в виде одного слоя, причем к одному или более кластерам через ТПП подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры с ТПП соединены между собой через дополнительные электроды одинаковой толщины и ширины,причем эти электроды могут подключаться к одному или более аналогичным кластерам последующей группы. Другой вариант объединения, когда два или более кластеров с ТПП подключены к питающим электродам и объединены в группу в виде одного слоя, причем к одному или более 18 кластерам с ТПП подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам с ТПП подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры соединены между собой через дополнительные электроды, суженные с одной стороны по направлению движения сигнала, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Операцию логической инверсии можно осуществить, если кластер с ТПП подключен через резистивный слой к питающему напряжению, а точка подключения соединена с выходным электродом. При этом входное напряжение подается непосредственно через один или более управляющих электродов, связанных с кластером через туннельно-прозрачный промежуток. Аналоговое сравнение двух сигналов можно осуществить, если два кластера с ТПП подключены к питающему напряжению через резистивные элементы, при этом первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с одним кластером через туннельно-прозрачный слой. На второй электрод, связанный с другим кластером через туннельно-прозрачный слой,подается второе входное напряжение, причем одни из точек подключения к резистивным элементам каждого кластера объединены, а другие точки подключения резистивных элементов соединены с выходными электродами, являющимися выходами схемы аналогового сравнения двух сигналов. Если два кластера с туннельнопрозрачными промежутками (с ТПП) подключены через резистивные элементы к питающему напряжению, причем точки их соединения соединены с выходными электродами, а первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с первым кластером через туннельнопрозрачный слой, и второе входное напряжение подается непосредственно через второй управляющий электрод, связанный со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, и первый выходной электрод соединен со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второй выходной электрод соединен с первым кластером через туннельно-прозрачный слой, в этом случае эти два кластера образуют триггер на два логических состояния. Два или более кластеров с ТПП могут быть подключены через резистивный слой к питающему напряжению и образуют изолированные группы, объединенные одним общим выходным электродом, а к каждой изолированной группе кластеров через ТПП подведен один или более управляющий входной электрод. При этом количество кластеров в каждой группе определяeт весовую функцию по входному сигналу и образуeт логический элемент нейронного типа весовой сумматор. 19 Еще одно усовершенствование заключается в том, что один или более кластеров с ТПП подключены к питающим электродам, по крайней мере, через один дополнительный слой кластеров с туннельно-прозрачными промежутками. В этом случае дополнительный слой выполняет роль нагрузки, что позволяет запоминать исходные состояния даже при выключении питания. Два или более кластеров с ТПП подключаются к питающим электродам и объединяются в группу в виде одного слоя непосредственно контактирующих между собой через ТПП кластеров, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды,а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды, являющиеся выходом логического элемента ИЛИ с памятью. В одном из вариантов два или более кластеров с ТПП могут быть подключены к питающим электродам через ТПП и объединены в группу в виде одного слоя, причем к одному или более кластерам через ТПП подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры с ТПП соединены между собой через дополнительные электроды одинаковой толщины и ширины, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам с ТПП последующей группы. Такие схемы могут выполнять функцию усилителя сигнала с памятью. Два или более кластеров с ТПП могут быть подключены к питающим электродам через ТПП и объединены в группу в виде одного слоя,причем к одному или более кластерам через ТПП подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам через ТПП подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры с ТПП соединены между собой через дополнительные электроды, суженные с одной стороны по направлению движения сигнала, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Такие схемы могут выполнять роль усилителя сигнала с памятью. При этом суженные электроды обеспечивают направленность передачи сигнала и развязку между входом и выходом. Один и более кластеров с ТПП могут быть подключены через дополнительные кластеры к питающему напряжению и образуют изолированные группы, объединенные одним общим выходным электродом, а к каждой изолированной группе кластеров через ТПП подведен один или более управляющих входных электродов. При этом количество кластеров в каждой группе определяет весовую функцию по входному сигналу и образуeт логический элемент нейронного типа - весовой сумматор с памятью. Важную логическую операцию можно выполнить, если кластер с ТПП подключен через 20 дополнительный кластер к питающему напряжению, а точка подключения соединена с выходным электродом. При этом входное напряжение подается через один или более управляющих электродов, связанных с кластером через туннельно-прозрачный слой, и образует логической элемент инверсии с памятью. В последующем усовершенствовании два кластера с ТПП подключены к питающему напряжению через дополнительные кластеры с ТПП, при этом первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с одним кластером через туннельно-прозрачный слой, а на второй электрод, связанный с другим кластером через туннельно-прозрачный слой, подается второе входное напряжение. Причем одни из точек подключения каждого кластера объединены и подключены к питающему электроду через резистивный элемент, а другие точки подключения дополнительных кластеров с ТПП соединены с выходными электродами, являющимися выходами схемы аналогового сравнения двух сигналов с памятью. Другое усовершенствование заключается в том, что два кластера с ТПП подключены через дополнительные кластеры с ТПП к питающему напряжению, при этом точки их соединения соединены с выходными электродами. Причем первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод,связанный с первым кластером через туннельнопрозрачный слой, а второе входное напряжение подается непосредственно через второй управляющий электрод, связанный со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, и первый выходной электрод соединен со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второй выходной электрод соединен с первым кластером через туннельно-прозрачный слой,образуя триггер на два логических состояния с памятью. Если нанести на пленку из кластеров с ТПП определенную конфигурацию электродов,например, в виде тонкой полоски или змейки, то распространяющаяся волна электронов в кластерах может использоваться для записи информации или ее считывания. То есть процесс идет аналогично распространению волны возбуждения в аксоне человека. Такие устройства удобно использовать для считывания видеоинформации с фоточувствительных пленок или воспроизведения видеоинформации, например,в дисплеях. В этом случае, за счет автосканирования, отпадает необходимость в матричном управлении элементами считывания или элементами воспроизведения - люминофорами или иными оптически активными материалами. Если один или более слоев кластеров с ТПП подключены, по крайней мере, к двум управляющим электродам, по крайней мере,один из которых является оптически прозрач 21 ным, а промежутки между кластерами заполнены фоточувствительным полупроводником, то они образуют светоуправляемую запоминающую среду, которую можно использовать для преобразования видеоинформации в аналоговую или цифровую форму, например, в видеокамерах. Если один или более слоев кластеров с ТПП подключены, по крайней мере, к двум управляющим электродам, по крайней мере,один из которых является оптически прозрачным, а промежутки между кластерами заполнены фоточувствительным полупроводником, то они образуют светоуправляемую запоминающую среду. При этом электроды могут быть распределенными, а обращение к ячейкам можно осуществлять с помощью лазера. Такую среду можно использовать в лазерных дисках. Другое применение изобретения заключается в том, что один или более слоев кластеров с ТПП подключены, по крайней мере, к двум электродам, по крайней мере, один из которых является оптически прозрачным, а промежутки между кластерами заполнены оптически активным материалом и образуют экран дисплея. Еще одно применение изобретения заключается в том, что один или более слоев кластеров с ТПП подключены, по крайней мере, к двум электродам, по крайней мере, один из которых является сеткой, прозрачной для электронов, а промежутки между кластерами заполнены материалом с низкой работой выхода электрона в вакуум и образуют источник электронов. Слои, состоящие из кластеров с ТПП и расположенные между электродами, по существу, являются активными распределенными элементами. В такой структуре энергия электрического поля преобразуется в волну движения электронов. Если эта волна двигается в ограниченном пространстве, то можно задать резонансные условия для движения такой волны. Следовательно, можно создать резонансный генератор высокой частоты. Согласно этому усовершенствованию один или более слоев кластеров с ТПП подключены,по крайней мере, к двум распределенным электродам, выполненным в виде резонатора, и образуют генератор высокой частоты с максимальной граничной частотой, определяемой из формулыfme4c2/h=3,50371011 Гц. Заявляемые квантовые приборы могут также использоваться как эталонные источники напряжения. Так как резонансная ячейка, по существу, является квантовым прибором, то параметры этой ячейки определяются мировыми константами и не зависят от внешних условий. Следовательно, появляется возможность создания эталонного источника напряжения. Например, если один или более кластеров с ТПП объединены непосредственным контак 003164 22 тированием или через электроды между собой и соединены с источником тока, при этом, по крайней мере, один из контактов соединен с выходным электродом, то можно создать эталонный источник напряжения с уровнямиU=n3c2me/2e=n0,09928 В,где n - количество последовательно соединенных кластеров; е - заряд электрона. Для получения необходимых характеристик вышеперечисленных устройств, выполненных на кластерах с ТПП, необходимо правильно задать их режимы работы путем выбора питающих напряжений (напряженности электрического поля) и рабочих температур. Способ работы устройств характеризуется также тем, что напряженность поля на кластере определяют в диапазонеEminEEmax,1,37105 B/смЕ 1,494106 B/см,где Emin=me25c3/2e,Emax=Еmin/4=1,494106 B/см. Способ работы вышеуказанных устройств характеризуется тем, что используется непрерывное и/или импульсное питание. Другой класс электронных устройств согласно последующему изобретению включает следующие усовершенствования. Существует ряд материалов с необычными электрофизическими свойствами. Это материалы, имеющие фазовый переход металлполупроводник. В этих материалах электроны обладают минимальной энергией, т.е. имеют форму, близкую кольцевой. Используя эти материалы, можно расширить класс создаваемых электронных приборов и упростить процесс их конструирования. Однако необходимо учитывать, что если размеры устройств меньше, чем размер кольцевого электрона, это приводит к ухудшению свойств приборов. Требования к управляющим и питающим электродам для этих приборов аналогичны требованиям, изложенным выше. Поэтому ниже эти признаки подробно рассматриваться не будут. Согласно варианту изобретения квантоворазмерное электронное устройство, содержащее электроды и расположенный между ними слой материала, имеющего фазовый переход металлполупроводник, характеризуется тем, что слой материала, имеющего фазовый переход металлполупроводник, выполнен в виде кластеров,имеющих поперечные размеры, определяемые в интервале 14,5034 нмr29,0068 нм,причем расстояние между электродами превышает 7,2517 нм. Указанные параметры определяются из формулыD=аr0, 23 где а - коэффициент, определяемый в пределах 2 а 4, причем расстояние между электродами превышает r0. В отличие от вышеизложенного варианта,в данном случае электроды подключаются к кластерам непосредственно, а не через туннельно-прозрачный промежуток. Тем не менее, оба варианта объединены единым подходом и резонансными параметрами, определяемыми из кольцевого радиуса электрона. Дальнейшее усовершенствование заключается в том, что к кластеру подключены питающие электроды и, по крайней мере, одна нагрузка. Дополнительно к кластеру через туннельнопрозрачные промежутки подключены один или более управляющих электродов, причем толщина туннельно-прозрачных промежутков не превышает r0=7,2517 нм и расстояние между электродами нe менее 7,2517 нм , что также определяется как r0. Поперечный размер электродов, выполненных из сверхпроводника или из материала,имеющего фазовый переход металл-полупроводник, должен быть не менее 14,5034 нм. Это определяется из условияd2r0. Если электроды выполнены из проводника,то поперечный размер определяется из критерияdr0=7,2517 нм. При этом удельное сопротивление должно быть не более 10-3 Омсм. Такие кластеры могут быть подключены к питающим электродам, по крайней мере, через один резистивный слой. Если к такому слою подключить два или более кластеров, а их подключить к питающим электродам и объединить в группу (в виде одного слоя или пленки) непосредственно контактирующих между собой кластеров, причем к одному или более кластерам подключить управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключить выходные электроды, то они будут являться выходом логического элемента ИЛИ. Дальнейшее усовершенствование заключается в том, что два или более кластеров подключены к питающим электродам и объединены в группу в виде одного слоя, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры соединены между собой через дополнительные электроды одинаковой толщины и ширины, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Такие схемы могут выполнять функцию усилителя сигнала. При однонаправленном движении сигнала два или более кластеров подключены к питающим электродам и объединены в группу в виде 24 одного слоя, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры соединены между собой через дополнительные электроды, суженные с одной стороны по направлению движения сигнала, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Такие схемы могут выполнять функцию усилителя сигнала с развязкой. Если входное напряжение подается непосредственно через один или более управляющих электродов, связанных с кластером через туннельно-прозрачный промежуток, при этом кластер подключен через резистивный элемент к питающему напряжению, а точка подключения соединена с выходным электродом, то он является выходом логического элемента НЕ. Для осуществления операции аналогового сравнения двух сигналов два кластера подключены к питающему напряжению через резистивные элементы. При этом первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с одним кластером через туннельно-прозрачный слой, а на второй электрод, связанный с другим кластером через туннельно-прозрачный слой,подается второе входное напряжение. Причем одни из точек подключения к резистивным элементам каждого кластера объединены, а другие точки подключения резистивных элементов соединены с выходными электродами, являющимися выходами схемы аналогового сравнения двух сигналов. Еще одно устройство согласно изобретению выполнено таким образом, что два кластера подключены через резистивные элементы к питающему напряжению. При этом точки их соединения соединены с выходными электродами,причем первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с первым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второе входное напряжение подается непосредственно через второй управляющий электрод, связанный со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой. Первый выходной электрод соединен со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второй выходной электрод соединен с первым кластером через туннельно-прозрачный слой, образуя триггер на два логических состояния. Еще один из вариантов развития изобретения заключается в том, что один и более кластеров подключены через резистивный слой к питающему напряжению и образуют изолированные группы, объединенные одним общим выходным электродом, а к каждой изолированной группе кластеров подведен один или более управляющих входных электродов. При этом количество кластеров в каждой группе 25 определяeт весовую функцию по входному сигналу и образуeт логический элемент нейронного типа - весовой сумматор. Дальнейшее усовершенствование заключается в том, что два или более кластера подключены, по крайней мере, к двум управляющим электродам, а промежутки между кластерами заполнены фоточувствительным полупроводником, и совокупность таких кластеров образует фоточувствительную матрицу. При этом накопление фотосигнала происходит тогда, когда рабочая температура устройства ниже температуры фазового перехода металл/полупроводник. Другое применение изобретения заключается в том, что один или более слоев кластеров подключены, по крайней мере, к двум электродам, по крайней мере, один из которых является оптически прозрачным, а промежутки между кластерами заполнены оптически активным материалом и образуют экран дисплея. Еще одно применение изобретения заключается в том, что один или более слоев кластеров подключены, по крайней мере, к двум электродам, по крайней мере, один из которых является сеткой, прозрачной для электронов, а промежутки между кластерами заполнены материалом с низкой работой выхода электрона в вакуум, и образуют источник электронов. Если один или более слоев кластеров подключены, по крайней мере, к двум распределенным электродам, выполненным в виде резонатора, то они образуют генератор высокой частоты с максимальной граничной частотой, определяемой из формулыfme4c2/h=3,501011 Гц. Способ работы устройств с кластерами из материала с фазовым переходом металл-полупроводник заключается в пропускании электрического тока, по меньшей мере, через один кластер и характеризуется тем, что плотность тока через кластер ограничена значениемj4eme38c4/h3=3,4104 A/см 2 При использовании в кластере материалов,имеющих температуру фазового перехода металл-полупроводник выше температуры эксплуатации приборов, согласно изобретению необходимо обеспечить напряженность электрического поля на кластереEminEEmax 1,37105 B/смЕ 1,494106 В/см,где Emin=mе 25c3/2e=1,37105 В/см,Еmах=Еmin/4=1,494106 B/см,а при использовании в кластере материалов, имеющих температуру фазового перехода металл-полупроводник ниже температуры эксплуатации приборов, это требование не обязательно. Для фоточувствительной матрицы способ работы, включающий пропускание электрического тока, по меньшей мере, через один кла 003164 26 стер, характеризуется также тем, что в кластере используются материалы, имеющие температуру фазового перехода металл-полупроводник выше температуры эксплуатации приборов. Еще один из вариантов изобретения заключается в том, что квантово-размерное электронное устройство, содержащее электроды и расположенный между ними, по меньшей мере,один кластер, характеризуется тем, что кластер выполнен из материала сверхпроводника и имеет поперечный размер, определяемый в интервале 14,5034 нмr29,0068 нм,причем расстояние между электродами превышает 7,2517 нм. Указанные параметры так же, как и в предыдущих вариантах, связаны с кольцевым радиусом электрона и определяются из формулыD=аr0,где а - коэффициент, определяемый в пределах 2 а 4, причем расстояние между электродами превышает r0. В этом варианте для уменьшения удельной потребляемой мощности электронных приборов и интегральных схем необходимо использовать сверхпроводящие материалы, работающие при температурах выше нормальной (комнатной). Сверхпроводимость таких материалов обусловлена особым видом спаривания кольцевых электронов, что приводит к исчезновению фононного взаимодействия с кристаллической решеткой. Вольт-амперные характеристики таких материалов являются обратными вольт-амперным характеристикам материалов, имеющих фазовый переход полупроводник-металл. Т.е. при увеличении температуры выше критической температуры сверхпроводник становится обычным полупроводником или проводником. Материалы с фазовым переходом полупроводникметалл при превышении его критической температуры становятся металлическим проводником. Но его сопротивление остается конечным,так как не полностью исчезает фононный механизм взаимодействия кольцевых электронов с кристаллической решеткой. Однако основные требования к конструированию на сверхпроводящих материалах будут аналогичны требованиям, изложенным выше для приборов на основе материалов с фазовым переходом полупроводник-металл. Здесь также остается требование к размерам электродов и самих кластеров, которые не могут быть меньше диаметра кольцевого электрона. Дальнейшее усовершенствование заключается в том, что к кластеру подключены питающие электроды и, по крайней мере, одна нагрузка и через туннельно-прозрачные промежутки подключены один или более управляющих электродов, причем толщина туннельнопрозрачных промежутков не превышает 27 Устройство дополнительно может характеризоваться тем, что электроды выполняются из сверхпроводника или из материала, имеющего фазовый переход металл-полупроводник, и имеют поперечный размер, превышающий 14,5034 нм, определяемый из соотношенияd2r0. Если электроды выполнены из проводника,то поперечный размер определяется из критерияdr0=7,2517 нм. При этом удельное сопротивление должно быть не более 10-3 Омсм. Один или более кластеров согласно усовершенствованию могут быть подключены к питающим электродам, по крайней мере, через один резистивный слой, который является пассивной нагрузкой. Через такой резистивный слой два или более кластеров, подключенных к питающим электродам и объединенных в группу в виде одного слоя непосредственно контактирующих между собой кластеров, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды,являющиеся выходом логического элемента ИЛИ. Дальнейшее усовершенствование состоит в том, что два или более кластеров подключены к питающим электродам и объединены в группу в виде одного слоя, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры соединены между собой через дополнительные электроды одинаковой толщины и ширины, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Такие схемы могут использоваться как усилители сигнала. Для получения направленного движения сигнала два или более кластеров подключены к питающим электродам и объединены в группу в виде одного слоя или пленки, причем к одному или более кластерам подключены управляющие входные электроды, а к другому или другим кластерам подключены выходные электроды. При этом входные и выходные кластеры соединены между собой через дополнительные электроды, суженные с одной стороны по направлению движения сигнала, причем эти электроды могут подключаться к одному или более кластерам последующей группы. Такие схемы могут использоваться как усилители сигнала с развязкой входа и выхода. Важный логический элемент для инверсии входного сигнала можно создать, если входное напряжение подать непосредственно через один или более управляющих электродов, связанных с кластером через туннельно-прозрачный слой. При этом кластер подключен через резистивный элемент к питающему напряжению, а точка 28 подключения соединена с выходным электродом, являющимся выходом логического элемента НЕ. По следующему усовершенствованию два кластера подключены к питающему напряжению через резистивные элементы, при этом первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод,связанный с одним кластером через туннельнопрозрачный слой, а на второй электрод, связанный с другим кластером через туннельнопрозрачный слой, подается второе входное напряжение. Причем одни из точек подключения к резистивным элементам каждого кластера объединены, а другие точки подключения резистивных элементов соединены с выходными электродами, являющимися выходами схемы аналогового сравнения двух сигналов. Если два кластера подключены через резистивные элементы к питающему напряжению,при этом точки их соединения соединены с выходными электродами, причем первое входное напряжение подается непосредственно через первый управляющий электрод, связанный с первым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второе входное напряжение подается непосредственно через второй управляющий электрод, связанный со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, и первый выходной электрод соединен со вторым кластером через туннельно-прозрачный слой, а второй выходной электрод соединен с первым кластером через туннельно-прозрачный слой, то они образуют триггер на два логических состояния. Далее, если один и более кластеров подключены через резистивный слой к питающему напряжению и образуют изолированные группы, объединенные одним общим выходным электродом, а к каждой изолированной группе кластеров подведены один или более управляющих входных электродов, при этом количество кластеров в каждой группе определяет весовую функцию по входному сигналу и образуeт логический элемент нейронного типа - весовой сумматор. Способ работы устройства определяется тем, что рабочий диапазон приборов ограничен критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние используемых материалов, который определяется из формулы Тcme3c2/(2k)=366,56 К (93,56 С),где k - постоянная Больцмана. Способ работы перечисленных в этом варианте устройств характеризуется тем, что переход из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние под действием управляющих напряжений происходит при напряженности электрического поля на кластере Еmах=Emin/4=2,38105 B/см Еще один вид квантово-размерных приборов рассматривается ниже. Часто при создании интегральных схем требуется гальваническая развязка между разными частями. Для этого необходимо создать своеобразный трансформатор с размерами, соизмеримыми с размерами приборов, выполненных на кластерах или группах кластеров. Ясно, что в проводниках, состоящих из материалов с фазовым переходом полупроводникметалл, или из сверхпроводников, или из ряда других материалов, электроны двигаются в виде цепочек, состоящих из кольцевых электронов. Если два таких проводника расположить достаточно близко, а сами проводники изготовить так, чтобы часть кольцевого электрона выходила за пределы проводника, то можно получить зацепление кольцевых электронов за счет их кулоновских полей. Т.е. движение электронов в двух параллельных проводниках будет синхронным. Этот эффект можно использовать для создания трансформаторов и индукционных логических элементов. В этом варианте квантово-размерное электронное устройство, содержащее электроды, по меньшей мере, один из которых выполнен из проводника, сверхпроводника или материала с фазовым переходом металл-полупроводник,характеризуется тем, что электроды имеют поперечный размер, определяемый в интервале 7,2517 нмr14,5034 нм. Эти параметры связаны с кольцевым радиусом электрона и определяются из формулыD=ndr0,где nd - коэффициент, определяемый в пределах 1nd2. Устройство далее характеризуется тем, что группа электродов в области заданного поперечного размера имеет, по меньшей мере, один участок сближения до расстояния, не превышающего 14,5034 нм=2r0, и образует трансформатор постоянного или переменного тока. Меняя расстояние между проводниками в трансформаторе или форму самих проводников,можно менять коэффициент зацепления электронов и, таким образом, изменять плотность электронов, текущих по проводникам. Следствием изменения плотности электронов в проводнике является изменение потенциала на концах проводника. Т.е. в этом случае может осуществляться непосредственное преобразование постоянного тока в переменный и наоборот. Согласно этому два электрода в области заданного поперечного размера имеют, по меньшей мере, два участка сближения до расстояния, не превышающего 2r0=14,5034 нм,причем по одному из электродов течет постоянный или переменный ток, а второй электрод подключен к нагрузке, и образуют преобразователь постоянного или переменного тока. 30 Если два электрода имеют, по меньшей мере, два участка сближения до расстояния, не превышающего 2r0, причем по одному из электродов течет переменный ток заданной частоты,а второй электрод имеет соответствующую этой частоте конфигурацию и подключен к нагрузке,тогда в нагрузке протекает постоянный ток, и такие устройства образуют преобразователь переменного тока в постоянный ток. Если же, по меньшей мере, один электрод имеет периодические участки отклонения от заданного размера электрода(сужения/расширения) и, по меньшей мере, два участка сближения до расстояния, не превышающего 14,5034 нм=2r0, причем, по меньшей мере,один из электродов подключен к нагрузке, то такое устройство образует преобразователь формы тока. Получить действительно высокотемпературные 93,5 С сверхпроводники, работающие при температуре 30-93,5 С, является исключительно актуальной задачей как для электроники,так и для энергетики. Эксперименты показывают, что часто высокотемпературная сверхпроводимость появляется в определенных материалах, полученных в виде кластеров, вплоть до микрометровых размеров. Эти кластеры в виде спрессованных порошков или керамик проявляют высокотемпературную сверхпроводимость до нормальных температур. Однако эта сверхпроводимость является исключительно неустойчивой и быстро исчезает. Предлагаемое изобретение позволяет объяснить механизм сверхпроводимости и создать устойчивые высокотемпературные сверхпроводники. Для получения устойчивой сверхпроводимости необходимо, чтобы поперечная область движения электронов была не меньше диаметра кольцевого электрона 2r0. При этом длина области сверхпроводимости формально ничем не ограничена. Следовательно, можно создавать длинные проводники - усы нанометровой толщины. Покрывая эти проводники защитной оболочкой и объединяя их в жгуты, можно получить провода. Замыкая эти провода в кольцо или катушку, можно получить накопители энергии или постоянные магниты с большим полем. Согласно изобретению квантоворазмерное электронное устройство содержит сверхпроводящий элемент, при этом сверхпроводящий элемент должен имеет поперечный размер более чем 14,5034 нм, определяемый из формулы D=ar0, где а - коэффициент, определяемый как а 2. При этом сверхпроводящий элемент выполнен в виде полупроводника или из высокомолекулярного органического материала, содержащего донорные центры электронов, причем расстояния между донорными центрами электронов не превышают 29,0068 нм. В другом усовершенствовании сверхпроводящий элемент состоит из одного или более 31 кластеров, объединенных в группу в виде цепочки и подключенных к питающим электродам, причем размер кластера должен быть не меньше 2r0=14,5034 нм. Еще одним усовершенствованием является то, что сверхпроводящий элемент состоит из одного или более кластеров, объединенных в виде одного или более слоев и подключенных к питающим электродам, причем размер кластера должен быть не меньше 2r0=14,5034 нм. Сверхпроводящий элемент может быть выполнен из высокомолекулярного органического материала, содержащего донорные центры электронов. В другом варианте изобретения сверхпроводящий элемент выполнен в виде капиллярной полости, с оболочкой из полупроводника или диэлектрика, содержащего донорные центры электронов, причем полость имеет размер, не превышающий 2r0=14,5034 нм. Согласно другому усовершенствованию сверхпроводящий элемент может быть выполнен в виде полупроводника, содержащего донорные центры электронов, при этом расстояния между донорными центрами должно быть не более 29,0068 нм, которое выбирается из условия d4r0. Одно из усовершенствований заключается в том, что перечисленные сверхпроводящие элементы могут быть выполнены в виде кольца или соленоида. Способ работы или режимы высокотемпературных сверхпроводников заключаются в следующем. Рабочий диапазон проводов и приборов на их основе ограничен критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние используемых материалов, которая определяется из формулы Тcme3c2/(2k)=366,65 К. Другой параметр режима работы заключается в том, что пропускание электрического тока, по меньшей мере, через один кластер или проводник в целом ограничено плотностью токаj4eme38c4/h3=3,4104 А/см 2. Еще один критический режим работы заключается в том, что рабочий диапазон приборов ограничен критическим магнитным полем перехода в сверхпроводящее состояние используемых материалов, которое определяется из формулы Ве(mе/е)[me(2c)2/]=12,5 Тл. Единство изобретения Все перечисленные варианты устройств и режимы их работы связаны единым изобретательским замыслом и единой общей характеристикой - резонансными условиями образования кольцевого электрона в наноструктурированной среде. Все геометрические параметры в настоящей заявке связаны новой величиной - кольцевым радиусом электрона r0=7,2517 нм - и кратны ему. Все режимы работы таких приборов 32 также связаны с условиями образования кольцевых электронов. Все перечисленные устройства могут быть проиллюстрированы следующими примерами,приведенными ниже и изображенными на чертежах. Перечень фигур, указанных на чертежах Фиг. 1. Сферическая логическая ячейка. Фиг. 2. Спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в сферической логической ячейке. (Направление стрелки указывает направление кольцевого тока.) Фиг. 3. Цилиндрическая логическая ячейка. Фиг. 4. Спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке. Фиг. 5. Цилиндрическая логическая ячейка на основе материала, имеющего фазовый переход металл-полупроводник. Фиг. 6. Спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке на основе материала, имеющего фазовый переход металл-полупроводник. Фиг. 7. График зависимости тока от напряженности электрического поля для цилиндрической логической ячейки на основе материала, имеющего фазовый переход металлполупроводник. Фиг. 8. Цилиндрическая логическая ячейка на основе сверхпроводника. Фиг. 9. Спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке на основе сверхпроводника. Фиг. 10. Вольт-амперная характеристика цилиндрической логической ячейки на основе сверхпроводника. Фиг. 11. Экспериментальная вольт-амперная характеристика сферической логической ячейки. Фиг. 12. Экспериментальная вольт-амперная характеристика группы логических ячеек,сформированных в полупроводнике. Фиг. 13. Вольт-амперная характеристика тонкопленочной логической ячейки на основеTiOx. Фиг. 14. Конструкция многослойной логической ячейки на основе сферических кластеров. Фиг. 15. Конструкция логической ячейки на основе группы цилиндрических кластеров. Фиг. 16. Энергозависимая матрица памяти. Фиг. 17. Энергонезависимая матрица памяти. Фиг. 18. Вариант подключения управляющих резистивных электродов к группе контактирующих кластеров. Фиг. 19. Вариант подключения управляющих электродов к группе контактирующих кластеров через дополнительный кластерный слой. Фиг. 20. Групповая логическая ячейка ИЛИ. 33 Фиг. 21. Групповая логическая ячейка ИЛИ с разветвлением по выходу. Фиг. 22. Групповая логическая ячейка ИЛИ с мощным выходом. Фиг. 23. Вариант объединения логических ячеек с заданным направлением движения сигнала. Фиг. 24. Вариант объединения логических ячеек с заданным направлением движения сигнала и разветвлением. Фиг. 25. Сдвиговый регистр. Фиг. 26. Энергозависимый логический элемент НЕ. Фиг. 27. Энергонезависимый логический элемент НЕ. Фиг. 28. Энергонезависимый триггер. Фиг. 29. Устройство сравнения аналоговых сигналов. Фиг. 30. Источник эталонных напряжений. Фиг. 31. Нейронный логический элемент. Фиг. 32. Энергонезависимый весовой сумматор нейронного логического элемента. Фиг. 33. Энергозависимый весовой сумматор нейронного логического элемента на основе материалов с фазовым переходом металлполупроводник. Фиг. 34. Токовый трансформатор. Фиг. 35. Преобразователь тока. Примеры осуществления и экспериментальные доказательства Перечисленные выше устройства могут быть классифицированы и описаны следующим образом. Резонансные электронные приборы В принципе, можно создать любой искусственный дефект, который будет неким резонатором для кольцевой волны с радиусом r0 и с эффективной добротностью 1/. На фиг. 1 представлена сферическая логическая ячейка. 1 - кластер-ядро; 2 - туннельнопрозрачная оболочка; 3, 4 - электроды питания; 5, 6 - электроды управления. При этом ядро может быть сделано фактически из любого материала - металла, полупроводника, сверхпроводника, материала с ФПМП, высокомолекулярного органического соединения (ВМС) - или представлять собой просто пустую полость - пузырек. Главное, чтобы радиус ядра имел размеры,кратные r0. Оболочка кластера может быть изготовлена из любого диэлектрика или полупроводника и иметь одно- или многослойную структуру. Главное, чтобы толщина оболочки не превышала r0. К этому кластеру могут подключаться электроды питания 3, 4 и управляющие электроды 5, 6. При этом на ядре могут находиться один или два электрона в разной спиновой конфигурации. На фиг. 2 представлены спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в сферической логической ячейке. Направление стрелки указывает направление кольцевого тока. 34 Рассчитаем на примере такой ячейки (фиг. 1) оптимальные параметры, которые можно будет использовать и для приведенных ниже других электронных квантово-размерных приборов. Термодинамическую устойчивость кольцевого электрона находим из кинетического уравнения движения распределенной кольцевой массы, движущейся со скоростью 2c. В этом случае принимаем эффективную массу электрона m=me/. Тогда критическая температура, до которой возможно существование кольцевого электрона, выражается следующим образом: Те=me(2c)2/(2k)=1151,86K (878,71 С) (7) Характерно, что такой критической температуре соответствуют температуры фазовых переходов первого и второго рода в некоторых материалах. Например, верхний предел фазовых переходов полупроводник-металл [16, c.4]: МоТе 2, Т 1053 К (780 С); NbO2, Т 1070 К (797 С);FeSi2, Т 1123 К (850 С) и др. Исключение составляет, пожалуй, только ZrO2 , Т=1273-1443 К,(1000-1170 С), по-видимому, из-за наличия двух модификаций кристаллической решетки. Близко к этой температуре лежат верхние пределы фазовых переходов второго рода ферромагнетиков в парамагнитное состояние и антиферромагнетиков при магнитном разупорядочивании. Рассчитаем энергетические характеристики ячейки. Из уравнений (5) и (6) следует, что при сближении двух колец на расстояние r0/2 может происходить образование пары с максимумом энергииW1=(8/27)e2/(40r0) При перекрестном ортогональном перекрытии двух колец, имеющих общий центр,максимум энергии равенW2=(1/4)e2/(40r0) Энергии связи W1 соответствует температура фазового перехода T1=W1/k=(8/27)Te=341,3K(68,3C). Эта величина прекрасно совпадает с экспериментальной температурой несколько размытого центра фазового перехода в VO2,Тп=340 К (67 С). Энергия связи W2 хорошо описывает систему V2O3. Температура начала фазового перехода здесь будет Т 2=(1/8)Те=144 К[16]). Энергетические состояния связанных пар электронов могут изменяться только с кратностью рационального числа n=n1/n2, где n1, n2 натуральные целые числа и n20. Изменяя кратность расстояния между электронными кольцами и учитывая, что оксиды ванадия образуют ряд Магнели VnO2n-1=V2O3+(n-2)VO2, можно рассчитать с высокой точностью все температуры фазовых переходов металл-полупроводник этого ряда. Аналогично можно теоретически рассчитать температуры фазовых переходов металлполупроводник любых материалов. Как следует из теоретических и экспериментальных данных по фазовым переходам ме 35 талл-полупроводник, кольцевые электроны могут конденсироваться в капли при разных пространственных конфигурациях их магнитных моментов - спинов. В отличие от связанных пар электронов в атомах, у которых только 4 состояния спинов: кольцевые электроны могут иметь дополнительные состояния:, и т.п. Кроме этих состояний, кольцо допускает дискретное сжатие в кольцо с меньшим радиусом (фиг. 2 а) или непосредственно в эллипс (фиг. 2b). Важно, что при максимальном сжатии двух кольцеобразных электронов их спины будут направлены , , , , при этом кольца должны трансформироваться в эллипсы с максимальным размером полуосей dn=r0(21/2)=9,3755 нм. Отсюда, максимальный размер ядра кластера будет следующий: dmax=r0(42)=18,75 нм. При этом конфигурация электронов будет иметь вид ортогонально пересекающихся эллипсов, причем один из эллипсов проходит через фокусы второго (фиг. 2b). Есть вероятность объединения электронов и без их сжатия в эллипс, что дает размер ядра d=2r0(фиг. 2 с). Естественно, максимальный размер пары колец в случаебудет при их соосном пересечении d=3r0 (фиг. 2d), а при связи через поверхности колец - d=4r0 (фиг 2f). Добавив оболочку толщиной r0, получим максимальный размер ячейки 5r0=36,26 нм. Теперь определим требования к минимальному размеру ячейки. Примем условие, что она находится на нагретой, по крайней мере, до нормальной температуры подложке. В работе [1, с.20] показано, что фазовые и структурные превращения кластеров начинают отличаться от объемного материала уже при размерах порядка 2-10 нм. При меньших размерах температура плавления частиц понижается,а также изменяется их кристаллическая структура. Одновременно могут увеличиваться подвижность кластеров по поверхности подложки и коэффициент диффузии материала кластера в объем материала подложки. Для уменьшения термодинамической неустойчивости, т.е. плавления кластера при повышенных рабочих температурах, энергия связи атомов в кластере или энергия фазового перехода материала кластера должна быть не менее 5 кДж/моль. Другой критерий, ограничивающий минимальный размер кластера, можно найти из условия сжатия электронного кольца в 2, 3, 4 и более раз. То есть волна де Бройля будет иметь вторую и выше моды - гармоники. Тогда r0=r0/n, а при n=2 диаметр кольца уменьшится до 7,25 нм. Но, как было указано выше, при уменьшении расстояния между электродами 8 нм возникает закорачивающий туннельный ток. Поэтому уменьшение размера кластера менее 7,25 нм, а также уменьшение расстояния между управляю 003164 36 щими и питающими электродами менее 7,25 нм не имеет физического смысла. Следовательно, размер 7,25 нм является фундаментальным пределом наноэлектроники. Учитывая вышеизложенное, определим рабочие размеры элементарной логической ячейки (кластера с туннельно-прозрачными промежутками или оболочкой) в пределах 7,25 нмd36,26 нм. Кроме центрально-симметричной конфигурации можно создать осесимметричные конфигурации кластеров, которые будут также обладать резонансными свойствами и формировать кольцевые электроны. На фиг. 3 приведена планарная модификация логической ячейки - цилиндрическая логическая ячейка. 7 - кластер-ядро; 8 - туннельнопрозрачная оболочка; 9, 10 - электроды питания; 11 - электрод управления. Здесь роль ядра-резонатора выполняет цилиндрообразный канал 7, встроенный непосредственно в диэлектрик или широкозонный полупроводник, играющий роль оболочки 8. При этом канал также может быть заполнен любым металлом, полупроводником, сверхпроводником, ВМС, материалом с ФПМП или частично заполнен остаточными газами. К каналу подводятся питающие 9, 10 и управляющие 11 электроды. Главное, чтобы материалы были термои химически устойчивыми, т.е., технологичными. Кроме того, они не должны образовывать дополнительных дефектов, рассеивающих один или два кольцевых электрона при их движении вокруг ядра. Требования к размерам осесимметричных ячеек несколько отличаются от требований к центрально-симметричным ячейкам. Минимальный диаметр ядра ячейки составляет 2r0, a максимальный не должен превышать 4r0.Такие ячейки могут контактировать между собой через туннельно-прозрачные слои с максимальным размером не более r0 и образовывать периодические структуры как параллельно оси,так и вдоль оси. В осесимметричных конфигурациях наряду с ортогонально-спиновым (ОС) спариванием электронов типа показанных на фиг. 2 возможно и параллельное спаривание и образование цепочек. На фиг. 4 показаны спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке. Направление стрелки указывает направление кольцевого тока. Сформулируем общие требования к конструктивным материалам. Известно, что соединения переходных металлов имеют переменную валентность. Высшие окислы таких металлов, как Ti, V, Nb, Mo,W при отклонении от стехиометрии, например при наличии дефицита кислорода, не образуют точечных дефектов, а образуют новый гомологический ряд Магнели: МnO2n-1, МnО 3n-1, МnО 3n2, где n=1, 2, 3 и т.д. [16, с.48]. Кроме того, 37 указанные металлы образуют соединения, имеющие фазовые переходы металл-полупроводник при температурах выше нормальных. Например,NbО 2, Тk=1070 К (797 С); V3O5, Tk=450K(175C); ZrO2, Tk=1273K (1000C). Следовательно, использовать такие материалы для создания ядра и оболочек технологически исключительно удобно. Кроме того, для создания ядра можно использовать и другие материалы, имеющие высокую температуру перехода металлполупроводник: МоТе 2, Тk=1053 К (780 С);FeSi2, Tk=1123K (850C). Параллельно-спиновые электронные приборы В ряде применений можно не создавать искусственно кластерное образование, способствующее формированию кольцевого электрона,а непосредственно использовать свойства самого материала. Например, кольцевой электрон автоматически возникает в материалах с ФПМП. Элементарная логическая ячейка на основе такого материала показана на фиг. 5. В этой ячейке роль ядра выполняет канал из материала с ФПМП - 12; 13 - туннельно-прозрачный слой; 14, 15 - электроды питания; 16 - электрод управления. Радиус такого ядра-канала лежит в пределах от r0 до 4r0. Аналогично, как и в предыдущих случаях, расстояние между электродами не должно быть меньше r0. Отличительной особенностью такого вида ячейки является отсутствие туннельно-прозрачных промежутков между питающими электродами. Такая среда не способна запоминать информацию. Но размеры канала по оси не ограничены, что удобно во многих применениях, например при сложных топологиях интегральных схем. В случае протяженной осесимметричной ячейки кольцевые электроны могут не только спариваться, но и образовывать цепочки типа. На фиг. 6 представлены спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке на основе материала с ФПМП. Направление стрелки указывает направление кольцевого тока. Такой вид конденсации кольцевых электронов назовем параллельно-спиновым (ПС). Расстояния между отдельными кольцевыми электронами в этой цепочке не будут превышать r0/2. Эта цепочка переносит заряд между электродами питания 14, 15 (фиг. 5). Управление током осуществляется управляющим электродом 16, который соединен с ядром-каналом 12 через туннельно-прозрачную диэлектрическую оболочку 13. По существу, такая структура является квантово-размерным аналогом полевого транзистора с когерентными электронами. Такие цепочки кольцевых электронов экспериментально наблюдаются в виде наношнуров тока при полевом пробое в тонких пленках. 38 Этот пробой приводит к образованию Sобразных ВАХ, которые используются в различных технических применениях [16, 15]. Однако описание механизма образования Sобразной характеристики основывалось до сих пор на термодинамической неустойчивости,возникающей в петле гистерезиса за счет деформации кристаллической решетки при температурном переходе металл-полупроводник и полупроводник-металл. Но это объяснение не позволяет описать измеренную экспериментально низкую температуру самого шнура, которая ниже температуры фазового перехода материала. При использовании нашей модели температура шнура находится из условия Те/n, где n- количество кольцевых электронов, образующих шнур. Таким образом, чем больше кольцевых электронов участвует в образовании шнура,тем ниже его эффективная температура. Таким образом, исходя из модели кольцевого электрона, удалось определить необходимые и достаточные параметры квантовых электронных приборов, использующих резонансные эффекты образования кольцевых электронов. В известных технических приложениях обычно создаются большие перенапряжения на пленке с ФПМП, что, естественно, увеличивает температуру шнура выше температуры фазового перехода материала. Это, в свою очередь, приводит к перегреву материала и, следовательно,вызывает увеличение времени переключения прибора за счет температурных релаксаций. Таким образом, учитывая особенности формирования наношнура тока, критические параметры и режимы, можно создать быстродействующий прибор без температурных релаксаций, обладающий высокой надежностью, так как в предлагаемом изобретении не происходит перекристаллизация и температурное разрушение материала. На фиг. 7 представлен график типовой зависимости тока от напряженности электрического поля для цилиндрической логической ячейки на основе материала с ФПМП. Масштаб величин тока и напряженности поля указан в условных единицах. E1 - пороговая напряженность, U1U2U3 - напряжение на управляющем электроде 16 (фиг. 5). Прохождение тока через канал возможно только после превышения порогового поля E1. После пробоя канала управление его током осуществляется электродом 16, что и отражено на диаграмме в виде семейства характеристик при разных значенияхU. Если прибор работает при температурах выше температуры ФПМП, то материал канала находится в металлической фазе и E1 близка к нулю. Но при этом металлическая фаза не является классическим металлом и не экранирует электрическое поле управляющего электрода 16 из-за особенности конфигурации кольцевых электронов. Следовательно, и в этом случае возможно эффективное управление током, про 39 текающим через канал. Таким образом обеспечивается работа всех устройств, построенных на основе такой ячейки. Антипараллельно-спиновые электронные приборы Кольцевые электроны в определенных материалах и при определенных условиях могут спариваться в цепочки с противоположными спинами типа. Назовем это состояние антипараллельно-спиновым (АПС). В этой фазе выполняются основные и достаточные условия образования сверхтекучей квантовой жидкости, т.е. импульсы электронов (токи и поля) направлены в противоположные стороны,а вся цепь образует пространственнокогерентную периодическую функцию. Особо отметим, что в этом случае спаренные электроны взаимодействуют между собой за счет электромагнитных полей со скоростью, близкой к скорости света. На таких материалах можно создать логические ячейки с гистерезисной характеристикой. На фиг. 8 представлена цилиндрическая логическая ячейка на основе сверхпроводника. 17 - кластер на основе сверхпроводника; 18 - туннельно-прозрачный слой; 19,20 - электроды питания; 21 - электрод управления. На фиг. 9 показаны спиновые конфигурации спаренных кольцевых электронов в цилиндрической логической ячейке на основе сверхпроводника. Направление стрелки указывает направление кольцевого тока. На фиг. 10 приведена вольт-амперная характеристика цилиндрической логической ячейки на основе сверхпроводника. Масштаб тока указан в условных единицах, I1 - критический ток сверхпроводника; U1 - пороговое напряжение. По существу, эта ячейка повторяет конструкцию ячейки из материала с ФПМП. Здесь также отсутствуют туннельно-прозрачные слои между электродами питания, а управление ячейкой осуществляется через туннельнопрозрачный слой 18 (фиг. 8), имеющий толщину не более r0. Несмотря на то, что материал канала 17 находится в сверхпроводящей фазе, в него проникает электрическое поле с электрода управления 21 из-за особенностей конфигурации кольцевых спаренных электронов. В этом случае с помощью поля можно управлять критическим током сверхпроводника, то есть получить некий квантово-размерный аналог сверхпроводящего полевого транзистора. Питание ячейки должно осуществляться источником тока, и падение напряжения на ячейке будет равно 0. При достижении критического тока I1 (точка А) ячейка переходит из сверхпроводящего состояния в резистивное (точка В). При дальнейшем увеличении напряжения характеристика остается резистивной. При уменьшении напряжения по петле гистерезиса она возвращается в исходное положение. Как видно из приведенной 40 петли гистерезиса, ВАХ полностью соответствует ВАХ джозефсоновских приборов, широко используемых в криотехнике, например, на основе тонких сверхпроводящих нитей [14], однако, с дополнительной функцией управления критическим током с помощью управляющего электрода. Большое количество логических элементов на основе джозефсоновских приборов рассмотрено в [14]. Из-за их низкотемпературного режима работы они потеряли актуальность. Исходя из наших предложений, есть возможность реанимировать этот класс приборов, переведя их к нормальным температурам. В настоящее время физика сверхпроводников находится в критическом состоянии. Все известные модели сверхпроводимости не смогли предсказать открытие высoкотемпературных сверхпроводников в восьмидесятые годы 20 века. После этого открытия были предприняты значительные усилия по созданию новых моделей сверхпроводимости, но так и не были найдены адекватные модели. Рассмотрим, в чем ошибочны эти модели. В существующих теориях сверхпроводимости, например Бардина-Купера-Шриффера(БКШ), используется фононный механизм спаривания на больших расстояниях. Однако в этих теориях предполагается, что взаимодействие электронов посредством фононов идет с бесконечной скоростью [13, с.287]. Т.е. в гамильтониане взаимодействия нет запаздывающего множителя. Следовательно, скорость движения электронов в сверхпроводящей фазе невозможно определить. В результате неограниченности скорости взаимодействия происходит нарушение закона сохранения энергии. Ясно, что нарушение законов сохранения говорит о несостоятельности теории, и предсказать на ее основе какие-либо параметры материалов и режимы их работы невозможно. В нашем же случае скорость движения электрона ограничена величиной 2 с и закон сохранения энергии выполняется. Переворот спина электрона будет изменять энергию системы. Энергия связи в АПС-фазе будет ниже энергии связи кольцевых электронов в ПС-фазе на величину 1/2n. Учитывая, что заряд пары 2 е, критическую температуру находим из (7) по формуле Тс=2 Те/2n. В результате,получаем окончательную формулу критической температуры для высокотемпературных сверхпроводниковTc=me(2c)2/(2kn) Критериями оценки достоверности расчетов, полученных из теории, являются многочисленные совпадения с экспериментальными данными. Более того, уравнение (10) состоит только из фундаментальных физических постоянных, а расчеты по нему совпадают со справочными экспериментальными данными, что гово 41 рит о высокой достоверности предлагаемой модели. В уравнение (10) не входит масса иона кристаллической решетки, а это говорит о том,что для высокотемпературных сверхпроводников отсутствует фононный механизм взаимодействия с решеткой. Максимальная критическая температура,достижимая в высокотемпературных сверхпроводниках, будет при n=1 и составит Tc1=366,65K(93,5 С). Этой температуре соответствуют, например, порошкообразные сверхпроводники на основе хСuВrСuВr2 - эксперимент дает темпе ратуру порядка 365K (92 С) [31]. Микронные порошки на основе композиции Y-Ba-Cu-O имеют критическую температуру порядка 300 К(27 С) [32]. Аналогичные эффекты были найдены во многих порошковых материалах данного класса [33]. Микронные участки поверхности окисленных пленок полипропилена имеют критическую температуру порядка 300K (27 С)[34]. Температуре n=2, Тс 2=183,2K (-89,95 С) соответствуют порошки на основе системы С 60/Сu в соотношении 7/1 (эксперимент дает температуру центра размытого перехода порядка 185 К (-88 С [35]. Температуре n=4, Тс 4=91,66K (-181,49 С) соответствует большинство найденных в настоящее время высокотемпературных сверхпроводников типа YBa2Cu3O7. Для монокристаллических образцов такой керамики многими авторами получено экспериментальное значение критической температуры, равное 91,6K (-181,55 С)[36]. Температуре n=16, T16=22,92K (-250,23C) соответствует критическая температура 200 нм пленок Nb3Ge Тс=23,20,2K (-250,15 С) [37,с.267] Температуре n=32, Т 32=11,46 К (-261,69 С) соответствует большой ряд низкотемпературных сверхпроводников второго рода типа Y2C3,NbC, Nb3Au и др. [37]. По существу, все приведенные выше сверхпроводники имеют общую особенность - они являются сверхпроводниками второго рода на кольцевых электронах. Таким образом, приведенные данные являются прекрасным подтверждением существования кольцевых электронов. Отметим, что в низкотемпературных сверхпроводниках первого рода на основе мономатериалов связь электрона с решеткой отличается от вышеприведенной, но они не имеют практического значения для квантоворазмерных приборов. Практический интерес для создания наноэлектронных приборов представляют только материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре Tc1. На основе рассмотренных выше порошковых материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью вполне можно создавать наноразмерные приборы, а также электроды питания и управления к ним. Даль 003164 42 нейшее развитие технологии выращивания больших объемов таких высокотемпературных сверхпроводниковых материалов имеет особо важное значение и для применения в энергетике. Выбор рабочих параметров логической ячейки Модель кольцевых электронов описывает ОС-, ПС- и АПС-электронные приборы. Следовательно, расчеты рабочих параметров всех таких ячеек будут однотипными. Энергия формирования кольцевого электрона из связанных состояний, т.е. энергия, необходимая для перехода электрона из электрода истока в область ядра кластера, будет определяться выражением(11) что соответствует Ue=0,09928 В. При спаривании электронов в ОС-фазе энергия связи будет тождественна 2Ue=0,19856 B. Вследствие того, что электроны в АПС-фазе повернуты друг относительно друга на , пороговое напряжение на сверхпроводящей ячейке равноU1=Ue/=0,0316 B. Этому напряжению соответствует пороговая энергия связи электронов в любых сверхпроводниках 31,6 мэВ. Например,это подтверждают экспериментальные данные,полученные для энергии связи электронов в сверхпроводниках YВа 2 Сu3 О 7 около 30 мэВ[38]. Так как пространство расслоено, то энергия связи пары электронов в АПС-фазе будет соответствовать определенным дискретным энергетическим уровням n, т.е. U1/n. Например,наилучший джозефсоновский прибор наNbN/MgO/NbN дает пороговое напряжение (величину энергетической щели) 5,3 мВ [39]. В нашем случае это соответствует n=6, т.е. 31,6 мВ/6=5,266 мВ. Частота вращения электронного кольца(12) Этой частоте будет соответствовать максимально возможная частота ОС- и ПС-фазных генераторов. Время ухода электрона с ядра ячейки при подаче внешнего поля будет равна одному его обороту, т.е. e=1/fe, и, следовательно, максимальный ток через один элементIe=efe=eme(2c)2/h=5,610-8 A Учитывая, что средний радиус кластера 2r0, получаем плотность тока на 1 см 2 поверхности плотно упакованных ячеекje=Ie/(r02)=4eme38c4/h3=3,4104 A/см 2 (14) Максимально необходимая напряженность поля на ячейке, переключающая ее в другое состояниеRe=Ue/Ie=h/2e2=1,768106 Oм что ровно в 137,036 раз больше джозефсоновского сопротивления. Магнитное поле такого кольцевого тока(18) Фe=r02Be=h/2e=Ф 0=2,067810-15 Bб что точно соответствует кванту магнитного потока. Приведенные выражения описывают процессы фазовых переходов первого и второго рода в критических точках (сингулярностях) в конденсированных веществах. Как видно из приведенных выражений, они состоят только из мировых констант и определяют предельно достижимые параметры любых высокотемпературных электронных квантово-размерных приборов, созданных из любых твердотельных материалов. Осесимметричную логическую ячейку, состоящую из высокотемпературного сверхпроводника, можно представить как проводник большой протяженности. Такой сверхпроводник можно использовать как для передачи больших мощностей, так и в замкнутом виде при накоплении большой энергии или создании соленоидов. Основные требования для высокотемпературных материалов, применяемых в энергетике,отличаются от требований, применяемых в наноэлектронике. Это, прежде всего, высокая рабочая температура, высокие критические ток и магнитное поле, технологичность, низкая стоимость и доступность. Этим критериям удовлетворяют материалы на основе аморфных и поликристаллических полупроводников, состоящих из углерода, кремния, оксидов металлов и халькогенидов, высокомолекулярных соединений, белков. Для получения предельной критической температуры 93,5 С (формула (10 необходимо, чтобы размер проводника (область движения электрона) был не меньше размера кольцевого электрона 2r014,50 нм (формула(4. Область движения электронов может представлять собой цепочку из кластеров, причем расстояние между центрами кластеров не должно превышать 4r029,0 нм. В принципе, для сверхпроводниковых материалов не имеет большого значения сам материал в области движения, т.к. электрон не взаимодействует с самой решеткой, а только с определенными видами дефектов. Как устранить эти дефекты, отдельный вопрос. Можно просто использовать материалы, свободные от таких дефектов. Важно, чтобы количество свободных электронов, на которых могут рассеиваться кольцевые электроны, не превышало некоторого критического значения. Т.е. материал должен быть полупроводником при нормальных температурах, в том числе и материалы на ВМС. Полупроводником могут быть как естественные полупроводники, так и диэлектрики, ВМС, белки,допированные металлом, и др. Расстояние между кластерами металла, или донорными центра 003164 44 ми электронов, или даже отдельными атомами металла в области движения кольцевых электронов должно быть не более 2r0. Наиболее оптимальным будет такое расстояние, когда кластеры будут располагаться в районе r0/2. Т.е. кольцевой электрон одновременно может охватить два близлежащих кластера. В этом случае технологический разброс кластеров относительно оси симметрии полупроводника не вызовет разрыва области движения электрона. Сверхпроводящие каналы должны быть защищены оболочкой, и такие провода можно объединять в жгуты. Линии тока из кольцевых электронов в таких жгутах будут расталкиваться между собой за счет электромагнитного взаимодействия между ними - силы Лоренца. Для компенсации этой силы необходимо использовать известный механизм пиннинга, т.е. механизм удержания вихрей Абрикосова на дефектах. В нашем случае роль дефекта выполняет поверхность оболочки. Естественно, толщина области, окружающей сверхпроводящий канал, не должна быть большой, т.к. она ограничивает среднюю плотность тока. Если все указанные требования будут выполнены, то для такого сверхпроводника можно получить предельную плотность тока,je3,4104 A/см 2 (формула (14, и критическое магнитное поле Ве 12,5 Тл (формула (17. С помощью таких проводов можно передавать энергию порядка 3,4108-3,4109 Вт/см 2. Создавать электромагниты не хуже, чем на известных низкотемпературных сверхпроводниках (поле 6-9 Тл), например, для транспорта на магнитной подвеске. Как показано выше, максимальная скорость движения кольцевого электрона в конденсированной среде не превышает скорости 2 с. Именно такая скорость и является границей существования кольцевого электрона максимальной величины. Безусловно, можно создать электронные приборы, имеющие скорость носителей больше, чем 2 с или больше, чем максимальная скорость звука в конденсированных материалах- mах=32 с/(2). Однако в этом случае кольцевые электроны сворачиваются вплоть до атомарных размеров. Их энергия возрастает до энергии электронов на уровне Ферми, что приводит к увеличению сечения взаимодействия электронов с решеткой в 1/ раз. Это, естественно, приведет к избыточному нагреву приборов и ограничению их применения в сверхбольших интегральных схемах. Важно, что меняя размеры или материал электродов, подводящих к кластеру сигналы и питание, можно изменять ВАХ приборов, оптимизируя их для конкретных применений. Однако и в этом случае кольцевой электрон может быть только сжат до меньших размеров, что,естественно, повлечет за собой понижение рабочих температур. В ряде случаев можно по 45 жертвовать температурным запасом для получения новых ВАХ. Однако в любом случае удельная концентрация носителей в проводниках должна быть достаточно большой и ее можно определить из условия 10-3 Омсм. Для подтверждения теоретических данных были изготовлены два вида ОС-электронных ячеек. Первый вариант. На металлическую подложку осаждались в один слой из плазмы пустотелые сферы ZrO2 с небольшими легирующими добавками со средним радиусом полости порядка r0 и толщиной оболочки r0/2. В результате, получаем аналог ячейки по фиг. 1. С помощью сканирующего туннельного микроскопа, имеющего острие иглы радиуса порядка r0, выбирались сферы, имеющие максимально приближенные к 3r0 диаметры. По максимальному изменению туннельного тока определялась максимальная добротность полости-резонатора,равная 1/. Этой добротности соответствовали сферы, имеющие ядро диаметра 2r0. Путем изменения напряжения на игле снималась ВАХ такой ячейки. На фиг. 11 представлена экспериментальная вольт-амперная характеристика сферической логической ячейки, где 22 - резистивная нагрузка. Начальный участок ВАХ от 0,0 до 0,1 В (точка А) соответствует паразитным токам утечки диэлектрика оболочки ячейки. Это связано с тем, что микроскоп работал в комнатной атмосфере с конечной влажностью и при нормальной температуре. При достижении напряжения 0,1 В ток резко увеличивался (до точки В), что соответствовало формированию вокруг ядра кольцевого электрона. При дальнейшем увеличении напряжения происходил рост тока вследствие прохождения кольцевых электронов через ячейку (линия ВС). То есть из металла подложки через туннель-нопрозрачную оболочку в область полости-ядра постоянно попадают электроны, которые разворачиваются до своих максимальных размеров. Далее кольцевые электроны через туннель-нопрозрачную оболочку перетекают в иглу микроскопа, где они снова сворачиваются до размеров,определяемых параметрами материала иглы. Увеличение тока происходит прямо пропорционально увеличению напряжения на игле. В этом случае управляющий электрод отсутствует. При достижении напряжения на игле 0,2 В(точка С) ток падает (точка D) до величины тока утечки, определяемой диэлектриком, формирующим оболочку ячейки. При напряжении 0,2 В фактически происходит ортогональное спаривание двух кольцевых электронов, так как энергия 0,2 эВ является пороговой энергией образования их совместной потенциальной ямы. В этом режиме ячейка может выполнять роль логической памяти при внешнем поддерживающем напряжении 0,1 BU0,2 B (участок AD). В этом режиме ячейка практически не потребляет энер 003164 46 гии, за исключением энергии, определяемой паразитными токами утечки. При увеличении напряжения больше 0,2 В ток через ячейку будет определяться уже спаренными электронами - электронными каплями и будет продолжать расти с меньшей крутизной прямо пропорционально напряжению. При уменьшении напряжения до нуля ячейка разряжается и снова готова к работе. Второй вариант. Для проверки возможности работы логических ячеек в фоточувствительных матрицах ячейка создавалась в фоточувствительном полупроводнике. В подложку из n-Si особым образом инжектировались атомы переходных металлов. При концентрациях 1018-1020 см-3 и особом режиме отжига в этом пересыщенном твердом растворе образовывались кластеры с размером ядер, близким к радиусу r0. Далее, на поверхность подложки наносились полупрозрачные электроды и снималась ВАХ. Площадь одного электрода составляла 100 мкм 2. Т.е. такой электрод перекрывал одновременно целую группу кластеров. Измерения проводились при нормальных температурах в режиме отсутствия освещения. На фиг. 12 представлена экспериментальная ВАХ группы логических ячеек, сформированных в полупроводнике. Здесь на участке от 0,0 до 0,1 В через этот композитный материал протекает ток, определяемый темновым током самого полупроводника подложки - Si. При достижении напряжения 0,1 В (точка А) в зоне кластеров возникают условия формирования кольцевых электронов. Их эффективная масса возрастает, что приводит к уменьшению крутизны ВАХ (участок АВ). При достижении напряжения 0,2 В (точка В) возникает условие спаривания электронов, что приводит к резкому падению тока (линия ВС). При обратном уменьшении напряжения до 0,11 В (линия CD) ток остается приблизительно постоянным. Однако,если снова начать увеличивать напряжение, ток опять начинает расти, но с меньшей крутизной(линия DF). В результате, на ВАХ образуется замкнутый контур, иными словами - петля гистерезиса. Характер этой петли отличается от гистерезисной петли фиг. 11 в силу высокой концентрации свободных носителей при нормальной температуре в самой подложке из Si. Используя соответствующее управляющее напряжение, такая ячейка может выполнять функции токового или зарядового ключа для считывания накопленных фотоносителей из материала подложки. При других концентрациях легирующих примесей ВАХ может трансформироваться в Nобразную форму, характерную для туннельных диодов (штриховые линии 23 и 24, фиг. 12), или полностью выродиться в линию. 47 Сравнение с аналогами. Помимо этого, достоверность приведенных расчетов и экспериментов можно проверить на независимых известных экспериментальных данных для серийных туннельных диодов. Предположим, что для полупроводниковых туннельных диодов на р-n переходе в точке пикового напряжения начинается процесс формирования кольцевых электронов на кластерах легирующих примесей. В этом случае есть вероятность их конденсации в капли или шнуры по 2 е, 3 е, 4 е. Известно, что пороговые паспортные напряжения соответственно составляют для серийных российского производства германиевых диодов типа 1 И 104 Е - Un100 мB,арсенид-галлиевых 3 И 201 А - Un200 мB,3 И 201 К - Un330 мB. Эти данные соответствуют Un=nUe=99,3 мB; 198,6 мВ; 298,0 мВ соответственно при n=1, 2, 3. Образовавшиеся капли кольцевых электронов будут увеличивать свою массуmn=nme/, а, следовательно, будет уменьшаться и ток по закону геометрической прогрессии при b1 При достижении размера капли порядка 4 е для германиевых диодов и 6 е для арсенидгаллиевых начинается распад капель. Происходит их испарение за счет сжатия р-n перехода до размера, меньшего длины электронного шнура 2r0. Следовательно, при b1 падающая ветвь переходит в возрастающую. За счет статического пространственного разброса кластеров по объему р-n перехода квантовые ступеньки тока при нормальных температурах сглаживаются и их можно описать показательными функциями, что обычно и делается при туннельно-волновом описании таких эффектов. Если предположить, что часть электронов не сконденсировалась в капли, то вызванная ими часть тока будет определять избыточный ток во впадине ВАХ (заштрихованная область, фиг. 12) [13]. Достоверность уравнения (12) подтверждается тем, что предельная паспортная частота генерации любых туннельных диодов не превышает f40 ГГц (1 И 104 Е). Это соответствует данным, рассчитанным по формуле (12), дающей частоту генерации fe35 ГГц. Такие частоты работы могут сохраняться вплоть до Те 1150 К (877 С), что хорошо согласуется с максимально возможными рабочими температурами арсенид-галлиевых диодов, температура работы которых в импульсном режиме может доходить до 870 К (597 С) [20]. Далее просто происходит деградация самого материала диодов под действием температуры, но при этом существенно не нарушается физика самого процесса. Обычно для таких диодов плотность тока через р-n переход j1 кА/см 2, что согласуется с 48 Предельная напряженность поля Ее (15) может привести к испарению электронных капель как в туннельных р-n переходах, так и в переходах металл-полупроводник. Например,для V2O3 повышение поля до 34 кВ/см приводит к понижению температуры фазового перехода с 145 К (-128 С) до 100 К (-173 С) и, далее, при Е=3 Ее=95 кВ/см до Тс 0 К (-273 С) [16, с.16]. Еще одним экспериментальным подтверждением является работа [9]. В этой работе исследовалась наноразмерная ячейка, заполненнаяTiOx. В силу того, что TiOx имеет высокотемпературный ФПМП (500-600 К [16]), в пленке возникают условия конденсации и распада электронных пар. Это приводит к образованию на ВАХ четырех N-образных участков, как показано на фиг. 13, линия 25. На этом же рисунке построены зависимости, рассчитанные по формуле (19) для b1 (линия 26) и b1 (линия 27). Как видно из рисунка, пороговые энергии экспериментальных данных хорошо вписываются в наши расчетные. Небольшие отличия связаны с тем, что толщина титановых электродов составляет всего порядка 2 нм, что значительно меньше r0, т.е. кольцевые электроны наклонены относительно вектора движения. Важной структурой любой логической цифровой схемы является ячейка памяти. Ее можно построить, учитывая особенности взаимодействия кольцевых электронов (фиг. 2). Для создания устойчивого логического состояния потребуется минимум два кольцевых электрона,так как в этом случае их суммарная энергия будет минимальна. Тогда, используя (11-13, 16),получаем энергию переключенияWe=2IeRee=2me(2c)2/2=3,1810-20 Дж (20) что эквивалентно 0,2 эВ. Можно показать, что для всего рабочего диапазона температур ТТе будет всегда выполняться условие We2kT/e. Т.е. отношение сигнал/шум будет больше 2. Следовательно, система всегда будет помехоустойчивой при выполнении логических операций. Примеры реализации В настоящее время (на 1999 г.) серийными литографическими методами не удается создать элементы менее 180-250 нм. Поэтому сейчас необходим поэтапный переход к наноразмерным электронным приборам, создаваемым на основе методов субмикронной технологии, на основе рентгеновской электронной или ионной литографии. По этой технологии создано большое количество макетов наноразмерных электронных приборов, которые описаны в патентах и работах [4-9]. Однако эти приборы, как правило, работают при гелиевых температурах и маловероятно, что они будут иметь коммерческое применения в будущем. Активные логические пленки. Используя предлагаемые резонансные ОСэлектронные ячейки в виде спеченных одно- и 49 многослойных пленок-композитов, можно создать всевозможные цифровые и аналогоцифровые устройства микронного и субмикронного размеров. Ясно, что из сферообразных кластеров можно создать многослойные активные пленки. Пример 1. На фиг. 14 представлена конструкция многослойной логической ячейки на основе сферических кластеров, где 28 - сферические кластеры-ячейки; 29, 30 - электроды управления; 31 подложка. Объемный элемент, состоящий из N0 кластеров 28, уложенных в Nc слоев и заключенных между ортогональными электродами 29,30, которые находятся на общей подложке 31. Из цилиндрообразных кластеров можно создать однослойные активные пленки: Пример 2. На фиг. 15 представлена конструкция логической ячейки на основе группы цилиндрических кластеров, где 32 - цилиндрические кластеры-ячейки; 33, 34 - электроды управления; 35 подложка. Цилиндроподобные кластеры уложены в один слой между двумя ортогональными электродами 33, 34. Весь прибор находится на общей подложке 35. Промежутки между кластерами в обоих примерах могут быть заполнены газом, диэлектриком или полупроводником. Пример 3. На фиг. 16 представлена энергозависимая матрица памяти, где 36 - одиночные сферические или цилиндрические кластеры; 37, 38, 39,40 - ортогональные электроды управления. Запись и хранение информации в такой ячейке основаны на нелинейной гистерезисной характеристике (фиг. 11). При отключении питания ячейка разряжается через шины управления. Пример. 4. На фиг. 17 представлена энергонезависимая матрица памяти, где 41 - сферические кластеры; 42, 43, 44, 45 - ортогональные электроды управления. В этой ячейке памяти последовательно могут быть включены два и более кластеров, что позволяет сохранять информацию при выключенном питании. Перезарядка такой ячейки осуществляется обратным напряжением. Например, для такой ячейки из сферических кластеров размером 30 нм можно создать субмикронную ячейку памяти 150 х 150 х 60 нм с общим количеством кластеров N0=50 и количеством слоев Nc=2. В этих ячейках можно записать от 2 до 100 элементарных зарядов. При этом время хранения информации в такой ячейке не ограничено. В режиме хранения энергия ячейкой не потребляется. На шины 42, 44 можно подать записывающие импульсы U2UeNe или считывающие импульсы U2UeNe. В режиме считывания с шины управления можно снять заряд, пропорциональный 0 или 1 логического сигнала. 50 Активные аналоговые фотопленки и дисплеи Кроме цифрового уровня, спеченная многослойная пленка может хранить аналоговый уровень, пропорциональный суммарному заряду элементарных кластеров. Пример 5. С помощью пленки, представленной на фиг. 14, свободные промежутки которой заполнены светочувствительным полупроводником,легко создать матрицы для теле- или фотокамер. В этом случае слой кластеров должен эффективно поглощать фотоны, т.е. толщина пленки должна быть соизмерима с длиной волны света. Это соответствует 15-17 слоям, что составляет порядка 500 нм. При этом, естественно, один электрод 29 должен быть из прозрачного проводника. При создании мегапиксельных светочувствительных матриц с ортогональной структурой фиг. 17 фоточувствительная ячейка займет площадь порядка 100 мкм 2. Для увеличения спектральной фоточувствительности промежутки между кластерами должны быть полностью заполнены светочувствительным полупроводниковым материалом, кроме того, оболочки вокруг ядра кластера желательно выполнить также из светочувствительного полупроводника. Это связано с тем, что кольцевые электроны, как указывалось выше, имеют малое сечение взаимодействия с фотонам, и весь процесс фотопреобразования происходит, в основном, в полупроводнике. Работа светочувствительной матрицы основана на известных в настоящее время принципах - накоплении фотоносителей во время экспозиции изображения в полупроводнике в течение кадра. После экспозиции кадра на шины 29 и 30 (фиг. 14) подается импульсный сигнал,инициирующий пробой кластеров, и накопленные фотоэлектроны считываются по шинам обычным образом в аналоговом виде наподобиe цифровой памяти (см. фиг. 17). Затем аналоговый сигнал усиливается шинным усилителем и далее оцифровывается. Пример 6. Создать светочувствительную матрицу можно и на основе материалов с ФПМП. Для этого расстояния между цилиндрическими ячейками (фиг. 15) заполняются светочувствительным полупроводником, а сама ячейка выполняется без туннельно-прозрачных промежутков (фиг. 5). В этом случае материал с ФПМП должен работать ниже точки его фазового перехода в металлическую фазу. Накопление фотоинформации происходит аналогично приведенному в примере 5, а считывание осуществляется за счет перехода материала канала в металлическую фазу под действием электростатического поля, создаваемого электродами 33, 34 (фиг. 15) в соответствии с формулой (15). 51 Пример 7. С помощью пленки, представленной на фиг. 14, 15, свободные промежутки которой заполнены фотоактивным материалом, легко создать дисплеи. В этом случае электроны двигаются в слое кластеров вдоль узких протяженных электродов и преодолевают туннельнопрозрачные промежутки между кластерами,заполненные светоизлучающим материалом. Часть электронов поглощается центрами люминесценции, что приводит к свечению. При этом естественно, что один электрод 29 должен быть из прозрачного проводника. Пример 8. С помощью пленки, представленной на фиг. 14, 15, свободные промежутки которой заполнены материалом с малой работой выхода электрона в вакуум, легко создать управляемый автосканирующий источник электронов. Такой источник электронов можно использовать, например, для плоских дисплеев вместо катодной пушки. В этом случае электроны двигаются в слое кластеров вдоль узких протяженных электродов и преодолевают туннельно-прозрачные промежутки между кластерами, заполненные материалом с малой работой выхода электрона в вакуум. Часть электронов двигается внутри пленки, а часть двигается вдоль поверхности пленки. Если, например, электрод 29 сделать электронно прозрачным в виде сетки, то появляется возможность выхода электрона в вакуум или в газ при наложении дополнительного большого внешнего электрического поля. Активная аналоговая распределенная память Каждый отдельный кластер, обладающий гистерезисной характеристикой, может хранить до двух электронов. Следовательно, объединяя их в группы, можно создать дискретную аналоговую память, точность хранения аналоговой информации в которой будет возрастать пропорционально размеру кластерной группы. Пример 9. Если за основу аналоговой памяти взять пленку типа показанной на фиг. 14, а на шины 29, 30 подать разность напряжений на время выборки из аналогового сигнала, то часть кластеров пробьется и зарядится. Количество заряда и будет определять уровень запомненного сигнала. Считывание информации можно осуществить понижением напряжения на ячейкеUeNc. Далее заряд можно преобразовать в цифровую форму стандартным аналого-цифровым преобразователем или осуществить подсчет количества заряженных кластеров, продифференцировав выходной сигнал и подав его на счетчик импульсов. В последнем случае в каждой ячейке из-за большого количества элементарных кластеров как бы создается свой индивидуальный последовательный аналого-цифровой преобразователь с разрядностью, определяемой 52 Пример 10. Если слой кластеров расположить между электродами, выполняющими функцию распределенного резонатора сверх высокой частоты(СВЧ), то вследствие наличия падающего участка на ВАХ (фиг. 11, линия CD, или фиг. 12, линия ВС, или фиг. 10, линия ВО), можно создать распределенный СВЧ-генератор с частотой, определяемой параметрами резонатора. Максимальная граничная частота такого генератора определяется формулой (12). Важной характеристикой такого генератора является низкий уровень шума. Трехмерная логика Важно отметить, что сферические и сфероподобные кластеры допускают трехмерное соединение с непосредственным контактированием между ячейками. Такой контакт выполняет функции управляющего или питающего электродов. В результате, такая конструкция позволяет перейти от современной планарной технологии к объемной трехмерной технологии и увеличить плотность упаковки, а, следовательно, быстродействие и производительность интегральных схем. Трехмерная логика является перспективной для создания параллельных матричных вычислительных структур, оптимизированных для конкретного применения, а также структур с большой степенью разветвления,например, при создании нейрокомпьютеров. Большое количество параллельно включенных кластеров позволит компенсировать дефектные элементы путем простого статистического усреднения и, следовательно, увеличить выход годных изделий в целом. Кроме того, при радиационном облучении слоя, треки наиболее опасных тяжелых альфа-частиц будут локализованы объемом кластеров, находящихся по треку частицы. Следовательно, по сравнению с классическими полупроводниковыми приборами,наряду с высокой температурной стойкостью,резко возрастет радиационная стойкость. Распределенные групповые логические элементы Важнейшим положительным свойством кластерных пленок является принципиальная возможность создания однородной активной вычислительной среды, допускающей как двух-,так и трехмерную архитектуру соединений. Как следует из формулы (3), основной проблемой при передаче сигналов между наноэлементами является наличие паразитных емкостей соединительных элементов и выходных контактов логических схем. Решить эту проблему можно,придав усилительные функции соединительным элементам, т.е. сигнал в процессе движения по шинам должен дополнительно усиливаться. Согласование масштабов нанологики и масштабов размеров контактов корпусов интегральных схем требует создания буферных усилителей мощности с быстродействием, близким к быстродействию отдельного кластера, т.е. необходимо создать некий трансформатор масштабов (ТМ). 53 Рассмотрим несколько вариантов создания распределенных активных логических устройств. Пример 11. На фиг. 18 представлен вариант подключения управляющих резистивных электродов к группе контактирующих кластеров, где 46 сферические или цилиндрические кластеры; 47,48 - электроды питания; 49 - распределенный резистивный слой; 50 - электрод управления; 51 изолирующий слой, 52 - выходной электрод. Кластеры 46 расположены на металлической подложке 48 и подключены к управляющему электроду 47 через полупроводниковую среду 49. Эта среда является распределенной нагрузкой. Такую нагрузку используют в нейристорных линиях на S-диодах [15], или в распределенных туннельных переходах, или джозефсоновских распределенных переходах [14]. Здесь важно, чтобы удельная диэлектрическая проницаемость полупроводника была 1, а его удельное сопротивление создавало резистивную нагрузку, пересекающую падающий участок ВАХ кластера (фиг. 11, линия 22). В этом случае при подаче импульсного питания на электроды 48, 47 в среде кластеров может распространиться волна переключений - в виде фронта или уединенного солитона. Здесь процесс усиления сигнала обусловлен отрицательным дифференциальным сопротивлением (фиг. 11, участок CDBAX). Управление запуском этого процесса можно осуществлять электродом 50, а съем сигнала - электродом 52. Пример 12. На фиг. 19 представлен вариант подключения управляющих электродов к группе контактирующих кластеров через дополнительный кластерный слой, где 53 - сферические кластеры; 54, 55 - электроды питания; 56 - распределенный дополнительный кластерный слой; 57 электрод управления; 58 - изолирующий слой; 59 - выходной электрод. Здесь за счет использования дополнительного кластерного слоя возможен не только процесс распространения незатухающей волны - солитона, но одновременно и запоминание состояния элемента при выключении питания. При включении питания процесс продолжится с предшествующего выключению состояния. Возврат всей системы в исходное состояние происходит при изменении полярности питания. Пример 13. На фиг. 20 представлена групповая логическая ячейка ИЛИ, где 60 - сферические или цилиндрические кластеры; 61, 62, 63 - входные электроды управления; 64 - выходной электрод. Здесь по любому из входных электродов 61, 62,63 поступает сигнал запуска, который инициирует волну заряда через кластеры 60. Усиленный заряд в кластерах собирается электродами 64. Питание всех кластеров осуществляется электродами, как показано на фиг. 18 (электроды 47, 48). Электродам 61, 62, 63 соответствует 54 электрод 50, а электроду 64 соответствует электрод 52. Пример 14. На фиг. 21 представлена групповая логическая ячейка ИЛИ с разветвлением по выходу,где 65 - сферические или цилиндрические кластеры; 66, 67, 68 - входные электроды управления; 69, 70, 71 - выходные электроды. Здесь, как и в примере 11, первоначальный запуск волны зарядов осуществляется любым из электродов 66, 67, 68. Но выходы являются независимыми и разветвляют входной сигнал на три выхода. Питание кластеров 65 осуществляется аналогично примеру 11. Пример 15. На фиг. 22 представлена групповая логическая ячейка ИЛИ с мощным выходом, где 72 сферические или цилиндрические кластеры; 73,74, 75, 76, 77 - входные электроды управления; 78 - выходной электрод. Здесь входной сигнал подается на любой кластер группы посредством одного из электродов 73-77. Волна зарядов усиливается группой кластеров и собирается выходным электродом 78. Этот электрод, например, может служить входом стандартного логического элемента на полевых или биполярных транзисторах микронных размеров или непосредственно являться выходным контактом логической наноэлектронной микросхемы. Направленность сигнала Как видно из фиг. 1, 3, кластер является электрически симметричным элементом. В некоторых же применениях требуется однонаправленное распространение сигнала. Для осуществления этой функции необходимо задать градиент напряженности электрического поля в нужном направлении. Для этого необходимо геометрически сформировать сужения соединяющих кластеры электродов в нужном направлении или изготовить электроды из материалов с разной работой выхода. Пример 16. На фиг. 23 представлен вариант объединения логических ячеек с заданным направлением движения сигнала, где 79 - сферические или цилиндрические кластеры; 80 - информационные электроды; 81, 82 - электроды питания. Здесь входной сигнал распространяется слева направо по электродам 80 через кластеры 79. Питание,как непрерывное, так и импульсное, подключается непосредственно к электродам 81, 82. Пример 17. На фиг. 24 приведен вариант объединения логических ячеек с заданным направлением движения сигнала и разветвлением, где 83 сферические или цилиндрические кластеры; 84 информационные электроды; 85, 86 - электроды питания, 87 - разветвленный информационный электрод. Здесь входной сигнал подается через электрод 84, усиливается в кластере 83, а далее разветвляется на два или более выходов элек 55 тродом 87 и подается на аналогичные устройства через электроды 88. Локальные логические элементы Используя метод направленного распространения сигнала, можно создавать локальные логические элементы. Пример 18. Используя направленные электроды, достаточно просто создать однонаправленный сдвиговый регистр. На фиг. 25 представлен такой сдвиговый регистр. 89 - сферические или цилиндрические кластеры; стрелками показаны информационные электроды; 90, 91 - электроды питания; U1, U2 - противофазные импульсные питающие напряжения; U3 - входное напряжение; U4 - выходное напряжение. Здесь на шиныU1, U2 подается сдвинутое по фазе импульсное питание. Логический сигнал с входа U3 последовательно сдвигается вдоль цепи по ячейкам 89 к выходу U4. Пример 19. На фиг. 26 представлен энергозависимый логический элемент НЕ, где 92 - сферический или цилиндрический кластер; U1 - импульсное или постоянное питающее напряжениe; U2 входное напряжение; U3 - выходное напряжение; R - резистивная нагрузка. Здесь на шину питания U1 подается импульсное или непрерывное питание, а управляющий электрод U2 выполняет функцию управляющего электрода,аналогичную функции затвора полевого транзистора, т.е. выполняет функцию инверсии - НЕ. Пример 20. На фиг. 27 представлен энергонезависимый логический элемент НЕ, где 93 - сферический кластер; 94 - дополнительный кластер; U1 импульсное питающее напряжениe; U2 - входное напряжение; U3 - выходное напряжение. Здесь устройство работает аналогично примеру 19, однако, нагрузкой является дополнительный кластер 94. Такая схема включения помогает запоминать информацию при выключенном питании. Питание устройства, в отличие от примера 19, может осуществляться только импульсным питанием, так как требуется перезарядка кластера 94. При выключении питания в одном из двух кластеров, соединенных последовательно, может остаться два спаренных электрона. В этом случае пара кластеров является,по существу, логическим триггером. Пример 21. Объединив перекрестно два логических элемента НЕ с памятью (фиг. 27), можно получить двухуровневый триггер на 4 состояния и т.д. Объединив большее количество кластеров в разных конфигурациях, можно создать логические элементы с основанием 2. На фиг. 28 представлен энергонезависимый триггер. 95 сферические кластеры; 96 - дополнительные кластеры; U1, U2 - импульсные питающие напряжения; U3, U4 - входные напряжения; U5, U6 выходные напряжения. Представленный триггер 56 работает по стандартной схеме, использующей перекрестное включение логических элементов ИЛИ и НЕ. Пример 22. Объединив два устройства, показанных на фиг. 26, можно получить дифференциальный усилитель аналоговых сигналов и на его базе создать всевозможные известные аналоговые устройства. Например, на фиг. 29 представлено устройство сравнения аналоговых сигналов, где 97 - сферический кластер или цилиндрический кластер; U1 - питающее напряжение; U2 - входное напряжение; U3 - опорное напряжение; U4,U5 - выходное напряжение; R1, R2 - резистивные нагрузки; R3 - общий резистор. В связи с тем, что вышеприведенные примеры охватывают наиболее характерные варианты включения элементов, применяемые как в аналоговых, так и в цифровых устройствах для обработки информации, несложно на их основе скомбинировать любые необходимые элементы интегральных схем. Это достигается простой комбинацией резистивных или кластерных нагрузок. Причем сами кластеры, в зависимости от требований, могут создаваться на основе ОС-,ПС- или АПС-электронных эффектов. Питающие электроды могут быть выполнены из металлов, сверхпроводников или материалов с ФПМП. Пример 23. Как следует из (16), квантовое сопротивление ячейки будет превышать сопротивление Джозефсона, равное h/2 е, ровно в 1/ раз. Таким образом, можно создать эталонное малошумящее сопротивление при нормальной температуре с точностью, определяемой мировыми константами h, е, , с, то есть с погрешностью порядка 10-7. Его можно подключить к источнику тока, например, как показано на фиг. 30, и создать тем самым источник эталонных напряжений. На этой фигуре: 98 - сферический кластер;I - источник тока; U1, U2 - эталонные выходные напряжения. Нейронная логика Наиболее перспективным направлением развития параллельных вычислительных структур является создание нейрокомпьютеров. Их базовый элемент должен выполнять функции суммирования нескольких входов с разными весами и порогового сравнения [40]. Пример 24. На фиг. 31 представлен нейронный логический элемент, где U1, U2, U3 - входные напряжения; A1, A2, А 3 - весовые множители; 99 аналоговый сумматор; 100 - пороговый элемент;U4 - выходное напряжение сумматора; U5 - выходное напряжение. Операции суммирования с весом удобно выполнять на активных пленках, включенных аналогично фиг. 20, но имеющих только один вход. Группа таких элементов объединяется 57 общим электродом и представляет собой энергонезависимый весовой сумматор нейронного логического элемента, как показано на фиг. 32,где 101 - весовые группы сферических кластеров с весами А 1, А 2, А 3; U1, U2, U3 - входные напряжения; U4 - выходное напряжение сумматора. Вследствие дискретности носителей заряда операция весового умножения выполняется дискретным образом. В этом случае входной сигнал U1, U2, U3 будет размножаться в кластерах-ячейках пропорционально количеству этих ячеек. U1 будет соответствовать весу A1=1, U2 весу А 2=3 и U3 - весу А 3=2. Суммирование сигнала происходит на электроде 102. Функцию весового суммирования могут выполнять и пленки, обладающие ФПМП. На фиг. 33 представлен энергозависимый весовой сумматор нейронного логического элемента на основе материалов с фазовым переходом металл-полупроводник, где 103, 104, 105 - весовые группы кластеров с весами А 1, А 2, А 3; U1, U2, U3 входные напряжения; U4 - выходное напряжение сумматора; 106 - выходной электрод. В этом случае площадь пленки определит коэффициент размножения сигнала по заряду. Уровень заряда будет определять вес соответственно A1, A2, А 3 аналогично вышеописанному случаю. Для устройств, приведенных на фиг. 32,33, выходной сигнал U4 подается на элемент сравнения, например, выполненный по схеме(фиг. 29), где производится операция порогового сравнения. Если весовой сумматор выполнить по фиг. 32,а питание осуществить через дополнительный кластерный слой по фиг. 19, то можно организовать весовое суммирование с памятью. Такая функция с памятью более точно описывает реальный нейрон. Гальванические развязки Зачастую для совместной работы аналоговых и аналого-цифровых частей интегральной схемы требуется исключение взаимного гальванического влияния по шинам управления и питания. Для этого можно использовать взаимное влияние кольцевых электронов в двух электродах, расположенных на расстоянии, меньшем r0. При нахождении электродов на таком расстоянии происходит наведение индукционного тока без гальванической связи. В этом случае не обязательно использовать переменное напряжение,так как вихревым полем является сам кольцевой электрон. Пример 25. На фиг. 34 представлен токовый трансформатор, где 107, 108 - входные электроды из сверхпроводника или материала с ФПМП; 109 выходной электрод; I1, I2 - входные токи; I3 выходной ток. Здесь входные токи I1 или I2 могут быть как переменными, так и постоянными. Выходной ток I3 будет через коэффициент трансформации связан с входными токами. Если поперечный размер проводника не превышает 58 диаметр кольцевого электрона или немного меньше его, а вблизи этого участка находится другой проводник с условиями, достаточными для формирования кольцевых электронов, то возможно зацепление электронных колец за счет взаимодействия их полей. В этом случае возможна индукционная передача постоянного или переменного тока. Пример 26. На фиг. 35 представлен преобразователь тока, где 110 - входной электрод из сверхпроводника или материала с ФПМП; 111 - выходной электрод; I1 - постоянный входной ток; I2 переменный выходной ток. Если один из электродов трансформатора выполнить в виде меандра, имеющего участки сближения r0 с выходным электродом и участки удаления r0 от выходного электрода, то в выходном электроде 111 будут наводиться токи, возникающие только-только на участках сближения. Если при этом условия протекания тока в удаленных участках отличаются от условий на сближенных участках, то электроны могут двигаться в выходном электроде группами. Это вызовет в выходной цепи переменный ток, т.е. данное устройство позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный ток или одну форму переменного тока в другую форму. Неоднородность условий протекания тока может быть создана за счет геометрических изменений. Т.е., если выходной электрод имеет переменное сечение,превышая 2r0 или будучи меньше r0, проходящий ток будет концентрироваться в группы. Если электрод 111 выполнить из сверхпроводника или материала с ФПМП и подключить к нему переменный ток, то по электроду 110 потечет ток иной формы. При определенных условиях и инерционности на выходе может образоваться постоянный ток. При этом функция выпрямления переменного тока осуществляется только на частотах, пропорциональных времени движения носителей вдоль области сближения. Одновременно эти устройства осуществляют гальваническую развязку при условии, что напряжение между электродами не превысит 0,1 В. Технологическая реализуемость Заявляемое изобретение открывает возможность увеличения рабочих температур и,следовательно, коммерческой реализуемости приборов. Однако встает вопрос, можно ли использовать существующие в настоящее время технологии для производства предлагаемых приборов и будут ли они рентабельны при массовом производстве таких приборов. Рассмотрим возможности технической реализации. Покажем, что создание предлагаемых логических ячеек вполне осуществимо на современной технологической базе. Формирование сферических и сфероподобных частиц возможно тремя способами [1]. Первый способ - из газовой фазы формируются 59 металлические или полупроводниковые кластеры диаметром до 37 нм с последующим их окислением в потоке кислорода или необходимых химических реагентов. Образование таких частиц аналогично образованию градин в атмосфере Земли. Второй способ - коллоидный. Он основан на осаждении кластеров из растворов солей металлов с последующим их химическим покрытием соответствующими оболочками. Третий способ основан на коллективных явлениях в твердых пересыщенных растворах наподобие технологии ситаллов. Получение полых кластеров возможно, например, из металла [41] или полых кластеров путем раздувания газом жидких капель при добавлении в жидкость более летучих компонентов-присадок с последующим охлаждением в восходящих газовых потоках [42]. Наноразмерные полые сферы из диоксида циркония автоматически получаются в процессе высокочастотной плазмо-химической денитрации, и их можно наносить на подложку непосредственно из плазмы [43]. Создание планарных вертикальных наноканалов основано на коллективных способах формирования, например по технологии электрохимического окисления Al, Та, Nb, Hf и др. Образовавшийся канал можно заполнить гальваническим способом металлом или полупроводником [44]. Приведенные примеры показывают, что существующие в настоящее время способы позволяют создавать нанометровые логические ячейки интегральных схем на их основе. Например, кластеры можно быстро создавать в коллоидных растворах и за время порядка 60 с осаждать на подложки с помощью центрифугирования. Также их можно создавать при испарении металла с помощью плазматрона со скоростью порядка 1 см 3/мин - с последующей конденсацией в потоке газа и осаждением на подложку. В результате создаются кластеры с d35 нм. Как в коллоидном, так и в газофазном способах изготовления кластеров из 1 см 3 материала образуется порядка 2,31016 кластеров, которые являются полноценными квантовыми приборами - транзисторами. Отметим, что приблизительно такое количество транзисторов находится в цифровых микросхемах персональных ЭВМ, выпускаемых во всем мире в течение 1 года. Важно отметить, что слой кластеров, не находящихся непосредственно под электродами,является пассивной областью и не участвует в преобразовании сигналов. За счет коллективных способов изготовления кластеров их избыточность настолько велика, а себестоимость производства настолько низкая, что это мало сказывается на стоимости изделия в целом. В настоящее время существуют несерийные (экспериментальные) способы литографии, 003164 60 позволяющие получить нанометровые размеры элементов. Это рентгеновская, электронная,ионная литографии. Используя эти технологии,можно создать необходимые размеры электродов, а также отверстия в пленках нанометрового размера. Кроме того, существуют отработанные технологии получения всевозможных металлических полупроводниковых диэлектрических пленок нанометровых толщин. Эти две технологии позволяют наносить на пленки из кластеров необходимые конфигурации электродов и, следовательно, создавать квантово-размерные приборы, описанные в данной заявке уже в настоящее время. В дальнейшем остается отработать эти технологии для серийного производства. Таким образом, нанотехнология уже сегодня позволяет начать пересматривать концепции создания твердотельных электронных высокотемпературных микросхем, работающих вплоть до 600 К (327 С), выводя нас за рамки кремниевой и арсенид-галлиевой технологий. Развитие технологий коллективного выращивания кластеров нанометровых размеров из недорогих высокотемпературных сверхпроводниковых материалов позволит создать принципиально новые линии электропередач, сверхпроводящие накопители энергии, генераторы электрической энергии, электродвигатели с высоким коэффициентом полезного действия и т.п., работающие при температурах вплоть до 93,5 С. В настоящее время существует большое количество способов выращивания достаточно длинных (до 100 мкм) волокон нанометровой толщины (10-100 нм) из всевозможных материалов - так называемые усы [45]. По существу, эти волокна являются бездефектными монокристаллами и обладают предельными прочностными характеристиками. Для высокотемпературных проводов важны не столько механические, сколько электрические характеристики. Поэтому такие усы можно компоновать, покрывая их связывающим веществом, в длинные проводники путем электрического контакта между ними. В этом случае кольцевой электрон может переходить с уса на ус, если примесные центры не будут находиться на расстояниях, не превышающих r0. Другим вариантом создания высокотемпературной сверхпроводимости является создание волокон на ВМС. Например, ВМС может являться окисленный эластомер, в котором естественным образом, при определенной технологии изготовления образуются сверхпроводящие каналы [46]. Другим примером создания высокотемпературных сверхпроводников на ВМС является окисленный полипропилен [34]. Здесь роль проводящей примеси выполняет кислород. Технология изготовления волокон на основе пропилена и эластомеров хорошо отработана в промышленности для волокон микронного диаметра. Обработав соответствующим образом эти