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

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 Т

Л, И

Л, ЭСЛ, Т

ЛШ, 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;