Электронные и оптоэлектронные ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков. Цифровая микрооптоэлектроника

© Николай Петрович Проскурин, 2020

ISBN 978-5-0051-2225-4

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

В память моих предков и замечательных родителей: отца – инженера, побудившего во мне интерес к науке, технике и матери – врачу, поддержавшей мои устремления.

От автора.

Уважаемые читатели! Это издание является специализированным (область – цифровая оптоэлектроника), базируется на четырех частях адаптированных материалов исследований (проведенных им в 2000—2006 гг. вместе с его коллегами) и диссертации автора¹. В первую очередь вся работа адресована экспертам, специалистам, разработчикам в области цифровой микрооптоэлектроники УВЧ диапазона для ознакомления с ее положениями, подходами, методиками и полученными промежуточными результатами. Возможно она заинтересует исследователей, разработчиков, конструкторов и технологов, работающих с «железом» (hard) в перспективной ее области — создания оптоэлектронных логических элементов (ОЛЭ) и переключателей на основе микромощных оптронов УВЧ/СВЧ диапазонов, интегральных схем (ИС) с оптическими связями на их основе, которые, по мнению автора, станут альтернативой в ХХІ столетии электронным цифровым ИС. Она может быть полезной студентам, магистрантам, соискателям и аспирантам технических ВУЗов технических специальностей, интересующихся способами, подходами при создании микромощных оптоэлектронных цифровых и аналоговых микроустройств. Автор признает, что часть исходных данных, инструментарий и методики исследования могли устареть и/или измениться за прошедшее время, однако наблюдаемые им тенденции (trends) остались прежними: подтверждением этого м. б., например, концепт «Optoelectronic on board», etc.; он также будет признателен экспертам, специалистам и разработчикам, кто выскажет конструктивные замечания и/или предложения, уточняющие, дополняющие и раскрывающие потенциал указанного направления развития цифровых и аналоговых ИС.

Аннотация (раздел 1). Электронные и оптоэлектронные устройства для ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков.

Показано, что параметры направляющих сред и логических элементов цифровых электронных ИС приближаются к определенному пределу. Имеются существенные преимущества оптических и оптоэлектронных устройств в областях передачи, приема, преобразования потоков информации, др., в т. ч. в ИС, цифровых устройствах телекоммуникации, компьютерных системах (КС), т. д., основанные на использовании электронейтральных фотонов и диэлектрических направляющих сред и/или оптических волноводов.

Анализ оптоэлектронных модуляторов, переключательных устройств, схем ОЛЭ с источником оптического излучения, указывает, что наиболее приемлемым решением является использование твердотельных излучателей. Среди них выделяются светодиоды (СД) – некогерентные излучатели на основе GaAs, GaIn, др. с приемлемым набором качеств, параметров и отличающиеся малым потреблением мощности, достаточным быстродействием и коэффициентом преобразования электрического тока в излучение, длительным временем функционирования и производимые по современным технологиям. Оценка фотоприемников (ФП) ОВЧ, УВЧ диапазонов и их параметров показала, что полупроводниковые структуры (ППС) с раздельным фотопреобразованием и усилением обеспечивают приемлемое быстродействие на рабочей частоте. Анализ входной оптоэлектронной логики схем (типа квазиимпульснопотенциальной – КИПТ) показывает, что при выборе из двух логических базисов (nИЛИ-НЕ, nИ-НЕ) преимуществами обладает первый из них по причине постоянства напряжения питания ФП и повторяемости схемной реализации логических входов ОЛЭ nИЛИ-НЕ (при увеличении входных переменных c одного до n).

_{1 Проскурін М. П. Мікропотужні оптоелектронні логічні елементи цифрових інтегральних схем на твердотільних світловипромінюючих і фотоелектричних пристроях. Автореферат на здобуття наукового ступеня к.т.н: спец. 05.27.01 «Твердотільна електроніка» / М.П.Проскурін, Одеса, ОНПУ, 2007—20с.}

Перечень сокращений

АЧХ – амплитудно- частотная характеристика

Б – база

БМ – библиотека моделей

ВАХ – вольтамперная характеристика

ВОК – волоконно-оптический канал

ВОЛС – волоконные оптические линии связи

ВОП – волоконно-оптическая пластина

ВОСС – волоконные оптические системы связи

ВП – виртуальные параметры

ВУ – вычислительное устройство

ВЧ – высокие частоты, высокочастотный (О-очень, У-ультра, С-сверх)

ГИ – генератор импульсов (КГИ – кольцевой ГИ)

ДП – двухполюсник

ЗЗ, ЗП, ЗВ – зоны: запрещенная, проводимости, валентная

ИД – исходные данные

ИК – инфракрасный

ИКМ – импульснокодовая модуляция

ИЛ – инжекционный лазер

ИП – источник питания (Д – дополнительный, О – основной)

ИС – интегральная схема

ИСОС – интегральная схема с оптическими связями

ИФУ – интегральное фотоприемное устройство

К – коллектор

КПД – коэффициент полезного действия

ЛД – лазерный диод

МАЭС – моделирование аналоговых электронных схем

ММП – математическая модель прибора

МОП – металл-окисел-полупроводник

МПК – метод перевернутого кристалла

НЗ – носители заряда

ОИ – оптоэлектронный инвертор

ОЛЭ – оптоэлектронный логический элемент

ОЛУ – оптоэлектронное логическое устройство

ОПЗ – область пространственного заряда

ОСГ – объемная скорость генерации

ОЭ – общий эмиттер

ОЭП – оптоэлектронный прибор

ПВИ – поверхностный вывод излучения

ППС – полупроводниковая структура

ПР – профиль распределения

ПС – программная среда

СД – светоизлучающий диод

УУ – устройство управления

УФ – усилитель фототока

ФД – фотодиод

ФП – фотоприемник

ФР – фоторезистор

ФТ – фототиристор

ФТр. – фототранзистор

ЦС – цифровой сигнал

ЧМ – численное моделирование

Э – эмиттер

DWDM – dense wavelength division multiplexing (мультиплексирование по длине волны высокой плотности)

МВМЕ (MOVPE) – molecular beams metod epitaxy (metalorganic vapor phase epitaxy) молекулярно-лучевой метод эпитаксии (металлорганическая парофазная эпитаксия)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕЛЕНИЕ – 7.

РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Характер физических и конструктивно-технологических ограничений микро- и наноэлектроники в цифровых интегральных схемах – 15.

1.2. Преимущества оптоэлектронных приборов в системах передачи информации и управления объектами над проводными линиями – 23.

1.3. Твердотельные оптопары, их разновидности, анализ конструкций – 29.

1.4. Оценка и выбор базиса оптоэлектронной логики на основе анализа схем квазиимпульснопотенциального типа – 39.

1.5. Выводы по разделу – 46.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ (часть 1) – 49.

ПРИЛОЖЕНИЕ А – 52.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обработка оптической информации получила широкое применение в технике, в частности – в приборах передачи информационных потоков, в устройствах управления технологическим и бортовым оборудованием. Это связано с преимуществами оптических и оптоэлектронных устройств (средств и способов связи на их основе) над электрическими. В основе оптоэлектроники лежат эффекты взаимодействия между электронейтральными электромагнитными волнами (или фотонами) и электронами веществ (преимущественно твердых тел). Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, связывающие оптические и электронные процессы – излучения и поглощения электромагнитных колебаний. Функциональное назначение оптоэлектронных устройств состоит в решении задач информатики: генерации информации на основе внешних воздействий и превращении ее в оптические (или электрические) сигналы, а также ее перенос, преобразование (в т.ч. логическое), хранение, отображение (с возможно-стью ее считывания, записи, стирания, перекодирования, др.). Технологическую основу оптоэлектроники определяют концепции микро- и наноэлектроники. В устройствах на основе систем излучатель – фотоприемник, соединенных с волоконнооптическим каналом (кабелем), оптический сигнал от излучателя способен без значительных потерь проходить большие расстояния. Устройства и схемы обработки оптической цифровой информации получили широкое применение. Развитие локальных, региональных, территориальных, глобальных сетей связи основано на внедрении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Логическая обработка потоков оптических цифровых сигналов, которые передаются по ним, базируется на использовании их отображений в виде электрических сигналов (после преобразования типа излучение – фототок: L→Е с помощью фотоприемников). Для детектирования оптических цифровых сигналов используют фоточувствительные устройства – твердотельные полупроводниковые структуры: фотодиоды, фототранзисторы. Усиленные и сформированные с помощью усилителей фототока в виде потоков электрических сигналов, они обрабатываются полупроводниковыми цифровыми интегральными схемами (ИС) на базе схем вентилей Т²Л, И²Л, ЭСЛ, Т²ЛШ, МОП. Для получения выходных оптических цифровых сигналов (преобразования типа ток – излучение: Е→L) применяют другие схемы. В них усиленные цифровые сигналы из выходов ИС модулируют ток излучателей на полупроводниковых структурах, к которым относят инжекционные лазеры (ИЛ), лазерные диоды (ЛД) и светодиоды (СД). Оптический цифровой сигнал передается на значительные расстояния по волоконно-оптическим каналам, кото-рые созданы на основе диэлектрических оптически прозрачных материалов. С по-мощью оптоэлектронных устройств типа оптронов (оптопар), которые включают в себя твердотельные излучатели и фотоприемники, обеспечиваются многочисленные преобразования типа L↔Е. Недостатками обработки потоков оптических цифровых сигналов ИС является использование заряженных частиц (электронов) и металлических проводников (отсутствие гальванической развязки, ограничение по частоте переключения, сложность передачи по проводнику множества сигналов, др.), преимуществами – развитость элементной базы и относительная их дешевизна.

В схемах оптоэлектронных логических элементов (ОЛЭ) используется иной (чем в ИС) тип носителя цифровых сигналов (электронейтральные фотоны) и среды (оптические связи). Оптоэлектронные схемы вентилей квазиимпульсно-потенциального типа (КИПТ) имеют в своем составе оптические логические входы, которые соединенные с 1…n фотоприемниками (ФП), усилитель фототока и светодиод (СД), который соединен с оптическим логическим выходом. Такие схемы обрабатывают оптические цифровые сигналы без ИС, содержат в своей конструкции элементы оптопар (излучатель – фотоприемник) и имеют преимущества оптической связи: гальваническую развязку, широкую полосу пропускания, возможность передачи в оптическом канале нескольких сот и более потоков оптических цифровых сигналов (ЦС). Но анализ схем ОЛЭ и устройств (ОЛУ) на их основе не выявляет среди них схем с использованием мало- и микромощных режимов в начале линейной части вольт-амперной характеристики (ВАХ) СД. Это уменьшит потребление устройств и приблизит их к параметрам схем логических вентилей цифровых ИС. Таким образом, исследование особенностей процессов мало- и микромощного переключения СД оптопар на макетах устройств и моделях, расчет твердотельных элементов ОВЧ/УВЧ оптопар и моделирование на их базе микромощных схем ОЛЭ, ОЛУ, анализ возможностей разработки конструкций устройств логической обработки, преобразования и коммутации потоков оптических цифровых сигналов, которые имеют схемотехническую универсальность, приемлемые технические показатели и могут быть выполнены по интегральным технологиям – является актуальной научно – практической задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационное исследование является составной частью комплексных государственных НИР – проект №7—1М/98, регистрационный №ПРО198U 007691, что осуществлялись в со-ответствии с комплексной программой координационного плана экспертного Совета Министерства Образования Украины по направлению «Приборостроение» (приказ №271 от 15.08.1996г.) на кафедре ФБМЭ ЗГИА в 1999—2004гг. (при поддержке Института Физики Полупроводников НАН Украины, приказ №233-вк от 01.12.1999г.), составной частью которой были: выбор базиса оптоэлектронных логических вентилей КИПТ; исследование мало- и микромощных режимов их работы; макетирование и моделирование оптоэлектронных устройств на их основе; расчет полупроводниковых структур (ППС) типа ФП и СД ИК диапазона для быстродействующих микромощных оптопар, которые входят в схемы логических вентилей; разработка эскиза конструкции ИС с оптическими связями в виде устройства логической обработки, преобразования и коммутации оптических цифровых сигналов; оценка технологии их изготовления. Часть результатов исследования отражена в ежегодных отчетах кафедры ФБМЭ ЗГИА по указанной НИР.

Цель работы. Целью диссертации является повышение эксплуатационных характеристик схем оптоэлектронных логических элементов использованием мало- и микромощных режимов переключения СД на начале линейной части ВАХ и разработка на их основе устройств логической обработки, преобразования и коммутации. Для достижения выбранной цели необходимо было:

– выполнить анализ схем модуляции излучения светодиодов и провести экспериментальные исследования их переключательных режимов (на трех типах оптопар), которые работают на начале линейной части ВАХ, определить частотные зависимости параметров их переключения от типа фотоприемника в схемах ОЛЭ КИПТ;

– исследовать маломощные макеты оптоэлектронных логических устройств «R-S триггер», «кольцевой генератор импульсов» (КГИ) и провести моделирование электрических схем оптоэлектронных логических вентилей и устройств на их основе;

– исследовать адаптивность ФП на основе фототранзистора (ФТр.) с базовым выводом и оценить границу его подстройки к уровням мощности входных оптических цифровых сигналов в микромощных логических схемах nИЛИ-НЕ на модели оптопары;

– провести разработку конструкции элементов оптопары ОВЧ диапазона: излучатель – светодиод на соединениях GaAs, фотоприемник – p-i-n ФД с УФ на ВЧ биполярном Тр. на Si;

– провести физикотопологическое проектирование ППС и выбор программной среды для расчета элементов ОВЧ оптопары (СД и ФП), формализовать их параметры и промоделировать микромощные схемы ОЛЭ и ОЛУ;

– обосновать конструкцию оптоэлектронного устройства логической обработки, преобразования и коммутации оптических ЦС в виде ИС с оптическими связями (на микромощных схемах ОЛЭ nИЛИ-НЕ) и технологию ее изготовления.