ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Проскурін Микола Петрович

УДК 621.383.6

МІКРОПОТУЖНІ ОПТОЕЛЕКТРОННІ ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ

ЦИФРОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ НА ТВЕРДОТІЛЬНИХ СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧИХ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПРИЛАДАХ

05.27.01 - твердотільна електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти

і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Костенко Віталій Леонідович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри інформаційних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Крилов Віктор Миколайович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри прикладної математики і інформаційних

технологій в бізнесі

кандидат технічних наук, доцент

Лисенко Геннадій Леонідович,

Вінницький національний технічний університет,

доцент кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Провідна установа: Центр оптоелектронних технологій ДП Науково-дослідний

інститут “Мікроприладів” НТК “Інститут монокристалів” НАН Украіни, м. Київ

Захист відбудеться “18” травня 2007р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої

вченої ради К41.052.03 в Одеському національному політехнічному університеті за

адресою: 65044, м.Одеса, пр. Шевченка ,1

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного

політехнічного університету за адресою: 65044, м.Одеса, пр. Шевченка ,1

Автореферат розісланий “ 17 ” квітня 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В Андріянов.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пристрої і схеми обробки оптичної цифрової інформації набули широкого застосування. Розвиток локальних, регіональних, територіальних, глобаль-них мереж зв’язку оснований на впровадженні виключно волоконнооптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ). Логічна обробка потоків оптичних цифрових сигналів, що передаються по ним, базується на використанні їх відображень у вигляді електричних сигналів (після перетворення типу випромінювання - фотострум: L> Е за допомогою фотоприймачів). Для детектування оптичних цифрових сигналів використовують фото-чутливі пристрої - твердотільні напівпровідникові структури (НПС): фотодіоди, фото-транзистори. Підсилені та сформовані за допомогою підсилювачів фотоструму у вигляді потоків електричних сигналів, вони обробляються напівпровідниковими цифровими інтегральними схемами (ІС) на базі схем логічних вентилів Т2Л, І2Л, ЕЗЛ, Т2ЛШ, МДН, МЕН. Для отримання вихідних оптичних потоків цифрових сигналів (перетворення типу струм - випромінювання: Е> L) застосовують інші схеми. В них підсилені цифрові сигнали з виходів ІС модулюють струми випромінювачів на напівпровідникових структурах, до яких відносять інжекційні лазери, лазерні діоди і світлодіоди. Оптичний цифровий сигнал передається на значні відстані по волоконнооптичним каналам, що створені на основі діелектричних оптичнопрозорих матеріалів. За допомогою оптоелектронних пристроїв - оптронів (оптопар), що включають в себе твердотільні випромінювачі і фотоприймачі, забезпечуються численні перетворення типу L- Е. Недоліками ІС є використання заряджених часток (електронів) і металевих провідників, перевагами - розвиненість елементної бази.

В схемах оптоелектронних логічних елементів (ОЛЕ) використовується інший (ніж в ІС) тип носія цифрових сигналів (електронейтральні фотони) і середовища (у вигляді оптичного середовища). Оптоелектронні схеми вентилів квазіімпульснопотенціально-го (КІПТ) типу мають у своєму складі оптичні логічні входи, що з`єднані з 1...N фото-приймачем, підсилювач фотоструму та світлодіод, що з`єднано з оптичним логічним виходом. Ці схеми обробляють оптичні цифрові сигнали без використання вентилів відомих типів логіки, містять у своєї конструкції елементи оптопари (випромінювач - фотоприймач) і мають переваги оптичного зв'язку: гальванічну розв`язку, широку смугу пропускання, можливість передачі в оптичному каналі кілька сот потоків оптичних цифрових сигналів. Але аналіз схем ОЛЕ і логічних пристроїв (ОЛП) на їх основі не виявляє серед них схем з використанням мало- і мікропотужних режимів на початку лінійної вольтамперної характеристики (ВАХ) світлодіодів. Це зменшить споживання пристроїв і наблизить їх до параметрів схем логічних вентилів цифрових ІС. Таким чином, дослідження особливостей процесів мало- та мікропотужного перемикання світлодіодів оптопар на макетах, моделях пристроїв, розрахунок твердотільних елементів ДВЧ оптопари і моделювання на їх базі мікропотужних схем ОЛЕ і ОЛП, аналіз можливостей розробки конструкцій пристроїв логічної обробки, перетворення і комутації потоків оптичних цифрових сигналів, що мають схемотехнічну універсальність, придатні технічні показники і можуть бути виконані за інтегральними технологіями - є актуальною науково - практичною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослід-ження є частиною комплексних державних НДР- проекту №7- 1М/98, реєстраційний № ПРО198U 007691, що здійснювалися згідно комплексної програми координаційного плану експертної Ради Міносвіти України з напрямку “Приладобудування” (наказ №271 від 15.08.1996р.) на кафедрі ФБМЕ ЗДІА у 1999-2004 роках за підтримки Інсти-туту Фізики Напівпровідників НАН України (наказ ІФН НАНУ №233 - вк від 01.12.1999р.), складовою частиною якої було: вибір схеми базису оптоелектронних ло-гічних вентилів КІПТ; дослідження мало- та мікропотужних режимів їх роботи, маке-тування і моделювання оптоелектронних пристроїв на їх основі; розрахунки напівпро-відникових структур типу світлодіодів та фотоприймачів інфрачервоного (ІЧ) діапазо-ну для швидкісних мікропотужних оптопар, що входять в схеми логічних вентилів; розробка ескіза конструкції цифрової інтегральної схеми з оптичними зв`язками (у ви-гляді пристрою логічної обробки, перетворення і комутації потоків оптичних цифрових сигналів); оцінка технології її виготовлення. Частину результатів дослідження відо-бражено у річних звітах кафедри ФБМЕ по зазначеній НДР.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення експлуатацій-них характеристик схем оптоелектронних логічних елементів використанням мало- і мікропотужних режимів перемикання світлодіодів на початку лінійної ВАХ та розробка на їх основі пристроїв логічної обробки, перетворення і комутації.

Для досягнення визначеної мети необхідно було: —

зробити аналіз схем модуляції світлодіодів та провести експериментальні дослід-ження перемикальних режимів їх р-n переходів (на трьох типах оптопар), що працю-ють на початку лінійної ВАХ, визначити частотні залежності параметрів їх перемикан-ня від типу фотоприймача в схемах ОЛЕ КІПТ; —

дослідити макети малопотужних оптоелектронних логічних пристроїв “R-S тригер”, “кільцевий генератор імпульсів” (КГІ) та провести моделювання електричних схем оп-тоелектронних логічних вентилів і пристроїв на їх основі; —

дослідити адаптивність фотоприймача (на основі фототранзистора з базовим виво-дом) та оцінити межі його підлагодженості до рівнів потужності вхідних оптичних ци-фрових сигналів в мікропотужних логічних схемах NАБО-НІ на моделі оптопари; —

провести розробку конструкції елементів оптопари ДВЧ діапазону: випромінювач- світлодіод на сполуках GaAs, фотоприймач - p-i-n фотодіод з підсилювачем фото-струму на ВЧ біполярному транзисторі на Si;—

провести фізикотопологічне проектування напівпровідникових структур і вибір програмного середовища для розрахунку елементів ДВЧ оптопари, формалізувати їх параметри та промоделювати мікропотужні схеми ОЛЕ, ОЛП;—

обгрунтувати конструкцію оптоелектронного пристрою логічної обробки, пере-творення і комутації оптичних цифрових сигналів у вигляді ІС з оптичними зв`зками (на мікропотужних схемах ОЛЕ NАБО-НІ) та технологію її виготовлення.

Об'єкт дослідження - оптоелектронні явища в напівпровідниках.

Предмет дослідження - розробка функціональних пристроїв оптоелектроніки у ви-

гляді мало- і мікропотужних оптопар ДВЧ діапазону і логічних схем.

Дослідницькі прийоми. В роботі розвинено засіб обробки і перетворення потоків оптичних цифрових сигналів за допомогою мало- і мікропотужних оптоелектронних схем логіки, що дозволяє проводити її без використання вентилів відомих типів логіки. Для досягнення сформульованої мети використано методи та методики: фізичного аналізу і синтезу, експерименту та комп'ютерного моделювання, обробки результатів та ряд підходів. Розраховано і удосконалено модель оптопари типу СД-ФП, параметри якої забезпечують її стійке перемикання в ВЧ та ДВЧ діапазоні в мало- і мікропотужних режимах. Використання цього дає можливість підняти частотний діапазон оптоелектронних пристроїв та знизити їх споживання.

Наукова новизна отриманих результатів дослідження полягає в наступному:—

досліджено та доведено (на макетах і моделях схем ОЛЕ КІПТ) можливість зни-ження струмів дискретних оптопар виробництва СНД у 10...40 разів використанням перемикання світлодіодів на початку лінійної ВАХ, що дозволяє зменшити споживання і дає можливість розширити їх технічне застосування;—

вперше розраховано і досліджено модель мікропотужної оптопари ДВЧ діапазону та встановлено можливість використання мало- та мікропотужних режимів перемикан-ня її світлодіодів в режимі “малого сигналу”, що дозволяє отримати нові відомості про засоби їх модуляції і дає можливість розширити її частотний діапазон;—

удосконалено елементи мікропотужної оптопари ДВЧ діапазону у вигляді: світло-діоду з підвищеним ККД випромінювання та фотоприймача у складі p-i-n фотодіоду, який інтегровано в базу ВЧ n-p-n транзистора, що дозволяє підвищити її частотні ха-рактеристики і розширити відомості про їх конструкції та дає можливість використати їх для цифрової ІС з оптичними зв`язками; —

набуло подальшого розвитку розробка моделі адаптивної мікрокропотужної опто-електронної схеми логіки NАБО-НІ, що дозволяє отримати нові відомості про процеси її перемикання та дає можливість досягнути їй параметрів вентилів відомих типів логіки;

Обґрунтованість, достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечено коректністю постановки задач, використанням відомих методів і методик, порівнянням і узгодженням отриманих результатів досліджень (на макетах та моделях) з чисельними результатами, що відомі із літературних джерел.

Практичне значення результатів роботи полягає:—

в розширенні діапазону функціонування оптопар виробництва СНД використанням режимів малопотужного перемикання їх випромінювачів - ІЧ світлодіодів і зменшенні потужності їх споживання на порядок;—

в уточнені меж і параметрів мало- та мікропотужних режимів перемикання світлоді-одів оптопар виробництва СНД та їх моделей, що працюють на початку лінійної ВАХ та використання цього для створення енергозбережуючих оптоелектронних логічних схем NАБО-НІ та пристроїв на їх основі і можливості підвищити їх експлуатаційні ха-рактеристики;—

в розвиненні підходів для отримання експериментальних даних при дослідженні

процесів малопотужного випромінювання / поглинання, для чого використано мето-дики розрахунків інтегральних світлодіодів і фотоприймачів на основі одномірної моделі Еберса-Молла та формалізовано параметри для введення їх в модель оптопари;—

у створенні оригінальної конструкції оптоелектронного пристрою логічної обробки, перетворення і комутації потоків оптичних цифрових сигналів.

Оптоелектронні прилади на малопотужних схемах ОЛЕ використано: —

при макетуванні пристроїв передачі, прийому даних в цифровому тракті з частотою до 0,25МГц при розробці системи управління надшвидкісних транспортних засобів з магнітною левітацієй в Інституті транспортних систем і технологій НАН України (Акт від 28.04.2006). Основою впровадження є малопотужні схеми NАБО-НІ на діодній оп-топарі 3ОД120А-1 з ВЧ n-p-n транзистором КТ3102Е;—

для модернізації прийомопередавачів цифрових сигналів агрегатної системи теле-механічної техніки комплексу контролю стану контактних мереж комунального під-приємства “Запоріжелектротранс” (Акт від 12.08.2006). Основою впровадження є ма-лопотужні схеми NАБО-НІ на оптопарах АОТ101, АОТ128;

Діючі макети оптоелектронних пристроїв “R-S тригер”, “КГІ” на основі малопотуж-них схем ОЛЕ NАБО-НІ використано в Запорізькій філії університету сучасних знань при викладанні дисциплін „Комп`ютерні мережі та системи”, „Електронна комерція" (Акт від 30.11.2005).

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися, знайшли відображення і обговорювалися на міжнародних науково-технічних, практичних кон-ференціях різного рівня: “Проблемы и пути реализации научно-технического потен-циала ВПК”, м.Киів, 2000р.; “Датчик 2000”, м.Судак, 2000р.; “Оптикоелектронні ін-формаційно-енергетичні технології”, м.Вінниця, 2001р.; “Сучасні проблеми радіоінже-нерії, телекомунікацій та комп'ютерної науки”, м.Львів-смт.Славське, 2002 р.; “Проб-лемы современной электротехники”, м.Киів, 2002р.; “Сучасний стан та перспективи використання ВОЛЗ. Первинні мережі як транспортна основа телекомунікаційної ін-фраструктури України”, м.Запоріжжя, 2002р.; “Современные информационные и электронные технологии”, м.Одеса, 2003р.; “Modern problem of radio Ingineering, Tele-comunications and Computer Science”, м.Львів-смт.Славське, 2004р.; “Інформаційна тех-ніка та електромеханіка”, м.Луганськ, 2005р.; “Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій”, м.Запоріжжя, 2006р..

Публікації і особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертації відображено у матеріалах: 5 статтях у фахових виданнях (перелік яких затверджено ВАК України), 8 патентах України, 1 а.с. СРСР, 7 тезах докладів на наукових кон-ференціях - усього у 21 роботі. Основні результати отримано автором самостійно.

У роботах [1-4,9,11,15-19], які написано в співавторстві з доктором технічних наук, професором Костенко В.Л., дисертанту належить: обґрунтування вибору мало- і мікро-потужних режимів оптопар трьох типів, використання їх в запропонованих ним схемах адаптивних оптоелектронних логічних елементів, отримання і обробка результатів ма-кетування, моделювання та конструкція ІЧ фотоприймача ДВЧ діапазону. У роботі [5], що написана в співавторстві з кандидатом технічних наук, доцентом Кісаріним О.О., дисертанту належить розрахунок і обробка результатів дослідження малопотужних логічних схем на дискретних оптопарах. У роботі [20], яка написана в співавторстві з кандидатом технічних наук, доцентом Щекотіхіним О.В., дисертанту належить розра-хунок і моделювання інтегрального ІЧ фотоприймача ДВЧ діапазону. Роботи [12-14] написано в співавторстві з конструктором ДКБ “Елміс” Білявской О.С., дисертанту на-лежить розробка конструкцій ІЧ світлодіодів з підвищеним ККД і цифрового при-строю з оптоелектронним блоком. Роботи [10,21] написані в ЗДІА, де виконувалась дисертація в співавторстві зі студентом Дериведмідем В.М. та аспірантом Деміденко О.А., дисертанту належить розробка фотоприймача з функцією “монтажного” NАБО і дослідження на макетах малопотужних режимів логічних схем на оптопарі 3ОД120А-1 з ВЧ n-p-n транзистором КТ3102Е. Роботи [6-8] опубліковані дисертантом самостійно.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чоти-рьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 104 найменувань. Робота містить 14 таблиць і 67 малюнків. Загальний обсяг дисертації складає 203 сторінки, з яких 9 займає список використаних джерел, 51 - додатки А-Г.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мета і задачі досліджень, наукову новизну і практичну цінність, наведено інформацію про особистий вклад здобувача, публікації та апробацію результатів.

У першому розділі наведено: огляд літературних джерел, що характеризують рівень розвитку цифрових ІС і їх обмеження, тенденції розвитку в галузі обробки потоків оптичних цифрових сигналів в ВОЛЗ. Акцентовано, що при збільшенні частоти пере-микання до УВЧ діапазону і зростанні інтегральної щільності елементів в ІС дають ознаку фізичні та конструктивні обмеження, що пов`язано з використанням для переда-чі цифрових сигналів електронів і направляючих середовищ - металевих провідників, по яких вони рухаються. Проведено оцінку типів оптронів, їх елементів (світлодіодів, фотоприймачів) і оптоелектронних пристроїв на їх основі, показано їх переваги і недо-ліки.Доведено, що функціональна схема оптрона з оптичними входами, виходами спів-падає з типовим ОЛЕ КІПТ, структурна схема якого зображена на рис.1. Провідний вклад в розробку, дослідження схем ОЛЕ КІПТ внесено фахівцями школи професора Кожемяко В.П., Україна, Вінницький НТУ. Акцентовано, що оптоелектронні цифрові схеми КІПТ на основі базисів NАБО-НІ, NІ-НІ відрізняє можливість логічної обробки оптичних цифрових сигналів без використання вентилей відомих типів логіки. Схеми ОЛЕ складено з елементів твердотільних оптопар, створених по сучасним технологіям.

Рис.1 Структурна схема оптоелектронного логічного елементу КІПТ: ВхЗ, ВхЛ, ВихЗ, ВихЛ - вхідні, вихідні зв'язки і логіки; ПФ - підсилювач фотоструму: біле поле - оптичний сигнал, сіре - електричний, кордон кольорів перетворення типу L- Е.

Підтверджено, що в оптопарах найменш інерційними є фотоприймачі на основі p-i-n фотодіоду; більш інерційними є інтегральні світлодіоди і біполярні ВЧ транзистори. Проведено аналіз параметрів модуляції світлодіоду порівнянням режимів типу “вели-кий” і “малий сигнал” з метою підвищення частоти їх перемикання при зниженні по-тужності споживання. Наголошено, що підвищення швидкодії елементів оптопар мож-ливо при пропорційному зменшенні їх розмірів і використанні режиму модуляції світ-лодіоду типу “малий сигнал” для його перемикання.

Аналіз літературних даних дозволив зробити висновок, що до теперішнього часу за-кумульовано значний теоретичний та практичний досвід у галузі проектування, виго-товлення та використання оптоелектронних логічних вентилів КІПТ, який означив пе-рехід до оптоелектронних технологій обробки потоків цифрових сигналів. Але названі конструкції мають ряд недоліків у вигляді: високої споживаємої потужності, низьких частотних характеристик і ККД, малого значення параметру розгалуження по виходу. Доведено, що при створенні схем ОЛЕ КІПТ для цифрових ІС, перспективним є роз-робка мікропотужних схем базису NАБО-НІ на основі елементів швидкодіючих оп-топар ДВЧ діапазону, що працюють в режимі типу “малий сигнал”. Ці схеми мають пе-реваги оптичного засобу зв`язку, створюються по мікро- і наноелектронним технологі-ям та можуть бути конкурентними вентилям відомих типів логік.

У другому розділі проаналізовано особливості запропонованих оптоелектронних схем логіки КІПТ, переваги та недоліки програмних середовищ (ПС) і їх бібліотек мо-делей (БМ) для моделювання електронних приладів і схем пристроїв. Визначено ПС МАЕС-П (Моделювання Аналогових Електронних Схем) вітчизняної розробки, що не поступається точністю розрахунків ПС PSpice, OrCAD. Показано, що бібліотеки моделей (БМ) останніх формуються за участю виробника елементів (діодів, транзисторів, ІС, оптопар, ін.), їх опис є закритим (типу “чорна скринька”) і часто недосяжним досліднику. БМ ПС МАЕС-П має десятки описів моделей, що відповідають пристроям виробництва СНД: діоди, транзистори, цифрові і аналогові ІС, оптопари К249КП1. Останні включають опис моделі і її елементів (світлодіод і фототранзистор, що складено з фотодіоду і n-р-n транзистора), інші параметри. Моделі БМ є відкритими досліднику, враховують зміни їх параметрів у вигляді аргументів і/або залежностей (функцій), є можливість додання описів розрахованих моделей і приладів в БМ.

Проаналізовано методи фізикотопологічного проектування і моделювання напів-провідникових структур. Визначено, що їх розрахунок можливо провести: при кількісті p-n переходів m =1- аналітичним методом; при m > 1- за допомогою методів, що врахо-вують відомі ефекти в НПС (Оже - рекомбінації, ефектів тунелювання, ін.). Підтверд-жено, що високій відповідності фізичних процесів (у порівнянні з аналітичними) відпо-відають методи чисельного моделювання, що враховують більшість відомих ефектів, дозволяють розраховувати НПС в значних межах струмів і геометричних розмірів.

Наведено електричні схеми оптоелектронних логічних елементів, надано опис мето-дик та вимірювальних схем, експериментальні результати перемикання світлодіодів з низьким рівнем струму шунтуванням їх фотоприймачами. Проведено дослідження статичних, динамічних параметрів перемикання світлодіодів схем ОЛЕ, ОЛП: а - на макетах на основі оптопар трьох типів (АОР124Б1, АОТ101БС, 3ОД120А-1 з ВЧ транзистором КТ3102Е); б - на моделі оптопари К249КП1(Б,С) і з віртуальними параметрами їх елементів. Встановлено, що некогерентне випромінювання світлодіодів в означених оптопарах з’являється і може бути використане при струмах на 1...2 порядки менших номінальних їх значень. З`ясовано, що в дискретних оптопарах такого типу найменший розмір активних площин елементів складає від кількох сот квадратних мікрометрів і менше. Підтверджено, що процес рекомбінації з випромінюванням фотонів в світлодіоді залежить від значень: площини S, типу складових його р-n переходу і струму - І, але практично не залежить від їх відношення (щільності струму J = I/S). Запропоновано дослідити умови появи рекомбінаційного випромінювання при знижених значеннях струмів світлодіодів (на дискретних оптопарах) та при створенні наперед заданої малої площини S обраного р-n переходу світлодіоду (на моделях оптопар: К249КП1 та з віртуальними параметрами її елементів - ВП). Скорочення лінійних розмірів світлодіоду на порядок зменшує площину S його р-n переходу у 100 разів, опір - у 10 разів, що підвищує частоту його перемикання приблизно на три порядки (? ~ RC). При зниженні споживання і зменшенні об`єму (при постійності відношення випромінювальних переходів до безвипромінювальних) зменшуються рекомбінаційні процеси і зростають квантовий вихід, ККД і ефективність світлодіоду.

В основі створення та дослідження мало- та мікропотужних схем ОЛЕ і ОЛП покла-дена уява про застосування відповідних режимів модуляції світлодіодів (типу “малий сигнал”, в якому фотоприймач шунтує світлодіод). Передбачається наявність двох складових цього процесу: 1- зменшення значень їх струмів: в дослідних макетах - за рахунок використання початку лінійної ВАХ, що наближена до її перегину; в схемах на основі моделей - додатково за рахунок віртуального зменшення розмірів елементів оптопар і, відповідно, значень ємностей, опорів їх структур на 1...2 порядки, а також використанням особливих фізичних властивостей напівпровідникових матеріалів; 2 - застосування модуляції світлодіоду у швидкодіючому режимі, наближеному до “малого сигналу” за допомогою фотоприймача, що забезпечує його шунтування. Експериментальні досліди дискретних оптопар виробництва СНД з трьома типами фотоприймачів (АОР124Б1, АОТ101БС, 3ОД120А-1 з ВЧ n-p-n транзистором КТ3102Е) показали, що струми світлодіодів, на які реагують фотоприймачі, мають значення від кількох сотен мкА і вище. Це може бути використано при створенні малопотужних схем ОЛЕ і ОЛП (модуляторів, перемикачів) зі зниженим споживанням у 10-40 разів порівняно з номінальним значенням струму світлодіодів досліджених оптопар.

На основі схеми оптоелектронного інвертору (ОІ), шляхом додання паралельно існуючому фотоприймачу ще кількох, реалізовано схеми базису NАБО-НІ, що є до-статнім для створення цифрової ІС з оптичними зв`язками будь якої складності. Опис їх функціонування відрізняється від схеми ОІ лише тим, що для її перемикання необхідна наявність одного або кількох вхідних оптичних сигналів на 1...N логічних входах. На рис.2 зображено: а - електрична схема асинхронного ОЛЕ типу ОІ (прийнято Е2 = 0); б - вимірювальна схема статичних, динамічних параметрів ОІ.

а б

Рис.2 Схема оптоелектронного інвертора - а: СД- вихідний світлодіод; ВОК- світловоди оптичного логічного входу і виходу; Е1, Е2 - джерела живлення; ФР - фото-резистор; R1- резистор. Вимірювальна схема параметрів ОІ (статичних, динамічних) на оптопарах - б: (1- ОІ по рис.2а, 2 - блок живлення Б5-44А оптопари ОП2; 3 - генератор імпульсів Г5-72; 4 - двоканальний осцилограф С1-92; 5 - вимірювальний щуп; ОП1, ОП2 – оптопари; К1, К2 - перемикачі режимів вимірювань; R2…R6 - змінні резистори).

На рис.3а зображено: звичайна ВАХ світлодіоду оптопари 3ОД120А-1 (наведено у довідкових матеріалах) і результати дослідів ВАХ світлодіодів поблизу перегину їх графіків (у чотирьох довільно обраних оптопар) для уточнення межи початку лінійної її частини. На рис.3б зображено результати експериментальних досліджень залежності коефіцієнту передачі К від смуги частот схеми типу ОІ в малопотужних режимах для трьох типів оптопар. Найшвидшими є малопотужні схеми ОЛЕ на елементах оптопар: випромінювач - ІЧ світлодіод на основі GaAs, фотоприймач - p-i-n фотодіод на основі Si з підсилювачем фотоструму у вигляді ВЧ транзистору. На діючому макеті ОЛП “КГІ” на основі трьох малопотужних ОІ (на оптопарі 3ОД120А-1 з транзистором КТ3102Е) отримано режими трьох типів генерації - меандр, синусоїда, пилкоподібна крива. Робоча частота “КГІ” сягає від fР ~ 50кГц (меандр) до fР ~ 250кГц (пилкоподібна крива), значення затримки оптоелектронного логічного вентиля tЗ ~ 0,66...3,3мкс при РСпож. ОІ ~ 9мВт. Аналогічні параметри перемикання отримано на діючому макеті ОЛП “R-S тригер” (дві малопотужні схеми 2АБО-НІ). Досліди довели, що в якості фото-приймача в малопотужних схемах ОІ, ОЛЕ в загальному випадку можливо використо-вувати фото-: резистор, -транзистор, -діод (з підсилювачем фотоструму у вигляді ВЧ транзистора). Досягнуті на макетах малопотужних схем ОЛЕ, ОЛП результати малопо-тужного перемикання (значення струму ІСД макс. ~ 1,8мА, частота fР ~ 105Гц, вид імпуль-сів - меандр) задовольнили вимоги першого етапу дослідження лише частково.

В результаті другого етапу досліджень - моделювання електричних схем ОЛЕ і ОЛП у вигляді їх ланцюгів на моделі оптопари К249КП1 з БМ ПС МАЕС-П встановлено: ви-користання в них струмів світлодіодів 0,18...1,5мА забезпечує стійке їх перемикання з коефіцієнтом передачі по потужності близьким до одиниці. При цьому забезпечено ви-промінювання світлодіодів в малопотужному режимі (при значеннях: напруги жив-лення схем 1,5В…5В, амплітуди модуляції 0,1…0,7В у вигляді зміни напруги аноду).

Рис.3 Результати експериментальних досліджень: а - зони перегину ВАХ чотирьох ІЧ СД (оптопара 3ОД120А-1); б - залежності коефіцієнта передачі К від логарифму частоти перемикання (lgF) схем ОЛE типу ОІ при максимальних значеннях струму ІСД1 ОП1 і ІСД2 ОП2 на оптопарах: АОР124Б1 (1) ~ 0,5мА; АОТ101БС (2) ~ 1,5мА; 3ОД120А-1 з ВЧ транзистором КТ3102Е (3) ~ 1,8мА.

Підтверджено, що важливим параметром в малопотужних режимах оптопар у складі схем ОЛЕ, ОЛП є значення коефіцієнту передачі по струму К, що дорівнює добутку коефіцієнту фотоперетворення фотодіоду (КФД ~ 0,01...0,05) на коефіцієнт підсилення транзистору (h ~ 30...150) і він повинен мати значення К ~ 1,5 і більше.

Результатами досліджень підтверджено переваги оптопар типу світлодіод - фото-транзистор з виводом бази - Б (або фотодіоду з підсилювачем фотоструму у вигляді транзистору) і доведено можливість підлаштування режимів їх фотоприймачів до потужності вхідних оптичних сигналів завданням рівня струму зміщення Б транзистору (або підключення напруги додаткового джерела живлення Е2, рис.2а). Використання цього в схемах ОЛЕ NАБО-НІ дає можливість робити їх адаптивними.

Моделювання малопотужніх режимів схеми ОЛЕ NАБО-НІ на моделі оптопари К249КП1С при струмах світлодіодів в 10 разів нижче номінальних (ІСД макс.~ 1,37мА) забезпечує частоту перемикання в схемі “КГІ” до 8кГц (рис.4а).

а

Рис.4 Моделювання схем ОЛП типу “КГІ” на трьох ОІ (1-3) на моделях: а - оптопари К249КП1С в малопотужних режимах і графіки: струмів СД першого ІСД1(IRiop1), другого ІСД2(IRiop2), третього ІСД3(IRiop3) і ФП- ІФТр.1(IRfop1), споживання першого ІОІ1(IRoi1), напруги модуляції UСД1(U(У-0)) у залежності від часу і значення у довіль-ному перетині: ІСД1 макс.~ 1,37мА; fР ~ 8кГц; ?З ~ 21мкс, РСпож.ОІ ~ 7мВт; б - ВЧ оптопари К249КП1С з ВП4 в мікропотужних режимах (знижено значення ємностей СД, ФТр. у 100 і опору в 10 разів, підвищено коефіцієнт передачі по струму К до 2,12) і графіки: струмів першого ІСД1(IRiop1), другого ІСД2(IRiop2), третього ІСД3(IRiop3), ФП - ІФТр.1 (IRfop1) та споживання ІОІ1(IRoi1) у залежності від часу і значення у довільному пере-тині: ІСД2 макс.~ 183мкА; fР ~ 8МГц; ?з ~ 21нс, РСпож.ОІ ~ 275мкВт. По вісі ОУ додатково введено масштаб у відсотках (0...100) для зручності співвідношення значень струмів.

При моделюванні схем ОЛЕ, ОЛП на моделях оптопар з віртуальними параметрами (ВП) іх елементів (К249КП1С ВП1-4), характеристики світлодіодів та фотоприймачів змінено у напрямку розвитку інтегральних оптопар ВЧ діапазону (рис.4б): знижено їх параметри ? ~ RC на три порядки, струму світлодіоду - на два порядки, підвищено коефіцієнт передачі по струму К оптопари до 2,12.

В схемі “КГІ” на таких оптопарах в режимі модуляції світлодіоду типу “малий сиг-нал” отримано графіки, що доводять можливість мало- і мікропотужних режимів функ-ціонування схем ОЛЕ, ОЛП (на частотах до 8МГц при потужності споживання РСпож.ОІ ~ 275мкВт, ?з ~ 21нс) та адаптивності мікропотужних схем ОЛЕ (до зміни потужності вхідних оптичних цифрових сигналів при імітуванні зменшення, збільшення вхідної оптичної потужності від світлодіодів до ± 5%). Це вказує на переважне використання в схемах ОЛЕ фотоприймачів з виводом Б, що підвищить стійкість процесу цифрової об-робки і оптоелектронної системи в цілому при впливі несприятливих факторів.

Моделюванням мало- і мікропотужних схем ОЛЕ зі зміненими параметрами елемен-тів оптопар (імітацією зменшення їх розмірів на порядок без змін фізичних параметрів їх структур) доведено можливість їх використання в нижній частині ВЧ діапазону. Це дозволяє зробити припущення про можливість застосування вузлів на основі мікро-потужних схем ОЛЕ, ОЛП для обробки потоків оптичних цифрових сигналів у лініях зв'язку з частотою перемикання у цих межах (на основі сучасних типів оптопар, в яких геометричні розміри їх елементів зменшено на порядок і більше). Результати моделювання схем ОЛЕ, ОЛП на моделях оптопар з БМ ПС МАЕС-П підтвердили частину експериментальних даних, отриманих на першому етапі на макетах і розширили результати досліджень. Однак властивості моделей оптопари К249КП1 з ВП1-4 у вигляді незмінних фізичних параметрів їх елементів не дозволили досягнути частоти перемикання більшої, ніж 8МГц. Але сучасна цифрова техніка та цифрові ІС оперують з ВЧ (3...30МГц), ДВЧ (30...300МГц) і УВЧ (0,3...3ГГц) діапазонами, тому наступним етапом досліджень стали розробка конструкцій елементів мікропотужної оптопари ДВЧ діапазону у вигляді інтегральних НПС світлодіоду і фотоприймача та розрахунок їх параметрів.

У третьому розділі проведено експериментальну розробку елементів оптопари ДВЧ діапазону на основі ІЧ світлодіоду з поверхневим виводом випромінювання (ПВВ) і інтегрального фотоприймального пристрою (ІФП) на основі p-i-n фотодіоду і ВЧ тран-зистору у вигляді малорозмірних їх конструкцій. Вона склалась з етапів фізикотополо-гічного проектування НПС, їх розрахунку і моделювання. Оцінка параметрів існуючих оптопар і їх елементів, порівняння результатів макетування і моделювання оптоелект-ронних логічних схем в ПС МАЕС-П показали, що розробка швидкодіючих елементів оптопари ДВЧ діапазону доцільна на основі конструкції у складі: випромінювач - швидкісний ІЧ світлодіод на сполуках GaAs з ПВВ і довжиною хвилі випромінювання ? ~ 0,8...0,9мкм; ІФП - схема з роздільним фотоперетворенням (на інтегральному p-i-n фотодіоді на Si, що має максимальну спектральну чутливість при ? ~ 0,8...0,9мкм) і підсиленням фотоструму планарним ВЧ n-p-n транзистором на Si, що спроектовані з вимогами до ДВЧ приладів. Розрахунок структур здійснено: для світлодіоду (один р-n перехід) - на основі аналітичної моделі; для ІФП у складі р-i-n фотодіоду з ВЧ n-p-n транзистором (три р-n переходи) - методом чисельного моделювання у ПС “Дослідження”, що використовується для створення ОВЧ, УВЧ приладів.

Аналіз показав, що для досягнення частот перемикання 250МГц і вище в структурі

ІЧ світлодіоду з означеною довжиною хвилі випромінювання треба використати потрійні з'єднання типу AlxGa1-xAs. Для цього з`єднання використано відомі залежності: між граничною частотою перемикання fС, шириною забороненої зони (ЗЗ) від кон-центрації домішки ?0 його робочої області; оптичних властивостей товщини активного шару d від концентрації домішки ?0, інші. В роботі було проведено розрахунок для двох складів шару типу AlxGa1-xAs - в першому (активному) проходить рекомбінація носіїв заряду, другий (пасивний) має ширину ЗЗ більшу, ніж перший та мале значення коефіцієнта поглинання на довжині хвилі ?. Для одержання ? ~ 0,8...0,9мкм (з урахуванням відомої залежності смуги модуляції світлодіоду від концентрації домішки ?0) варійовано зміст алюмінію у з'єднанні AlxGa1-xAs від 0,1 до 0,2 частин Х. Для досягнення частоти від 250МГц і вище рівень легування розрахунковою домішкою в обох складах досягає значень NА ? 1,6...5?1019см-3 (при товщинах активного шару d ~ 1,17...3,6мкм). Проведено розрахунок ВАХ та співвідношень струмів інжекції, реком-бінації світлодіоду, отримано графіки ВАХ інжекційного, рекомбінаційного струмів світлодіоду; встановлено, що значення останнього при струмі 100мкА становить приблизно 20% від ІСД інж.. Для підвищення квантового виходу на внутрішній по-верхні ІЧ світлодіоду проведено розрахунок його струму для двох значень часу життя неосновних носіїв заряду. Показано, що частка оптичної потужності випромінювання від робочої області d світлодіоду (що досягає обидві внутрішні поверхні його підкладки при виході випромінювання назовні) складає приблизно по 10%. Для ефективного його виводу, високого зовнішнього квантового виходу проведено етапи оптичного узгоджування. Розрахункові дані свідчать, що конструкція інтегрального ІЧ світлодіоду з ПВВ забезпечує його ККД близько 5% (при зовнішньому виході випромінювання в один бік підкладки при струмі ІСД макс. ~ 100...115мкА). Наведено значення коефіцієнту власного поглинання ?, який розраховано в залежності від зростання концентрації домішки NА, інші параметри; результати розрахунку зведено в таблицю.

Для швидкодіючого ІФП запропоновано профіль інтегрального р-і-n- фотодіоду, що розраховано чисельним методом. Отримано результати розрахунку р-і-n- фотодіоду (площина фотовікна S ~ 25мкм2) у вигляді параметрів і графіків: динамічної залежності вихідного фотоструму ІФД (оптичний імпульс тривалістю 2нс) для двох значень об'єм-ної швидкості генерації G, зворотна ВАХ, розподілення об'ємної швидкості генерації неосновних носіїв заряду по глибині структури р-і-n- фотодіоду для власного та домі-шкових типів Si, залежності струму ІФД від об'ємної швидкості генерації G, інші; результати зведено в таблицю.

У роботі виконано розрахунок підсилювача фотоструму у вигляді ВЧ n-p-n транзистора (профіль структури площиною S ~ 50мкм2). Отримано графіки вихідних ВАХ (пряма, зворотна), динамічні характеристики (для двох робочих частот fР при ІК ~ 110мкА: 250МГц при ІФД = ІБ ~ 1мкА та 500МГц при ІФД = ІБ ~ 2мкА), графік залежності заряду від напруги переходу Б-К для визначення його ємності. В результаті визначено: значення величина бар`єрної ємності СБ-К ~ 10-8 пФ, коефіцієнта підсилення n-p-n транзистора у схемі зі спільним емітером (Е) у режимі к.з. (hк.з. ~ 106 при fР ~ 250МГц і

hк.з. ~ 58 при fР ~ 500МГц) та залежність його від значення опору нагрузки RН в ланцюгу

колектору (К) та інші параметри; дані розрахунку зведено в таблицю.

Результати розрахунку елементів мікропотужної ДВЧ оптопари (ІЧ світлодіоду, р-і-n- фотодіоду і ВЧ n-p-n транзистора) формалізовано і введено у її модель. Далі створено і промодельовано електричну схему “КГІ” у складі трьох мікропотужних ОІ (на мікропотужній ДВЧ оптопарі), результат наведено на рис.5а,б.

Рис.5 Результати моделювання схем ОЛП типу “КГІ” на трьох ОІ (1-3) на моделі ДВЧ оптопари і графіки: струмів СД першого IСД1(IRiop1), другого IСД2(IRiop2), третього IСД3(IRiop3), IКТр.1(IRfop1), споживання першого ОІ IОІ 1(IRoi1) в залежності від часу t в довільному перетині при: а - К ~ 2,0 і б - К ~ 2,25; IСД1 макс. ~ 0,115мА; fР ~ 333МГц; ?З ~ 0,5нс, РСпож.ОІ ~ 150мкВт. Рис.5б ілюструє процес самогенерації схеми “КГІ” з моменту подання напруги живлення (при t = 0нс). По вісі ОУ додатково введено масштаб у відсотках (0...100) для зручності співвідношення значень струмів.

Підтверджено важливість дотримання значення коефіцієнта передачі по струму К= КФД . h в мікропотужних ДВЧ оптопарах (для схем ОЛЕ NАБО-НІ на їх основі) на рівні К ~ 1,5...2,5. Показано, що при підвищенні робочої частоти перемикання мікропотуж-них схем ОЛЕ і відповідному зниженні параметру h для ВЧ транзистора, доцільно забезпечити значення К збільшенням коефіцієнту КФД до 0,05 і вище.

Результати проектування, розрахунку твердотільних елементів мікропотужної ДВЧ оптопари і моделювання оптоелектронних пристроїв типу “КГІ” підтвердили висновки другого розділу (про можливість використання їх в мікропотужних режимах в ВЧ діапазоні) і розширили їх застосування до ДВЧ та нижньої частини УВЧ діапазону.

У четвертому розділі наведено оригінальні конструкцій твердотільних елементів ДВЧ оптопари: мікропотужний світлодіод з ПВВ з контактними площинами з однією сторони, підвищеним ККД за рахунок горизонтального протікання струму та виходу випромінювання з однієї (або обох) площин GaAs підкладки; фотоприймач - ІФП на базі р-і-n- фотодіоду, що інтегровано в n-p-n ВЧ транзистор на Si підкладці, завдяки чому зменшено вдвічі його площина порівняно з аналогом (S ~ 50мкм2 без контактних площин) і покращено перемикальні параметри. Конструкція ІФП має симетричну планарну структуру з вертикальним протіканням струму, що характерно для ВЧ приладів. Запропоновано ескіз гибридної конструкції ІС з оптичними зв`язками на базі мікропотужних схем NАБО-НІ на основі матриць світлодіодів і фотоприймачів.

Розглянуто особливості технології виготовлення елементів ДВЧ оптопари, ескізи їх конструкцій (у вигляді матриць інтегральних світлодіодів і фотоприймачів). Проаналі-зовано етапи підготовки підкладок, послідовність технологічних операцій на них з оглядом на досягнення сучасних мікро- та наноелектронних технологій. Складено маршрути їх виготовлення, що включають відомі технологічні операції. Проаналізовано процеси збірки цифрової ІС з оптичними зв`язками методом “перевернутого кристалу” по технології мікрокуль припою або ультразвукового зварювання, виявлено особливості етапів суміщення матриць світлодіодів з ІФП, вихідного контролю, ін..

Запропоновано використання відомих типів оптичних зв`язків для конструкції ІС з оптичними зв`язками. Оцінка запропонованих конструкцій (твердотільних випромінюючих і фотоприймальних пристроїв, оптопар ДВЧ діапазону та мікропотужних схем ОЛЕ і цифрової ІС з оптичними зв`язками на їх базі) та наведений аналіз можливостей мікро- та наноелектроніки свідчать про те, що такі мікропотужні оптоелектронні пристрої мають переваги над існуючими конструкціями цифрових ІС і можуть бути виготовлені на відомому обладнанні виробництва СНД по існуючим технологіям.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і запропоновано нове вирішення на-укового завдання по створенню енергозбережуючих оптоелектронних схем логіки КІПТ на основі використання особливостей процесів мало- і мікропотужного переми-кання світлодіодів. Результати дослідження по розробці функціональних пристроїв оптоелектроніки у вигляді мало- і мікропотужних оптопар ДВЧ діапазону і логічних схем на їх основі доведено на діючих макетах і моделях їх електричних схем. Проведено розрахунок твердотільних елементів ДВЧ оптопари, створено її модель і промодельовано її у складі схем мікропотужної оптоелектронної логіки NАБО-НІ в ПС МАЕС-П. На їх основі розроблено ескіз конструкції ІС з оптичними зв`язками у вигляді оптоелектронного пристрою логічної обробки, перетворення і комутації потоків оптичних цифрових сигналів, що має схемотехнічну універсальність, придатні технічні показники і бути виконий за інтегральними технологіями.

За підсумками дисертаційної роботи зроблено наступні висновки:

1. Існуючі типи оптопар можливо використати для створення малопотужних опто-електронних логічних і аналогових схем, а при зменшенні на порядок і більше геометричних розмірів елементів оптопари типу СД-ФТр. (К249КП1) можливо підвищити частоту їх перемикання на кілька порядків при