Электронные и оптоэлектронные ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков
Цифровая микрооптоэлектроника
Николай Петрович Проскурин

© 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.

Объект исследования – оптоэлектронные явления в полупроводниках.

Предмет исследования – разработка функциональных устройств оптоэлектроники в виде мало- и микромощных оптопар ОВЧ диапазона и логических схем.

Исследовательские приемы. Для достижения сформулированной цели в работе использованы известные методы и методики: физического анализа и синтеза, эксперимента и компьютерного моделирования, обработки результатов и ряд подходов. В работе получил дальнейшее развитие способ обработки и преобразования потоков оптических цифровых сигналов с помощью мало – и микромощных оптоэлектронных схем логики, который позволяет проводить ее без использования электронных ИС. Усовершенствована модель оптопары типа СД-ФП, рассчитанные параметры которой обеспечивают их устойчивое переключение в ВЧ и ОВЧ диапазонах в мало – и микромощных режимах. Использование этого дает возможность увеличить частотный диапазон оптоэлектронных устройств и снизить их потребление.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

– исследована и доказана (на макетах и моделях схем ОЛЭ КИПТ) возможность снижения токов дискретных оптопар производства СНГ в 10…40 раз использованием переключения светодиодов на начале линейной ВАХ, что позволяет уменьшить потребление и дает возможность расширить их техническое применение;

– впервые рассчитана и исследована модель микромощной оптопары ОВЧ диапазона и установлена возможность использования мало- и микромощных режимов переключения ее СД в режиме «малого сигнала», что позволяет получить новые данные о способах модуляции и дает возможность расширить ее частотный диапазон;

– усовершенствованы элементы микромощной оптопары ОВЧ диапазона в виде: СД с повышенным КПД излучения и ФП в составе p-i-n ФД, который интегрирован в базу ВЧ n-p-n Тр., что позволяет повысить ее частотные характеристики, расширить сведения об их конструкциях и дает возможность использовать их в конструкции цифровой ИС с оптическими связями;

– получило дальнейшее развитие разработка модели адаптивной микромощной оптоэлектронной схемы логики nИЛИ-НЕ, что позволяет получить новые данные о процессах ее переключения и дает возможность достичь параметров вентилей известных типов логики.

Практическое значение результатов работы состоит:

– в расширении диапазона функционирования оптопар производства СНГ использованием режимов маломощного переключения их излучателей – ИК СД и уменьшении мощности их потребления на порядок;

– в уточнении границ и параметров мало- и микромощных режимов переключения СД оптопар и их моделей, которые работают на начале линейной части ВАХ и использования этого для создания энергосберегающих оптоэлектронных логических схем nИЛИ-НЕ, устройств на их основе с возможностью повысить их эксплуатацион-ные характеристики;

– в развитии подходов для получения экспериментальных данных при исследовании процессов маломощного излучения / поглощения, для чего использованы методики расчетов интегральных СД и ФП на основе одномерной модели Эберса-Молла и формализованы параметры для введения их в модель оптопары;

– в создании оригинальной конструкции оптоэлектронного устройства логической обработки, преобразования и коммутации потоков оптических цифровых сигналов.

Оптоэлектронные устройства на маломощных схемах ОЛЭ использованы:

– при макетировании устройств передачи, приема данных в цифровом тракте с частотой до 0,25МГц в разрабатываемой системе управления сверхбыстрых транспортных способов с магнитной левитацией в Институте транспортных систем и технологий НАН Украины (Акт от 28.04.2006). Основой внедрения являются маломощ-ные схемы nИЛИ-НЕ на оптопарах 3ОД120А-1 с ВЧ n-p-n Тр. КТ3102Е;

– для модернизации приемопередатчиков цифровых сигналов агрегатной системы телемеханической техники комплекса контроля состояния контактных сетей коммунального предприятия «Запорожэлектротранс» (Акт от 12.08.2006). Основой внедрения являются маломощные схемы nИЛИ-НЕ на оптопарах типа АОТ101, АОТ128.

Действующие макеты оптоэлектронных устройств «R-S триггер», «КГИ» на основе маломощных схем ОЛЭ nИЛИ-НЕ используются в Запорожском филиале «Университета современных знаний» (г. Киев) при изложении дисциплин «Компьютерные сети и системы», «Электронная коммерция» (Акт от 30.11.2005).

Личный вклад соискателя состоит в следующем: в работах [49,72,73,66—69,85—88], которые написаны в соавторстве с д. т. н., професором Костенко В. Л., диссертанту принадлежит: обоснование выбора мало- и микромощных режимов оптопар трех типов, использование их в предложенных ним схемах адаптивных оптоэлектронных логических элементах, получение, обработка результатов макетирования, моделирования и конструкция ИК фотоприемника ОВЧ диапазона. В работе [70], которая написана в соавторстве с к. т. н., доцентом Кисариным О. А., диссертанту принадлежит расчет и обработка результатов исследования маломощных логических схем на дискретных оптопарах. В работе [89], которая написана в соавторстве с к. т. н., доцентом Щекотихиным О. В., диссертанту принадлежит расчет и моделирование интегрального ИК фотоприемника ОВЧ диапазона. Работы [83,84,99] написаны в соавторстве с конструктором ОКБ «Элмис» Белявской Е. С., диссертанту приналежит разработка конструкций ИК светодиодов с повышенным КПД и цифрового устрой-ства с оптоэлектронным блоком. Работы [50,71] написаны в ЗГИА, где выполнена диссертация в соавторстве со студентом Дериведмедем В. Н. и аспирантом Демиденко Е. А., диссертанту принадлежит разработка фотоприемника с функцией «монтажного» nИЛИ и исследование на макетах маломощных режимов логических схем на оптопаре 3ОД120А-1 с ВЧ n-p-n Тр. КТ3102Е. Работы [46—48] опубликованы диссертантом самостоятельно.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.