Структуры сегнетоэлектрик-фотопроводник.

 

При освещении лазером поверхности некоторых сегнетоэлектриков (например, ниобата лития LiNbC₃ или титаната бария BaTiO₃) наблюдается изменение показателя преломления среды. Этот эффект используется для оптической записи. Стирание записанной информации производится либо нагревом, либо освещением носителя. Такие носители информации часто имеют многослойную структуру:

 

Между двумя прозрачными электродами 1 и 2 расположены фотопроводник 3 и сегнетоэлектрик 4.

Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков состоящих из микроскопических областей – доменов, поляризованных в различных направлениях. Свое название получили от сегнетовой соли NaKC₄H₄O₆ ˑ 4H2O.

Для записи информации к электродам прикладывается напряжение. На тех участках, где фотопроводящий слой освещен (запись «1») слой сегнетоэлектрика оказывается под воздействием электрического поля, достаточного для переориентации доменов и, следовательно, разворота вектора поляризации, происходит изменение направления поляризации. Считывание записанной информации может быть либо оптическим (за счет электрооптического эффекта), либо электрическим (за счет перезарядки считываемых ячеек), но в последнем случае при считывании записанная информация разрушается. Стирание информации производится так же, как и запись, но при этом освещается весь элемент, а напряжение, прикладываемое к электродам, имеет противоположную полярность.

 

 

МДП – структура.

Информационный носитель такого типа имеет следующую структуру:

 

 

Между двумя прозрачными электродами 1 и 2 расположены два слоя диэлектрика 3 и 4 и один слой полупроводника. Прозрачные электроды играют роль пластин конденсатора, на которые подано постоянное напряжение. В качестве записывающей световой волны используют излучение с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Поглощение фотонов приводит к рождению электронно-дырочных пар, так как часть электронов покидает валентную зону и переходит в зону проводимости. Поле конденсатора разделяет электроны и дырки: электроны устремляются к положительному электроду, а дырки – к отрицательному. В результате происходит экранировка поля в освещенных областях полупроводника, создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах, а следовательно, и электрическое поле внутри полупроводника, напряженность поля в этих областях существенно уменьшается. Для считывания записанной информации используют электрооптический эффект – зависимость показателей преломления света в полупроводнике от напряженности электрического поля. МДП – структура обладает весьма высокой чувствительностью до и достаточно высокой разрешающей способностью до 1000 линий на мм. Быстродействие определяется временем дрейфа дырок и электронов через полупроводник. При подвижности носителей тока равной , толщине слоя полупроводника 10 мкм и напряжённости поля конденсатора 100 время дрейфа оказывается равным .

Фототермопластичные пленки.

 

Это специфические прозрачные диэлектрики (например: полистирен), размягчающиеся при невысоких температурах (50⁰÷100⁰ С). Оптически сигнал фиксируется на поверхности термопластика в виде определенной картины рельефа, соответствующей распределению света в процессе записи. Фототермопластичный элемент состоит из прозрачной подложки 1 (стекло), на которую нанесен прозрачный электрод 2, выше которого расположены фотопроводящий слой полупроводника 3 и термопластичный полимерный слой 4.

 

Процесс записи оптического сигнала происходит в несколько этапов:

 

1). С помощью короткого разряда поверхность термопластика равномерно заряжается, между термопластиком 4 и общим электродом 2 возникает электрическое поле.

2). Экспонирование – на элемент направляют записывающий световой поток, несущий информацию. На освещенных участках фотопроводящего слоя 3 значительно увеличивается проводимость, и носители заряда с электрода 2 устремляются к поверхности термопластика. Расстояние между объемными зарядами уменьшается и, следовательно, напряженность электрического поля возрастает. Таким образом, распределение интенсивности света (оптическое изображение) преобразуется в распределение заряда на слое термопластика.

 

3). Проявление. Среда быстро нагревается до температуры размягчения термопластика.Электрические силы вызывают деформацию слоя термопластика. В соответствии с распределением электрических зарядов образуется определенный рельеф, который повторяет исходное оптическое изображение.

 

4).Закрепление. При охлаждении термопластика рельеф фиксируется и может сохраняться весьма длительное время.

 

Стирание информации с фототермопластичного элемента осуществляется его нагревом до температуры, соответствующей размягчению термопластика. Поверхность термопластика выравнивается за счет поверхностного натяжения, и он оказывается пригодным для повторной записи. При толщине структуры 0,2 – 0,4 мкм чувствительность к записи составляет около 10^-4 дм/см², а разрешающая способность – до 2000 линий/мм.

 

 

Оптические диски.

 

С середины 80-х годов широко внедряются в практику оптические ЗУ, носителем информации в которых является оптический диск. На поверхности оптического диска сфокусированным лучом лазера оставляются метки микронных размеров. Обычно применяется полупроводниковый лазер, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. Мощность излучения лазера выбирается при записи такой, чтобы метка образовалась за десятки наносекунд. Этим достигается высокая скорость записи и отсутствие «размазывания» метки вдоль дорожки при вращении диска.

Важнейшей частью оптического диска является оптическая среда, покрывающая его поверхность. Разработано много различных сред и методов создания на них меток. Наиболее простой и распространенный метод записи – прожигание микроотверстий в тонкой пленке металла, обычно теллура. В месте фокусировки луча лазера пленка металла локально разогревается до плавления и в ней образуется сквозное отверстие. Толщина пленки около 0,05 мкм, диаметр получаемого в ней отверстия около 0,5 мкм. Наличие или отсутствие в данное точке носителя прожженного участка эквивалентно двоичной «1» или «0». По диску-оригиналу может исполняться матрица и с ее помощью тиражируются диски-копии.

При считывании информации на диск направляется луч того же лазера, но ослабленного по мощности настолько, что она не вызывает разрушения среды. Этот луч, «ощупывая» вращающийся диск, по-разному отражается от меток и промежутка между ними. В результате отраженный луч оказывается промодулированным по амплитуде. Оптическая система направляет этот луч на фотоприемник, в котором световые «вспышки» преобразуются в электрические сигналы.

Оптические диски характеризуются высокой плотностью записи. Минимальный размер выжигаемой метки близок к длине волны l лазерного излучения. Это значит, что площадь метки не может быть меньшеl². А плотность записи определяется величиной, обратной этой площади, т.е. 1/ l², что для полупроводникового лазера дает, например,1,5 × 10⁸бит/см². Это разумеется, теоретически, а на практике плотность записи достигает 2 × 10⁷бит/см². Линейная плотность записи вдоль дорожки около 10⁴бит/см. Число дорожек велико, поперечная плотность записи достигает 650 дорожек/мм. Например, стеклянный диск с металлическим покрытием, выпускаемый фирмой «HitachiLtd» (Япония) имеет 41300 дорожек и только на одной лишь стороне можно записать 1310Мбайт информации, что примерно соответствует 700 000 страниц текста формата А4. В накопителях может одновременно использоваться до 100 оптических дисков, и емкость таких накопителей превышает 10¹³бит информации. Такая память весьма перспективна для хранения больших массивов информации и в наиболее полной мере удовлетворяет требованиям архивности. Основной недостаток таких ЗУ – большое время поиска информации на оптическом диске из-за невозможности достижения высокой скорости перемещения сравнительно массивной оптической головки для записи и считывания при большой поперечной плотности дорожек. Точность позиционирования оптической головки должна быть не менее 0,1 мкм.

Повышенный интерес вызывают у пользователей диски с возможностью перезаписи информации. Проблема реверсивности носителя, т.е. его пригодности для многократной перезаписи информации, возникла с самого начала появления оптических дисковых накопителей и остается по сей день. Применяются оптические диски, в которых при записи лазерным лучом материал из кристаллического состояния с высоким коэффициентом отражения переходит в аморфное состояние с низким коэффициентом отражения. В процессе стирания – обратный переход. Допускается до 1 млн. циклов перезаписи. Разработаны и внедряются в практику реверсивные оптические диски, в которых при записи и считывании информации используются магнитооптические явления.