Электростатика

3.2.3. Процессоры 
 
Значительный интерес представляют процессоры для об-
работки больших информационных массивов, реализованные на 
принципах функциональной электроники. Это обусловлено тем, 
что такие устройства позволяют обрабатывать информацию в 
аналоговом виде, одномоментно либо весь массив, либо его 
часть, Результирующая информация может быть преобразована 
в цифровую форму. Возможна операция выделения разностной 
информации между двумя и более временными состояниями 
информационного массива. 
Процессоры можно реализовать на слоистых структурах 
типа «сегнетоэлектрик - фотополупроводник». С обеих сторон 
такой структуры напыляются проводящие пленки, причем со 
стороны фотополупроводника пленка должна быть оптически 
прозрачной. При формировании на слое фотополупроводника 
оптического информационного массива на слоистую структуру 
одновременно подается «записывающий» импульс напряже-
ния. На освещенных участках сопротивление фотополупровод-
ника резко уменьшается, и все приложенное напряжение пада-
ет на слое сегнетоэлектрика. Под засвеченными местами сегне-
тоэлектрик переполяризуется. В темных местах сопротивление 
фотополупроводника велико и все напряжение падает на него. 
Сегнетоэлектрик под темными местами не переполяризуется. 
Возникает пространственное распределение поляризации сег-
нетоэлектрика, соответствующее распределению освещенно-
сти. 
Таким образом, оптический информационный массив пре-
образован в электрически заряженный информационный мас-
сив, который может быть легко считан. Стирание записанной 
информации может быть осуществлено путем засветки всей по-
верхности фотополупроводника с одновременной подачей им-
пульса напряжения, противоположного по знаку записывающе-
му импульсу. Это позволяет перевести сегнетоэлектрик в ис-

---

99 
ходное состояние. Такая структура является основой для созда-
ния оптических процессоров сигналов с промежуточным запо-
минанием информации, систем отображения информации. Оп-
тоэлектронные свойства материалов определяются характером 
переориентации доменов над воздействием поляризующего 
электрического поля. Домены образуют зерна, размер которых 
определяется характеристиками материала. Так для цирконата 
титаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ, PLZT), раз-
мер зерна составляет несколько микрон и включает в себя до 
десятка сегнетодоменов. Простейший тип переориентации до-
менов под действием электрического поля приводит к измене-
нию вектора поляризации на противоположное (180 ). Однако 
режим поворота доменов каждого элемента сопряжен с трудно-
стями нормирования матрицы таких элементов с множеством 
электродов. 
Устройство на основе метода преимущественной ориента-
ции доменов с помощью механического напряжения, создавае-
мого деформацией пластины, получила название ФЕРПИК 
(FERPIC, FERroelectricPicture). Его структура приведена на рис. 
3.7. Проведем анализ работы процессора в терминах модели 
прибора функциональной электроники. 
В качестве основной континуальной среды используется 
сегнетоэлектрик 
(3) 
в 
виде 
ЦТСЛ 
- 
керамики 
[(Рb
0,99
Zr
0,65
Ti
0,35
)
0,93
Lа
0,07
О
3
] со средним размером зерна 1,0 - 
1,5 мкм. В такой среде динамические неоднородности пред-
ставляют собой субмикронные сегнетоэлектрические домены. 
Континуальная среда подвергается смещению деформацией, 
что позволяет сориентировать домены вдоль оси напряжения. 
Континуальная среда сопряжена, с одной стороны, с фотополу-
проводником (2), с другой –с прозрачным проводящим элек-
тродом(1) и прозрачной подложкой(4)
,
несущей механические 
нагрузки. Прозрачный электрод (1) нанесен и с другой стороны 
фотопроводящего слоя. 

---

100 
Рис. 3.7. Устройство обработки информации типа ФЕРПИК; 
1 - прозрачные проводящие электроды;
2
- фотополупроводник, 3 - сегнетокерамика;
 
4 - прозрачная подложка;5 - облучение через маску;
6 - облучение сканированием; 7 - переключатель режимов 
работы; 8 - источники напряжения 
Запись информационного массива осуществляется путем 
освещения устройства через транспарант (5), либо сканирова-
нием модулируемого по амплитуде (или по растру) лазерного 
луча. Управление записью осуществляется полями. На керами-
ческую пластину подается напряжение + 70 В. В местах засвет-
ки уменьшается сопротивление фотопроводящего слоя, и вели-
чина напряженности электрического поля достаточна для пово-
рота доменов на 90 °. По окончании сканирования информаци-
онный массив записан в виде распределения доменов различ-
ных направлений поляризации. В этом случае можно говорить, 
что одновременно произошло детектирование информационных 
сигналов. Заметим, что оптическое пропускание устройства ти-
па ФЕРПИК зависит от состояния доменов. 

---

101 
Записанную информацию можно считать, соединив элек-
троды (поставив переключатель7в среднее положение и осветив 
устройство пучком монохроматического света). При этом дос-
тигается разрешение порядка 40 лин/мм, эффективность считы-
вания около 10 % и контраст 10:1. 
Стирание информационного массива можно осуществить 
путем освещения всей поверхности и одновременной подачей 
на слоистую структуру отрицательного напряжения (порядка 35 
В). При этом динамические неоднородности в виде сегнето-
электрических доменов возвращаются в исходное состояние. 
Это устройство обработки информации в русской терминологии 
называют еще «Сегнот» - сегнетоэлектрическое отображение. В 
дальнейшем эта конструкция процессора стимулировала появ-
ление аналогичных устройств на основе слоистых структур 
«сегнетокерамика – фотопроводник», К ним относятся, напри-
мер, КЕРАМПИК (CERAMPIC, CERAMicPicture), континуаль-
ной средой в котором служит крупнозернистая керамика 
[(Рb
0,99
Lа
0,77
Zr
0,65
Ti
0,35
)
0,93
О
3
] размером зерен около 3,0 мкм. 
В процессоре такого типа в качестве континуальной среды 
используется сегнетокерамика толщиной 250 мкм, обладающая 
свойством локально деформироваться, и, таким образом, рас-
пределение поверхностной деформации соответствует распре-
делению переполяризовавшихся участков. Амплитуда дефор-
мации составляет 0,5 мкм и шлирен - методом можно получить 
увеличенное изображение в отраженном свете с разрешением 
до 100 лин/мм. Слоистая структура может применяться в каче-
стве оптических процессоров, в частности для преобразования 
входного некогерентного изображения в выходной когерентный 
сигнал, что используется в голографических ЗУ, Весьма пер-
спективно применение таких структур в процессорах сложения 
и вычитания информационных массивов. В этих устройствах 
используется способность сегнетоэлектрика к устойчивому час-
тичному переключению в пределах от –
 Р
S
до +
 Р
S
под действи-
ем электрического поля. 

---

102 
В устройстве, аналогичном известной конструкции ФО-
ТОТИТУСа, операции сложения изображений можно приме-
нять для увеличения отношения сигнал/шум в процессе обра-
ботки изображений. Операцию вычитания изображений можно 
использовать для обращения изображения - преобразования по-
зитивного изображения в негативное, дифференцирования изо-
бражения, выделения слабоконтрастных контуров. 
Слоистые структуры типа «сегнетоэлектрик – фотополу-
проводник» можно использовать в основе устройств памяти, 
оптических процессоров, устройств отображения информации. 

---

103