Бесплатный фрагмент - Электронные и оптоэлектронные ИС, их характеристики: обзор преимуществ и недостатков

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.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались, обсу-ждались и отражены в материалах международных научно-технических конферен-ций разного уровня: «Проблемы и пути реализации НТП ВПК», м. Київ, 2000р.; «Датчик 2000», м. Судак, 2000р.; «Оптоэлектронные информационно-энергетические технологии», м. Вінниця, 2001р.; «Сучасні проблеми радіоінженерії, телекоммуніка-цій та компьютерної науки», м. Львів-смт. Славське 2002р.; «Проблемы современной электротехники», м. Київ, 2002р.; «Сучасний стан та перспективи використання ВОЛЗ. Первинні мережі як транспортна основа телекомунікаційної інфраструктури України», м. Запоріжжя, 2002р.; «Современные информационные и электронные технологии», м. Одеса, 2003р.; «Сучасні проблеми радіоінженерії, телекомунікацій та компьютерної науки», м. Львів — смт. Славське, 2004г., «Інформаційна техніка та електромеханіка», м. Луганськ, 2005р.; «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій», м. Запоріжжя, 2006р..

Результаты исследования могут быть применены при разработке элементов и конструкций оптопар ОВЧ диапазона, микромощных схем ОЛЭ и ИС с оптическими связями на их основе для функционирования в составе цифровых систем телекоммуникаций и связи. Разработки защищены патентами Украины, а. с. СССР.

Публикации. По материалам роботы опубликованы 21 печатная работа: из них — 5 статей в научных журналах (входящих в перечень ВАК), 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 1 а. с. СССР, 8 патентов Украины.

РАЗДЕЛ 1.ОБЗОР ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

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

Задачи создания малоинерционных оптоэлектронных приборов, имеющих приемлемые параметры быстродействующих вычислительных устройств (ВУ) для электронной техники, бортового оборудования практически назрели и вытекают из ограничений электронных цифровых интегральных схем (ИС), созданных на основе микро- и наноэлектроники. Параметры известных типов логик, направления развития ИС приведены в табл.1.1, 1.2 [1—6]. Несмотря на успехи в освоении нано- и субнаносекундного диапазонов, что соответствует частотам до 3…5 ГГц, развитие микро- и наноэлектроники в виде цифровых ИС и их разновидностей (схемы логики Т2ЛШ, И2Л, ЭСЛ, К-МОП, МЭП) характеризуется приближением к физическим, конструктивно-технологическим пределам и ограничениям свойств материалов (на которых они выполнены). Основными из них являются: использование в электронных ИС носителя в виде заряженной частицы (электрон) и направляющих сред в виде металлических проводников с параметрами L, R, C, которые имеют характерное время переключения t ~ RC (при малом L).

С увеличением уровня интеграции N до значений ~107…108 элементов на кристалле снижается выход годных, что приводит к нецелесообразности применения технологий микро- и наноэлектроники; уровень интеграции N имеет ограничения (связаны с температурой нагрева кристалла) и оценивается выражением [7,8]: где TДоп.- предельно допустимая температура кристалла, (Si — 150оС, GaAs — 250оС);

То — температура окружающей среды, градусов Цельсия;

RТ — температурное сопротивление корпуса (15о …25о на Ватт мощности);

PВ — мощность, рассеиваемая одним элементом (вентилем) ИС (0,001мВ…10мВт);

ξ — коэффициент одновременной их работы (≥ 0,1);

Q — удельная мощность, рассеиваемая кристаллом (1…4 Вт на 1см2);

SК — площадь кристалла, см2.

Отдельно выделим вопросы межсоединений длиной LЛ, которые ограничивают уровень интеграции кристалла N со стороны топологии (занимая часть его площади SКр.) и быстродействия, определяемой рабочей частотой fР. Длина межсоединений LЛ в СБИС более чем в 1000 раз превышает линейные размеры кристалла и оценивается выражением, связывающим уровень интеграции и длину межсоединений [8]: