/
ISBN: 5-94836-023-7
Text
эле
О. ЕРМАКОВ
Прикладная
оптоэлектроника
ТЕХНОСФЕРА
ектооники
О. ЕРМАКОВ
Прикладная
оптоэлектроника
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2004
О.Н. Ермаков
Прикладная оптоэлектроника
Москва:
Техносфера, 2004. - 416 с. ISBN 5-94836-023-7
Руководство дает исчерпывающую информацию по приборам и струк-
турам, новым материалам и интегральной схемотехнике. Рассмотрены
физико-технологические, материаловедческие, оптико-физические, схе-
мотехнические, системные аспекты многоуровневого проектирования
широкого спектра оптоэлектронных систем сбора данных (опто-
электронные датчики), их хранения (оптоэлектронные ЗУ), обработки
(оптоэлектронные процессоры), передачи (ВОЛПИ) и отображения (ин-
дикаторные системы и фотоэлектрические формирователи изображения).
Представлены как традиционные, так и новые области применения опто-
электронных систем, включая системы связи, транспорт, бытовую тех-
нику, силовую технику. Проанализированы проблемы как частных опто-
электронных технологий, так и оптоэлектроники в целом, включая проб-
лемы радиационно-стойкой, высокотемпературной, высокостабильной и
прецизионной оптоэлектроники.
Книга рассчитана на научных работников и разработчиков оптоэлект-
ронных приборов, оптико-электронной аппаратуры.
© 2004, О. Н. Ермаков
© 2004, ЗАО «РИЦ «Техносфера»
оригинал-макет, оформление.
ISBN 5-94836-023-7
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ОТ ВЕДУЩИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
ВСЕГДА НА СКЛАДЕ В ПРОМЫШЛЕННЫХ КОЛИЧЕСТВАХ
EPCOS
Kingbright
(095) 73-75-999 (многоканальный)
по заявкам предприятий
и Москва, ул.Ивана Франко, д.40, стр.2, (095)73-75-999, почта: 121351, Москва, а/я 100, e-mail: platanOaha.ru
Москва, ул.Гиляровского, 39, (095)684-46-28, prospectmlraOplatan.ru Офис ча м. Курская:
Москва, ул.Земляной вал, 34, (095)916-23-21, kurskayaOplatan.ru Оьис в Санкт-Петербурге ул.Зверинская, 44
(812)232-88-36, 232-23-73, platanOmail.wplus.net ул Чистяковская, 2, (38044)459-02-17, chlp-dipOukr.net
(0732)59-75-57 (8432)13-02-57 Новосибирск: (3832)16-33-66г мо (3812)24-69-03
(8422)37-65-67 (3472)32-33-42
лг (0722)31-29-79 (3412)43-72-51 Ростов-на-Дону: (8632)44-34-48 Самара:
(8462)35-26-09 (812)327-96-92 (3822)55-65-30,51-12-25 'боксары: (8352)56-63-03 Ярославль:
(0852)30-15-69
Москва, ул.Беговая, 2 ул.Гиляровского, 39 • ул.Ивана Франко, д.40, стр.2 ул.
Земляной вал, 34 С.-Петербург, Кронверкский просп.. 73 Ярославль, пр.Ленина, 8а
Содержание
Предисловие ......................................................13
Глава 1. Перспективные оптоэлектронные материалы
и структуры...................................................... 17
1.1. Введение................................................ 17
1.2. Локальные, структурные и композиционные
эффекты в оптоэлектронных средах..............................17
1.2.1. Характеристики локального расположения атомов......18
1.2.2. Влияние локальных флуктуаций на зонную структуру......19
1.2.3. Влияние эффектов беспорядка на оптические свойства.20
1.2.4. Эффекты зонной структуры.......................... 22
1.2.5. Квантово-размерные эффекты........................ 28
1.2.6. Эффекты микронапряжений............................29
1.3. Полупроводниковые твердые растворы...................... 32
1.3.1. Сравнительный анализ свойств соединений А3 В5 и А2 В6. 32
1.3.2. Твердые растворы в системе In —Ga—As—Р............ 34
1.3.3. Твердые растворы в системе In—Ga—Al—Р.................41
1.3.4. Твердые растворы в системе In —Ga—Al—N............ 50
1.4. Люминесцентные структуры на основе органических материалов 58
1.4.1. Полимерные электролюминесцентные структуры........ 59
1.4.1.1. Оптические свойства........................ 59
1.4.1.2. Приборные характеристики................... 61
1.4.2. Сравнительный анализ твердотельных гетеростроструктур и
полимерных структур для полимерно- твердотельной
оптоэлектроники......................................... 64
1.4.3. Гибридные полимерно-твердотельные СИД............. 66
1.4.3.1. Гибридные СИД на основе InGaN.............. 66
1.4.3.2. Гибридные СИД на основе GaN................ 68
1.5. Перспективные структуры на основе кремния и углерода.... 70
1.5.1. Структуры на основе кремния на сапфире (КНС)...... 70
1.5.2. Структуры на основе кремния на изоляторе (КНИ).... 74
1.5.3. Структуры на основе А2 В6 / SiO2/Si............... 76
1.5.4. Квантово-размерные структуры на основе кремния.....78
1.5.5. Структуры на основе аморфного кремния (a-Si:H).... 83
1.5.6. Алмазы, фуллерены, углеродные нанотрубки.......... 86
1.5.7. Проблемы формирования структур интегральной
оптоэлектроники......................................... 88
Литература.......................................... 91
Библиографический список............................ 92
представля
СВЕТОДИОДЫ
с силой света
до 800 Candela
Светодиоды
о Самый большой световой поток до 120Lumens
о Длительный срок службы более 100000 часов
о Цвет свечения - белый, зеленый, синий,
ярко-синий, красный,
красно-оранжевый, янтарь
о Низкое напряжение питания 3,5В
о Режим работы непрерывный
о Рабочая температура от - 40° С
о Применение: в автомобилях, самолетах,
портативное освещение,
прожектора, фонари, медицина
о Полностью регулируемый свет
о Энергетически более эффективен, чем лампы
накаливания и большенство галогеновых ламп
о Отсутствует ультрафиолетовое излучение
Star Ster/C Star/О Star Star/IOC J Мйажаи - — v»h> * 1 ИДОЯ LuxBonSter изделия LuxeonStaAC ин 1ш®оп Start0 IH Uff Основная дма волны гаспясаи тнперат^; Тип значения -нсзого лотка, ле Тилмченм пмесма. КА Картина
1МШ1С LM-MW1A IM-NW98 IMW1E Бем 5500К 18 180 Низкая полусфера
IMMM1C LM-MM1A IM-W4 IM-MM’E Эг'^ныи 530 пт 25 500
IM-MEI C IM-ME1A IM-O LM-ME1E Голуоои 505 пт 30 600
Цвет свечения oeeeeeoo IM-MBlC IMMB1A iMiae IM-MB1E Оей 470 пт 5 100
IM-MRRC IM-MRRA IM-NRR8 IM-WIE Я осмий 455 пт 100 mW 80
IM-MD1C IMMD1A IMND98 IM-MD1E Крамк 625 пт 25 750
LMM1C IM-ML1A LX1-N.98 IM-ML1E Wrr'JsM 590 пт 20 600
IM-MW1D IM-MW1B MA MA Бем 5 500К 18 Высокая позера
IM-MM1D IM-MM1B MA MA Зггмь; 530 пт 25
IMME1D IM-ME1B MA MA Голубом 505 пт 30
IM-MB1D IM-MB1B MA MA Синий 470 пт 5
IM-MRRD IM-MRRB MA MA Яркосинй 455 пт 100 mW
IMMD1D LM-MD1B 1М4Ш MA Красным 625 пт 44 660
IM-MH1D IM-MH1B 1МАНИ MA Красносренпаый 617 пт 55 825
IM-ML1D IM-ML1B IM-NL94 MA Цветияр. 590 пл, 36 540
LXU-FWIC MA MA MA Бем 5 500К 16 торцевое изуенме
LXH-FM1C MA MA MA Зелйи 530 пт 23
LM-FElC MA MA MA Голубом 505 пт 27
IM-FB1C MA MA MA Синий 470 пт 5
IMFR1C MA MA MA Яркса*н*й 455 пт 90 mW
IM-FD1C MA MA MA Красный 6ЙГЛ1 40
IM-FH1C MA MA MA Красикранкееий 617 пт 50
IM-FL1C MA MA MA 590п ??
ХОЛДИНГ "ЗОЛОТОЙ ШАР": Моема, ул. Тирска», д. 10, тел.: +7 (095) 234-0110,/
http:// www.zolshar.ru, E-mail: sales@zolshar.ru, факс: +7 (095) 956-3346,1
ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Санкт-Петербург:гоо<@гокЬаглрЬ.ги, Екатеринбург:го1вЬаг@online..ural.ru, \
Новосибирск: nbzsh@mail.ru, Ижевск: office^Szolshar.izhnet.ru, Киев: offire'-zolshar.com.ua, Минс : zolshar@integral.mmsk.by
Глава 2. Оптика и схемотехника оптоэлектронных приборов.......... 93
2.1. Введение................................................ 93
2.2. Модификация оптических характеристик.................... 94
2.2.1. Энергетические и пространственные характеристики.. 94
2.2.2. С пектральные характеристики...................... 97
2.2.3. Цветовые характеристики........................... 99
2.3. Характеристики и режимы функционирования............... 101
2.3.1. Характеристики................................... 101
2.3.2. Оптимизация режимов функционирования............. 104
2.4. Схемотехника одноэлементных приборов................... 109
2.4.1. Схемы включения СИД.............................. 109
2.4.2. Высокочувствительные ФПУ.......................... 110
2.4.3. Сравнение высокочувствительных систем детектирования .... 112
2.4.4. Системы счета одиночных фотонов................... 114
2.5. Схемотехника оптронов.................................. 118
2.5.1. Типы и характеристики оптронов................... 118
2.5.2. Оптроны в аналоговых схемах...................... 120
2.5.3. Оптроны в цифровых схемах.........................123
2.5.4. Оптимизация оптронных схем....................... 127
2.6. Схемотехника многоэлементных оптоэлектронных приборов... 132
2.6.1. Схемы параллельного управления................... 133
2.6.2. Схемы мультиплексного управления................. 135
2.6.3. Схемы мультиплексного управления с памятью....... 136
Литература......................................... 138
Библиографический список........................... 138
Глава 3. Интегральная оптоэлектроника........................... 139
3.1. Введение............................................... 139
3.2. Гибридные оптоэлектронные ИС........................... 140
3.2.1. Переключательные микросхемы...................... 140
3.2.2. Оптоэлектронные реле............................. 142
3.3. Монолитные многоэлементные приборы..................... 143
3.3.1. Многоэлементные светоизлучающие приборы.......... 143
3.3.2. Фотоэлектрические интегральные схемы............. 145
3.4. Интегральные оптоэлектронные приборы................... 149
3.4.1. Интегральные излучающие терминалы................ 150
3.4.2. Интегральные фотоприемные терминалы.............. 152
3.5. Физико-технологические ограничения интегральных
приемо-передающих модулей.................................. 154
3.6. Микрооптика для оптических межсоединений............... 159
3.6.1. Концепции архитектуры............................ 160
3.6.2. Классификация пассивных микрооптических элементов. 161
Сверхъяркие светодиоды
SMD и ультратонкие индикаторы
SMD светодиоды
Модули экрана
Матрицы
ИЛИ НИКА
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
111123 Москва
ул. 2-я Владимирская д. 8, к. 2
тел/факл (095) 305-г 7-38
095) 305-77-48
e-mail:optonika@aha ru
http://www.optonika.ru
Фототранзисторы
ИК светодиоды
Фотодиоды
Подсветка ЖКИ
Оптопары
3.6.3. Микромеханические элементы...................... 162
3.6.4. Примеры микрооптических соединений.............. 163
3.7. Оптоэлектронные процессоры и интерфейсы............... 165
3.7.1. Архитектура и особенности проектирования........ 165
3.7.2. Анализ функциональных возможностей
и достижимого уровня параметров......................... 167
3.7.3. Конструкционные и технологические аспекты....... 171
Литература......................................... 174
Библиографический список........................... 174
Глава 4. Оптоэлектронные датчики............................... 175
4.1. Введение.............................................. 175
4.2. Классификация оптоэлектронных датчиков................ 175
4.2.1. Датчики оптронного типа с открытым каналом...... 176
4.2.2. Волоконно-оптические датчики.................... 177
4.2.3. Интегрально-оптические датчики.................. 179
4.3. Датчики физических величин............................ 182
4.3.1. Датчики температуры............................. 182
4.3.2. Датчики электрических и магнитных полей......... 184
4.3.3. Датчики механических величин.....................185
4.3.4. Колориметрические датчики ...................... 186
4.3.4. Датчики ионизирующих излучений.................. 187
4.4. Прецизионные оптоэлектронные сенсорные системы........ 187
4.4.1. Системы для аналитической спектроскопии......... 187
4.4.2. Многоэлементные сенсоры......................... 191
4.5. Оптоэлектронные датчики в системах химического,
биохимического и медицинского анализа...................... 192
4.5.1. Оптоэлектронные датчики
содержания химических веществ........................... 192
4.5.2. Оптоэлектронные датчики в биохимических
и медицинских системах.................................. 194
4.6. Проблемы разработки оптоэлектронных датчиков.......... 196
4.6.1. Спектрофотометрические датчики
для прикладной спектроскопии............................ 196
4.6.2. Волоконно-оптические датчики.................... 204
4.6.3. Датчики оптронного типа......................... 208
4.6.4. Интегрально-оптические датчики.................. 212
4.6.5. Структуры с фотонной запрещенной зоной
(фотонные кристаллы).................................... 214
4.6.6. Опорные источники излучения..................... 217
Литература......................................... 221
Библиографический список........................... 222
Глава 5. Оптоэлектронные системы............................... 223
5.1. Введение.............................................. 223
5.2. Системы оптической связи.............................. 223
5.2.1. Волоконно-оптические линии передачи информации..... 224
5.2.2. Оптические волокна на принципе фотонного кристалла. 228
5.2.3. Системы оптической связи с открытым каналом..... 231
5.3. Оптоэлектронные системы записи, хранения и воспроизведения
информации................................................. 233
5.3.1. Оптоэлектронные запоминающие устройства на
Фоточувствительных носителях............................ 233
5.3.2. Фоторегистраторы................................ 236
5.3.3. Системы на основе интегрально-оптических элементов и ОБУ ... 238
5.4. Системы визуального отображения информации............ 240
5.4.1. Классификация систем визуального отображения информации 240
5.4.2. Типы оптоэлектронных индикаторов................ 241
5.4.2.1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы........ 242
5.4.2.2. Газоразрядные индикаторы.................. 244
5.4.2.3. Электролюминесцентные индикаторы.......... 246
5.4.2.4. Жидкокристаллические индикаторы........... 248
5.4.2.5. Индикаторы на основе микроэлектромеханических
систем (MEMS)...................................... 251
5.4.2.6. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы .... 254
5.4.2.7. Индикаторы на основе органических
электролюминесцентных структур (OLEDs)............. 259
5.4.2.8. Проблемы разработки стереоскопических систем
отображения........................................ 263
Литература......................................... 269
Библиографический список...........................269
Глава 6. Фотоэлектрические формирователи изрображения.............271
6.1. Введение.............................................. 272
6.2. Тепловизорные системы................................. 271
6.2.1. Архитектура..................................... 272
6.2.2. Классификация и характеристики.................. 273
6.3. ФПЗС-формирователи изображения........................ 279
6.3.1. Принципы функционирования и архитектура......... 279
6.3.2. Линейные ФПЗС-формирователи изображения......... 282
6.3.3. Матричные ФПЗС-формирователи изображения........ 284
6.3.4. Потребительские системы......................... 286
6.3.5. Специализированные системы...................... 287
6.4. КМОП-формирователи изображения........................ 288
6.4.1. Арзитектура..................................... 288
6.4.2. Характеристики.................................. 290
6.4.3. Комбинированные ФПЗС-КМОП системы............... 293
6.5. Альтернативные технологии............................ 293
6.5.1. Материаловедческие и физико-технологические аспектаы .... 294
6.5.2. Характеристики.................................. 299
6.5.3. Сравнительный анализ ФПЗС- и КМОА-технологий..... 301
6.6. Системные аспекты.................................... 304
6.6.1. Стандартные системы............................. 304
6.6.2. Заказные системы................................ 305
6.7. Микросистемы......................................... 307
6.8. Проблемные вопросы................................... 309
Литература............................................. 311
Библиографический список................................312
Глава 7. Перспективные области применения..................... 313
7.1. Введение............................................. 313
7.2. Новое поколение оптоэлектронных приборов............. 314
7.2.1. Быстродействующие оптроны....................... 315
7.2.2. Оптроны с большим коэффициентом передачи по току. 316
7.2.3. Слаботочные оптроны............................. 317
7.2.4. Аналоговые оптроны.............................. 317
7.2.5. Оптически изолированные усилители .............. 318
7.2.6. Оптронные ИС.................................... 319
7.2.7. Оптоэлектронные реле............................ 320
7.2.8. Интегральные оптронные датчики.................. 321
7.2.9. Приёмо-передатчики оптронного типа.............. 322
7.2.10. Оптроны для силовой техники.................... 323
7.3. Рекомендации по применению........................... 326
7.3.1. Подавление помех по линии связи................. 327
7.3.2. Напряжение изоляции ............................ 331
7.3.3. Коэффициент передачи по току.................... 332
7.4. Системы связи ....................................... 334
7.4.1. Телефонные системы связи........................ 334
7.4.2. Беспроводная оптическая связь................... 339
7.4.3. Многофункциональные объектовые ВОЛПИ............ 342
7.5. Вопросы оптимизации конфигурации..................... 344
7.5.1. ИК-системы связи по открытому каналу для компьютерной
техники................................................ 344
7.5.2. Многофункциональные объектовые ВОЛПИ........... 347
7.6. Транспортные системы................................. 351
7.6.1. Наземный транспорт.............................. 352
7.6.2. Авиация......................................... 355
7.6.3. Космические системы............................. 358
7.7. Силовая техника....................................... 360
7.7.1. Системы контроля.электродвигателей.............. 360
7.7.2. Системы управления электродвигателями........... 361
7.7.3. Тахометрические системы......................... 362
Литература......................................... 366
Библиографический список........................... 366
Глава 8. Проблемные вопросы использования оптоэлектронных
приборов в экстремальных условиях.............................. 367
8.1. Введение...............................................367
8.2. Силовая электроника................................... 368
8.2.1. Современное состояние и тенденции развития...... 368
8.2.2. Приборы силовой электроники..................... 369
8.3. Силовая фотоника.................................... 371
8.3.1. Современное состояние и тенденции развития...... 371
8.3.2. Оптоэлектронные системы накачки................. 373
8.3.3. Силовая оптика.................................. 374
8.4. Гелиоэнергетика....................................... 377
8.4.1. Современное состояние и тенденции развития...... 377
8.4.2. Особенности конструкции СЭ...................... 377
8.4.3. Физические и материаловедческие аспекты......... 379
8.4.4. СЭ в экстремальных условиях применения.......... 384
8. 5. Влияние дестабилизирующих факторов на
характеристикис оптоэлектронных приборов................... 385
8.5.1. Температурные эффекты........................... 385
8.5.1.1. Излучающие приборы........................ 386
8.5.1.2. Фотоприемники............................. 389
8.5.2. Деградационные явления.......................... 392
8.5.2.1. Излучающие приборы........................ 392
8.5.2.2. Фотоприемники............................. 398
8.5.3. Радиационные эффекты............................ 399
8.5.3.1. Излучающие приборы........................ 400
8.5.3.2. Фотоприемники............................. 402
8.6. Физико-технологические предпосылки новых оптоэлектронных
направлений................................................ 404
8.6.1. Физические аспекты.......................... 405
8.6.2. Технологические аспекты..................... 408
Литература......................................... 411
Библиографический список........................... 412
Предметный указатель........................................... 413
вишшгтш
• Журнал выпускается с февраля 1996 года, периодичность-восемь номеров в год, тираж - 17 тыс. экз.
Это единственное в России и странах СНГ издание, комплексно освещающее все основные направления
ЭЛЕКТРОНИКИ, понимаемой в широком смысле, как принято в мировой практике: от технологии и ком-
понентов до приборов и радиоэлектронных систем военного, гражданского и бытового назначения.
• Журнал независим от чьих-либо личных, корпоративных и ведомственных интересов, в чем находит под-
держку спонсоров и читателей.
• В составе Редакционного Совета журнала - ведущие ученые и специалисты в различных областях элек-
троники, в том числе академики и члены-корреспонденты РАН, руководители предприятий и фирм раз-
личных форм собственности.
РУБРИКИ ЖУРНАЛА
•Связь и телекоммуникации
•Компьютерная и информационная техника
•Элементная база электроники
•Контроль и измерения
•Бытовая электроника
Средства отображения информации
•Промышленная электроника
•Электроника для ТЭК
•Системы навигации
•Печатные платы
•Оптоэлектроника
•Медицинская техника
•Электроника и экология
•Системы безопасности
•Новые технологии
НАШ адрес- «Экономика + бизнес
•Военная электроника
ПОДПИСКА
• по каталогу “Газеты и журналы”
агентства “Роспечать", индексы:
71775 - полугодовой индекс
47299 - годовой индекс
• в объединенном каталоге
“Пресса России”
26037- полугодовой индекс
• в ООО “Вся пресса”
по тел.: (095) 257-9980
• в редакции журнала
потел.: (095)234-0110
125319, г. Москва, а/я 594.
ЗАО “РИЦ “Техносфера”
Телефон: (095) 234-0110
Факс: (095) 956-3346
Электроника для транспорта
•Системы проектирования
E-mail: joumal@electronics.ru
Http://www.electronics.ru
Средства отображения информации
•Управление качеством
•Выставки
•Книжные новинки
Предисловие
Резкое расширение круга областей применения, способность решать возникаю-
щие задачи нетрадиционными методами делают оптоэлектронику одним из наи-
более динамично развивающихся научно-технических направлений.
Ключевое место оптоэлектроники в информационных системах обусловлено
тем, что более 90% информации, которую получает человек, составляет видеоин-
формация. В связи с широким кругом применений в системах получения инфор-
мации, ее обработки, хранения, передачи и отображения, а также разнообразием
используемых материалов правомочной является постановка вопроса о целой гам-
ме оптоэлектронных технологий, включая индикаторные системы, формировате-
ли сигналов изображения, волоконно-оптические линии передачи информации,
преобразователи солнечной энергии, оптическую вычислительную технику [I].
Современная оптоэлектроника характеризуется большим разнообразием се-
рийно выпускаемой продукции (рис. 1), среди которой в стоимостном выражении
доминирует индикаторное направление[2,3].
Рис. 1. Структура мирового
рынка производства приборов
оптоэлектроники в денежном
исчислении (в %):
1 — индикаторные компонен-
ты; 2 — пассивные оптические
компоненты; 3 — оптические
соединители; 4 — солнечные
батареи; 5 — волоконные ли-
нии; 6 — гибридные приборы;
7 — фотоприёмники; 8 — опти-
ческие волокна; 9 — прочие
компоненты.
С учетом рыночной привлекательности ведущими оптоэлектронными фирма-
ми интенсивно прорабатывается вопрос о разработке нового массового продукта,
способного, в частности, заменить в персональных компьютерах мониторы на ос-
нове жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Много внимания уделяется также
фото- и видеотехнике, главным образом ПЗС-камерам.
Вместе с тем, несмотря на значительные успехи оптоэлектроники существует
точка зрения, что ее состояние на сегодняшний день можно сравнить с уровнем
развития электроники до изобретения транзистора. Как правило, в настоящее вре-
мя оптоэлектронная продукция продается в основном в виде дискретных элемен-
тов. Резкое расширение оптоэлектронного рынка ожидается после того, как про-
изойдут существенные изменения в функциональных характеристиках приборов.
К таким качественно новым оптоэлектронным изделиям можно отнести опто-
электронные компьютеры с архитектурой, подобной человеческому мозгу; стерео-
скопические системы, имитирующие характеристики человеческого зрения савто-
матическими распознаванием движущихся объектов. В соответствии с программ-
ным документом США «Defence Science and Technology Strategy;» [5] на ближайшую
перспективу планируется решение следующих ключевых проблем:
- разработка неохлаждаемых ИК-матриц фокальной плоскости для тепловизион-
ных систем (в том числе, многоцветных ИК-матриц с радиационно-стойкими
схемами считывания и обработки информации, ИК-матриц гибкой конструк-
ции, интегрированных многоцветных «интеллектуальных» ИК-матриц
- разработка монолитных индикаторных табло и экранов большого формата с вы-
соким разрешением, а также стереоскопических индикаторных систем;
- разработка монолитных оптоэлектронных приемо-передатчиков для оптичес-
ких меж соединений и систем связи, в частности т.н. солитонных систем связи со
скоростью передачи информации 100 Гбит/с.
Чрезвычайно перспективной считается коммерциализация информационных
мультимедиа- систем, в которых оптоэлектроника должна играть ключевую роль.
Ожидается, что она обеспечит создание широкополосных волоконно-оптических
систем связи, оптических запоминающих устройств большой емкости, рассматри-
ваемых в качестве приборного базиса зарождающейся мультимедийной инфраструк-
туры. В частности, фирмой ОТТ усиленно продвигается проект волоконно-опти-
ческой связи с домом/ РТТН, предполагающий экономичную установку волокон-
но-оптических абонентских сетей [б].
Футурологическое описание завтрашнего дня [7] подчеркивает все усиливаю-
щееся информационное обеспечение человека в мультимедийном обществе, в ко-
тором каждый будет иметь доступ к информационным источникам в любой точке
мира. При этом, как предполагается, главные изменения ждут нас не только в быту,
но и в бизнесе, индустрии и общественной деятельности. Разовьются новые виды
досуга: системы виртуальной реальности, виртуальные домашние театры или кру-
госветные путешествия и т.д. Гипермедиа-станции позволят перекрыть расстоя-
ния, время, языковые барьеры.
В настоящее время считается [8], что ключевыми компонентами таких мульти-
медийных информационных систем XXI века должны стать:
- высокоразрешающее телевидение (в соответствии с рекомендациями MPEG -2
оно должно обеспечивать сканирование экранов с форматом 1152 х 2048 элемен-
тов за такт при 30 тактах в секунду);
- сверхвысоко разрешающее телевидение (согласно рекомендациям MPEG-4 оно
должно сделать возможным сканирование экранов форматом 2048 х 2048 эле-
ментов за такт при 30 тактах в секунду);
- трехмерная компьютерная графика для систем виртуальной реальности.
С дальнейшим развитием технологии оптоэлектронных датчиков [9] становят-
ся реальными обработка и отображение не только видимых, но и рентгеновских,
УФ- и ИКизображений, а также ультразвуковых полей. Новые задачи, поставлен-
ные перед современной оптоэлектроникой, привели к формированию ее модер-
низированной концепции фотонно-ориентированной микроэлектроники [10]., ко-
торая должна развиваться как комбинация фотоники и электроники, используя до-
стижения каждого из этих направлений. В то же время на пути развития такой опто-
электроники стоит много барьеров, так как на данный, момент еще не представляет-
ся возможным столь же эффективно управлять фотонами, как электронами.
Помимо ключевых технологий, определяющих функциональные характерис-
тики и качество перспективной оптоэлектронной продукции, для успешной реа-
лизации массовой технологии указанных выше систем необходимо развитие цело-
го ряда базовых технологий и главным образом технологии создания новых типов
высокоэффективных полупроводниковых материалов и структур на их основе, вклю-
чая квантово-размерные структуры (структуры с квантовыми ямами, квантовыми
нитями и квантовыми точками).
Отличительной чертой оптоэлектроники как научно-технического направле-
ния является разнообразие используемых материалов, при этом в ближайшей
перспективе сохранится тенденция дальнейшего расширения гаммы применяе-
мых полупроводниковых структур. В рамках традиционной оптоэлектроники при
создании высокоэффективных оптоэлектронных структур в основном использо-
вались строго упорядоченные монокристаллические материалы. В то же время
существенное расширение рынка оптоэлектронной продукции и увеличение объе-
мов производства вызвали необходимость учета экономических факторов, осо-
бенно себестоимости продукции. Это, в свою очередь, заставило по-новому взгля-
нуть на неупорядоченные полупроводники с точки зрения как специфики проте-
кания в них физических процессов, так и разработки эффективной технологии
изготовления приборов. В связи с этим повышенный интерес вызывают аморф-
ные гидрогенизированные материалы. Одновременно с этим внимание разработ-
чиков наряду с неорганическими материалами начинают привлекать и органи-
ческие материалы, обладающие большим потенциалом с точки зрения оптоэлек-
тронных применений.
Сегодня технология новых типов оптоэлектронных материалов (в первую оче-
редь на основе многокомпонентных соединений А3 В5 и А2 В6) еще не достигла
уровня, требуемого для обеспечения высокоэффективного производства приборов
высокой степени интеграции. Это же относится и к разработке специального тех-
нологического, испытательного и измерительного оборудования. Таким образом,
для ускоренного развития оптоэлектроники необходим сбалансированный про-
гресс не только ключевых, но и периферийных технологии.
Ориентированность оптоэлектроники XXI века на системы получения, обра-
ботки, передачи, хранения и отображения больших массивов информации позво-
ляет сделать вывод о том, что магистральный путь ее развития лежит в русле интег-
ральной оптоэлектроники, частный случай которой отражает концепция фотон-
но-ориентированной микроэлектроники.
Одной из целей предлагаемой книги является попытка представить в сжатом
виде анализ перспективных оптоэлектронных технологий. Во избежание возмож-
ной субъективности в оценке перспективности той или иной технологии представ-
ляется целесообразным использовать ряд критериев, а именно:
- способность обеспечить широкий круг применений и ориентированность на круп-
ные секторы рынка оптоэлектронной продукции;
- возможность использования в качестве модельной для отработки общих вопро-
сов технологии и конструкции оптоэлектронных приборов;
- большая динамика развития в обозримой перспективе.
Одновременно с этим следует подчеркнуть, что современная оптоэлектроника
широко использует достижения различных областей науки и техники и предостав-
ляет широкие возможности для многоуровневого проектирования:
- проектирование и реализация оптоэлектронных сред с необходимым набором
физических свойств;
- проектирование и реализация приборных структур, способных обеспечить необ-
ходимые технические характеристики оптоэлектронных приборов;
- проектирование оптических микросистем;
- схемотехника применения оптоэлектронных приборов в сложных системах.
Отражением такого все проникающего проектирования на различных уровнях
является, например, и появление в англо-язычном научно-техническом лексиконе
такого понятия как проектирование зонной структуры (band structure engineering).
В связи с этим второй целью предлагаемого обзора перспективных оптоэлект-
ронных технологий является предоставление аналитического, графического, схе-
мотехнического инструментария и библиографического материала, которые мог-
ли бы быть использованы в профессиональной деятельности, при дальнейшем уг-
лубленном изучении рассматриваемого предмета, а также при самостоятельной
экспериментальной работе.
Литература
1. Ермаков О.Н.» Мартынов В.Н., // Материалы электрон, техники. 2001. №4. С. 4—8.
2. Mortensen Р. Focus Warld. 1994.V. 30. Р. 25—27.
3. NackR/11 Wire J/Intem. 1995. V.28. Р.40-41.
4. Watanabe Н/П Optoelectron.: dev. and technol. 1996. V. 11. P. 153—155.
5. Kiernan И. II Laser Focus World. 1994. V.30. P. 45—47.
6. EtoryA. //Optoelectron.: dev. and technol. 1996. V. 11. P. 146-148.
7. Ishida A.I I Ibid. 1966. V. 11. P. 156-158.
8. Nunoshita M. //Optoelectron.: dev. and technol. 1996. V. 11. P. 148—150.
9. Ермаков О.Н. II Обз. По электрон, технике. Сер. 2. Вып. 3 (1642). — М.: ЦНИИ «Электроника».
1991.-55 с.
10. Yamase Я.// Optoelectron.: dev. and technol. 1996. V. 11. P 148-150.
ГЛАВА!
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
И СТРУКТУРЫ
1.1. Введение
Современная оптоэлектроника характеризуется интенсивным поиском и освое-
нием широкого класса оптоэлектронных сред, включая монокристаллические,
аморфные, полимерные материалы, а также структур разнообразных типов (в
том числе квантово-размерных) на их основе.
Общим для такого разнообразия оптоэлектронных сред является то, что в них
существенную роль играют эффекты статистического беспорядка (композиционно-
го, топологического, дислокационного и т. д.). Важность локального влияния флук-
туаций возрастает по мере перехода к квантово-размерным структурам, при этом ло-
кальные флуктуации могут существенно влиять на приборные характеристики.
Наряду с этим важную роль в физике оптоэлектронных приборов играют квантово-
размерные эффекты, эффекты зонной структуры, эффекты микронапряжений и т. д.
Оптимальное проектирование структур и оптоэлектронных приборов должно
учитывать проявление перечисленных выше эффектов.
1.2. Локальные, структурные и композиционные
эффекты в оптоэлектронных средах
На первой стадии изучения и освоения твердых растворов как одного из первых
типов неупорядоченных систем плодотворной концепцией было т. н. приближе-
ние виртуального кристалла, пренебрегавшее возможным влиянием статистичес-
ких флуктуаций на характеристики полупроводниковых материалов. Вместе с тем
прогресс, достигнутый в последнее время в понимании физических процессов в
многокомпонентных твердых растворах, позволяет сделать вывод о том, что це-
лый ряд явлений в этих материалах может быть описан лишь с учетом эффектов
структурного и композиционного беспорядка. Приближение характерных разме-
ров активной области приборной структуры (при использовании сверхрешеток)
к размерам области локализации флуктуаций может приводить к существенному
влиянию локальных структурных и композиционных эффектов на характеристи-
ки оптоэлектронных приборов.
1.2.1. Характеристики локального расположения атомов
Согласно существующим представлениям основные типы нарушения упоря-
доченного расположения атомов относятся к различным модификациям ячеис-
того и топологического беспорядка (беспорядок замещения, магнитный, спект-
ральный, беспорядок в сетке связей).
При анализе явлений неупорядоченности обычно используются понятия даль-
него и ближнего порядка, при этом за степень (параметр) дальнего порядка при-
нимают величину:
П=р-Ц, (1-1)
где р (q) — доля атомов сорта А, занимающих правильное (неправильное) положе-
ние в кристаллической решетке.
При рассмотрении характера распределения атомов в ближайших координа-
ционных сферах (с центром в атоме А) полезным является введение параметра
ближнего порядка а.\
а = 1-(Р^/С„), (1.2)
где Р*в — вероятность нахождения атома В в z-той координационной сфере, Со-
относительная концентрация атомов В в твердом растворе. Из соотношения (1.2)
следует, что при а. < 0 (а> 0) ближайшими соседями являются разноименные (од-
ноименные) атомы. Таким образом, параметры а учитывают локальное упорядо-
чение атомов по сравнению с их хаотическим распределением.
Локальное упорядочение можно описать с помощью параметра упорядочения Ь.
Например, в случае бинарных твердых растворов вероятности нахождения атомов
двух типов (А, В) можно выразить через параметр упорядочения следующим обра-
зом:
РАА = 1-х + хР, (1.3)
Рвв = х + (1-х)0. (1.4)
Анализ экспериментальных данных по различным твердым растворам позво-
лил установить, что величина параметра Ь суперлинейно возрастает с увеличени-
ем рассогласования постоянных решетки Да/а исходных бинарных соединений,
образующих твердые растворы.
Важной характеристикой, во многом определяющей специфику протекания
физических процессов в неупорядоченных средах, является амплитуда флуктуа-
ций. В случае идеальных твердых растворов (т. е. твердых растворов с нулевым
рассогласованием постоянных решетки) значение квадрата Фурье-компонент
флуктуаций имеет вид:
<| C|2> = (1/MC(1-Q. (1.5)
Заслуживающим внимание фактом является то, что среднеквадратичная амп-
литуда флуктуаций состава твердых растворов типа Ах В} х С связана с важными
термодинамическими параметрами формирования твердых растворов:
<1 (Дх)2|> = (1/Л) {[х(1 -х)] [ 1 + 13,7 (Т/7)х(1 -х)]'}, (1-6)
где Тс — критическая температура, определяемая из соотношения 2 RTc = £2,
R — постоянная Больцмана, а 12- параметр взаимодействия в твердой фазе.
1.2.2. Влияние локальных флуктуаций на зонную структуру
Влияние примесей замещения в твердых растворах на их физические свойства
связано с рядом причин: различием потенциалов замещаемого и замещающего
атомов (локальное возмущение потенциала), различием геометрических размеров
этих атомов (деформация кристаллической решетки).
Эти факторы оказывают существенное влияние на композиционную зависимость
таких определяющих параметров, как ширина энергетических зазоров. Экспери-
ментально установленным фактом является нелинейный характер этой зависи-
мости, связанный с локальными флуктуациями состава твердых растворов и опи-
сываемый соотношением: '
Е=Е0+ах + Ьх(\-х). (1.7)
В рамках диэлектрической модели предполагается, что полное значение па-
раметра нелинейности в соотношении (1.7) слагается из составляющей прибли-
жения виртуального кристалла Ь. и составляющей Ьр связанной с локальными
флуктуациями потенциала в твердых растворах.
Учет эффектов статистического беспорядка позволяет объяснить эксперимен-
тально наблюдаемые композиционные зависимости величины расщепления ва-
лентной зоны в точках Г (Д^), L (Д7).
Существенным моментом является то, что нарушение трансляционной симмет-
рии кристалла вследствие хаотического расщепления энергетических состояний при-
водит к перемешиванию состояний валентной зоны и зоны проводимости в точке G,
при этом величина расщепления может быть определена из соотношений:
A = Aff/(l-y), (1.8)
где:
у=[х{1 -х) / АЁ0]С2^3 / Ёо=2/Ео^ \/ (Ео + А).
Аналогично наблюдаемому характеру зависимостей А (х) композиционные за-
висимости величины эффективных масс также носят нелинейный характер и мо-
гут быть выражены подобными же соотношениями.
Большинство экспериментальных данных по твердым растворам на основе соеди-
нений А3В5 и А2 В6 достаточно хорошо вписывается в рассмотренную выше квадратич-
ную интерполяционную схему. В то же время для ряда систем с катионно-анионным
замещением был установлен характер композиционной зависимости энергетичес-
ких зазоров, отличный от квадратичной зависимости. Указанное отклонение компо-
зиционной зависимости от квадратичной зависимости приписывается либо прояв-
лению эффекта упорядочения, либо проявлению избыточной концентрации ионов.
Локальное изменение состава твердых растворов вследствие хаотичного рас-
пределения атомов должно приводить к локальному изменению ширины запре-
щенной зоны в объеме радиуса А, содержащем N молекул, в соответствии с соот-
ношением:
SE=Ns(dE/dx)/(2R^. (1.9)
Детальный количественный анализ формы хвоста плотности состояний в зап-
рещенной зоне трехкомпонентных твердых растворов позволил установить, что
плотность состояний убывает в соответствии с соотношением:
1п[£(£)/£(0)] = -(£/£//2' (1.10)
где е - энергия, отсчитываемая вглубь запрещенной зоны от края зоны проводи-
мости, при этом величина £0 определяется соотношением:
£0= (1/178) [Д/^(1-х)2т ]/(Л7ЛО, (1.11)
где /Зс = d EJ d х, а тс - эффективная масса электрона.
Предполагается, что этот результат справедлив при любом составе в диапазо-
не 0 < х < 1 и при £ >> £0 как д ля хвоста зоны проводимости, так и для хвоста вален-
тной зоны (при соответствующей замене параметров зоны проводимости на па-
раметры валентной зоны).
1.2.3. Влияние эффектов беспорядка на оптические свойства
Не вдаваясь в подробный теоретический анализ особенностей оптических пере-
ходов в неупорядоченных полупроводниках, отметим лишь, что эффекты беспо-
рядка приводят к размытию резкой структуры спектров вещественной (е7) и мни-
мой (е2)компонент диэлектрической проницаемости в точках Ван-Хова.
На эмпирическом уровне присутствие случайного поля может быть одной из
причин, обусловливающих выполнение правила Урбаха. В области энергий, су-
щественно превышающих ширину запрещенной зоны, ассимптотическое выра-
жение для £2 имеет вид, обычный для неупорядоченного полупроводника:
е2(ш) = (Л/^(Лш-^)7/2. (1.12)
Последнее обстоятельство может быть связано с тем, что силы, действующие
со стороны гладкого случайного поля, практически не изменяют характер выпол-
нения закона сохранения квазиимпульса и тем самым практически не изменяют
вид плотности состояний глубоко в разрешенной зоне.
Естественно, наиболее сильное влияние локальные флуктуации состава могут
оказывать на спектры оптического поглощения узкозонных полупроводниковых
твердых растворов: в условиях, когда среднеквадратичная флуктуация случайного
потенциала сравнима с шириной запрещенной зоны, оптическая щель практи-
чески «захлопывается» и поглощение начинается с частот со = 0.
Спектры межзонной рекомбинации свободных электронно-дырочных пар в
прямозонных твердых растворах с флуктуациями состава должны иметь вид уши-
ренных полос, при этом их максимум должен быть смещен относительно ожида-
емого положения. Тем не менее многочисленные экспериментальные данные сви-
детельствуют о том, что в структурно совершенных прямозонных твердых раство-
рах А3В5 при достаточно высоких температурах спектры межзонной рекомбина-
ции по спектральной форме и ширине краевых полос практически совпадают со
спектрами бинарных соединений.
К числу нетривиальных эффектов, связанных с проявлением статистического
беспорядка в твердых растворах и позволяющих проверить модельные представле-
ния, относится проявление бесфононной (X) компоненты оптических переходов с
участием свободных Экситонов в спектрах люминесценции, поглощения, фотоот-
вета (ФО) непрямозонных твердых растворов в системе In—Ga—Р—As (рис. 1.1) [ 1 ].
В общем случае спектральная форма полос собственной экситонной люми-
несценции может быть описана соотношением [1]:
I(hv) (Av - £ + c)sexp[— (Av - £ + с) /кТ\] [ (Av - £ - Лг.х)+уЧ (1.13)
где с = hco^ в случае £Л-компоненты и с
свободных экситонов, Аш^ — энергия
LA — фонона, Дг х — энергетический за-
зор между Г- и Х-минимумами зоны
проводимости, у — параметр, учитыва-
ющий затухание в реальной физичес-
кой системе.
Из сопоставления представленных
на рис. 1.1 зависимостей видно, что рас-
чет и эксперимент хорошо согласуются
друг с другом, при этом вклад уширения
за счет статистических флуктуаций
крайне незначителен.
Большой объем полученных к на-
стоящему времени экспериментальных
данных позволяет выделить одну зако-
номерность: влияние статистических
флуктуаций проявляется наиболее
сильно в излучательных переходах с
участием локализованных носителей,
при этом степенш проявления эффек-
та возрастает по мере увеличения энер-
гии связи носителей.
О в случае бесфононной аннигиляции
Рис. 1.1. Экспериментальные (1—4, 1', 3') и
расчётные (2', 4') спектры электролюминес-
ценции (1,3, Г-4') и фотоответа (2,4) струк-
тур на основе Ga As0 53 Р047 (Г, 2'),
Ga 2> 3'’ 4') И Ga *0.23 Р0,77 (3, 4)
приТ=77К{1}
1.2.4. Эффекты зонной структуры
В проведенном выше рассмотрении влияния изменения зонной структуры на ха-
рактер собственной экситонной рекомбинации в твердых растворах обращает на
себя внимание тот факт, что по мере увеличения у в Ga As 1у Ру наблюдается возра-
стание соотношения бесфононной и £Л-компонент в спектрах люминесценции,
в то время как в спектрах фотоответа наблюдается обратная картина. Указанная
зависимость носит резонансный характер и описывается соотношением:
1х/1х-ьа = Л^^У^~ ^)[ И г_х + h(tf + /]} [ Л2Г_Х +/]-', (1.14)
где А (Т) - коэффициент, зависящий от температуры.
Расчет в соответствии с соотношением (1.14) дает хорошее соответствие с эк-
спериментальными данными (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Композиционные зави-
симости отношения интенсив-
ностей бесфононной и LA - ком-
понент (1,2) и полуширины Dl/2
Х-полосы люминесценции (3) в
спектрах поглощения (2) и лю-
минесценции (1, 3) [1]
Принципиальное значение имеет и тот факт, что в рассматриваемом случае
прямое использование соотношения Ван Русбрека-Шокли, полученного на ос-
новании принципа детального равновесия, невозможно.
Особого рассмотрения заслуживает коэффициент А (Т) в выражении (1.14),
который дается соотношением:
А(Т)=А0[ exp (hco^/kT)— 1 ] [ exp (hco^/kT) Г .
(1.15)
Слабая температурная зависимость Л (7) при температурах ниже 77 К позво-
ляет сравнивать экспериментальные данные, полученные для разных материалов
и необходимые для выявления факторов, влияющих на величину коэффициента
Ао, определяющего интенсивность бесфононной компоненты собственной экси-
тонной рекомбинации.
В настоящее время существуют две основные точки зрения относительно факто-
ра, влияющего на величину потенциала рассеяния, определяющего интенсивность
бесфононной полосы.
С одной стороны, предполагается, что коэффициент Ао пропорционален
(d£^/ dx)2. С другой точки зрения считается, что значение Ао пропорционально
квадрату параметра Костера—Слетера, который пропорционален разности элект-
роотрицательностей (ДХ) замещаемого и замещающего атомов в твердом раство-
ре. Экспериментальные данные для различных систем твердых растворов, харак-
теризующие интенсивность бесфононной полосы рекомбинации свободных эк-
ситонов, приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Параметры, характеризующие интенсивность бесфононного
рассеяния в различных системах твердых растворов.
Соединения dEe/dx, мэВ/мол % ДХ Ao
InGaP 1,6 0,14 2,1
GaAlP 1,4 0,05 2,5
GaAlAs 4,1 0,05 -
GaAsP 5,7 0,07 6,3
GeSi 11 0,06 50
Как видно из таблицы 1.2, не наблюдается четкой корреляции между значе-
ниями ДХи параметром Ао. Одновременно с этим в достаточно широком диапазо-
не изменения dEg /dx = 1,4 — 5,7 мэв/мол % значение Ао изменяется существенно
слабее, чем (dE, /dx)2. Можно предполагать, что в потенциал рассеяния свобод-
ных экситонов вносит вклад как локальное возмущение, связанное с различием
параметров замещающего и замещаемого атомов (электроотрицательность, ко-
валентный радиус), так и влияние локальных флуктуаций положения энергети-
ческих зон твердых растворов.
Проведенное выше рассмотрение влияния локальных флуктуаций на опти-
ческие процессы с участием свободных экситонов в твердых растворах является
лишь одним из примеров и далеко не исчерпывает всего многообразия эффектов,
к которым приводит проявление неупорядоченности в кристаллических систе-
мах. В качестве другого интересного примера следует упомянуть явление автоло-
кализации свободных экситонов на статистических флуктуациях потенциала в
твердых растворах.
В заключение следует также отметить, что рассмотренное выше резонансное
усиление как бесфононной, так и £Л-компоненты излучательной рекомбинации
экситонов наблюдается по мере приближения к границе перехода от непрямой к
прямой структуре энергетических зон и иллюстрирует собой один из т. н. эффек-
тов зонной структуры (ЭЗС), которые эффективно применяются при проектиро-
вании и разработке оптоэлектронных приборов.
Подобное же резонансное усиление испытывают и другие механизмы излуча-
тельной рекомбинации в твердых растворах (в частности, излучательные переходы
с участием экситонов, связанных на нейтральных донорах, изоэлектронных цен-
трах, излучательные переходы с участием нейтральных доноров и донорно-акцеп-
торных пар). При этом, как было установлено многочисленными эксперимен-
тальными исследованиями, по мере возрастания энергии связи носителей сте-
пень проявления резонансного усиления уменьшается и его композиционная за-
висимость уширяется.
Использование ЭЗС в твердых растворах резко расширяет возможности раз-
работчиков на стадии проектирования материалов для оптоэлектронных прибо-
ров, но не ограничивает полностью набор имеющихся средств.
При теоретическом анализе резонансных явлений будем следовать результа-
там работы [2]. В общем случае теоретическая задача определения параметров ре-
зонанса сводится к нахождению параметров сечения рассеяния в теории рассея-
ния. При этом в общем виде применительно к рассеянию примесными центрами
наиболее адекватно задача определения сечения рассеяния может быть рассмот-
рена с использованием формализма функций Грина, в соответствии с которым
можно показать, что сечение рассеяния может быть выражено соотношением:
W2r g(g)
4л- J |_l-£oG(O)
(1.16)
Здесь Ио — примесный потенциал; 12 — объем элементарной ячейки; G — функция
Грина.
Используя это соотношение, легко показать, что вблизи резонанса сечение
рассеяния может быть представлено в виде известного соотношения Брейта—Виг-
нера:
а Q2 _____________________|я(^Гг2___________
64л- G(E0) (£_£j2 +^2(ImG(£))2/^ReG(£)^ • (1-17)
При этом:
2л-| ImG(E).|ReG(£)||
Г =-------------------У—
( 7 Л >( 7 • (118)
ReG(E) +л-2 ImG(£)
Здесь: Re G (Е) и Im G (Е) — соответственно действительная и мнимая части фун-
кции Грина, а функция g (q) дается соотношением:
s{q0)=
P>P\+P}
а\а1Рз + а\азРг + aiaiP\
(119)
Здесь а( Д. — проекции (kV1)2 и (к V) в системе координат, диагонализирующей (kV2).
В соответствии с приведенным соотношением положение резонанса смещено от-
носительно энергии £0 на величину:
Er Eq
(1.20)
Из приведенных соотношений следует, что, во-первых, положение резонанса
смещено относительно £0 и, во-вторых, величина смещения и параметр затуха-
ния резонанса связаны друг с другом.
Приведенные выше формулы носят достаточно абстрактный характер. Более нагляд-
ный вид они принимают при использовании выражений для функций Грина примени-
тельно к модельному примеру резонансного усиления оптических переходов с участием
изоэлектронных центров азота, когда для коэффициента поглощения можно записать:
Nn -16л-2/
а=--------------2--------
рЛр’ЛФ.О/ ^(Eg+A)2 (1-21)
И в рассматриваемом случае наиболее последовательный анализ может быть про-
веден с использованием функций Грина. В этом случае волновая функция элект-
рона, локализованного на атоме азота, описывается соотношением:
^=hn'l2G(EN^Ec-EN+ir exp(-^e)v<(*,r)dr. (1.22)
Здесь у— параметр уширения, при этом функция Грина принимает вид:
О f 1
= е/'-'е;+7у’ ехр[Л(Я,-Я)]сРЛ. (1.23)
Для волновой функции дырки в состоянии 15 используем известное соотноше-
ние:
ф/(*)=(243/2
8 1
л (к2 +а'2^ ’
(1.24)
Tl2^2 mcmv
а =----Г’ V =—
ре mc+mv
Выполняя интегрирование с использованием соотношений (1.22,1.23), при-
ходим к выражению для коэффициента поглощения на центрах азота:
aN
(1.25)
С целью установления истинного характера резонанса принципиально важно
определить энергетическую зависимость Im G (Е). Предполагая, что величина g
мала, легко показать, что:
У
ImG(E)
pm,(E„-£r)Y/2
I n2 J
(1.26)
В этом случае, вводя обозначение х = 2 тс (EN — Е^/2, находим, что величина а
может быть описана функцией вида:
а = f(x)x1/2x1/2[x1/2 +а
(1.27)
Используя уравнение (1.27), легко убедиться, что положение резонанса, оп-
ределяемое из условия d f/ dx=0, дается соотношением х = 1/9 а2. Таким образом,
положение резонанса смещено относительно значения х = 0, при этом вблизи
резонанса выражение для а может быть представлено в виде соотношения, анало-
гичного соотношению Брейта—Вигнера:
+ Г2
(1.28)
Здесь: Г = (/"//),/2.
Представляется интересным установить, каким образом вид волновой функ-
ции локализованного носителя влияет на характер резонанса. Для этого последо-
вательно рассмотрим выражения, когда волновая функция локализованных но-
сителей описывается соотношениями, справедливыми для промежуточных цент-
ров и водородоподобных примесей.
В случае промежуточных центров используем для волновой функции элект-
рона выражение вида:
ф (П-сГ ехр(~^)
Л 1 (е -ed)312 ^(ftr)dr- (L29)
В качестве волновой функции дырки вновь используем выражение для ls-co-
стояния. Выполняя процедуру интегрирования, находим:
С2 д/Д-дГ2 За'
(д-а“2)4 а 1 л/Д-л’2
(1.30)
. _ 2т с (Ed Ег )
п2
Для нормировочной константы имеет место выражение:
2me(ED -ЕГ)Т'2
(1.31)
Наличие в формуле (1.30) выражения (Л - а-2)4 не вызывает расходимость вбли-
зи Л ~ а~2. В этом легко убедиться, используя разложение arctgx вблизи х = 0. При
этом выражение для а сводится к соотношению вида:
А-а 2
а2
а -
(132)
Здесь Св =0,8, a yD = 0,4.
В случае водородоподобных центров для волновой функции локализованно-
го электрона имеет место соотношение:
1
(Е -Е )2 ехР(’/ЛЛ)^(^г)^.
(1.33)
Для волновой функции дырки вновь используем соотношение для 15-состояния
и, выполняя процедуру интегрирования, находим:
(1.34)
При этом для нормировочной константы имеет место выражение:
2тс
L п
5/2
(1.35)
(^D )
С учетом х = А выражение для а может быть представлено в виде:
а = /(х)= х372^'1+х1/2) 6- (1.36)
В этом случае условие резонанса d f/d х =0 приводит к соотношению Л= а~2
Дальнейшее усложнение картины резонансного усиления оптических пере-
ходов возникает из-за влияния статистических флуктуаций состава твердых ра-
створов Ах2 -х (1-х), которые приводят к локальным флуктуациям ширины зап-
рещенной зоны АЕ2 ~ (dEg /<&)Ах2 •
Учитывая процессы, обусловленные экситонами, связанными на центрах азо-
та, и флуктуации ширины запрещенной зоны уф, получаем соотношение:
При А =0 находим:
а~ [а 2 +д/2ачл//7]' • (L38)
Рассмотрим два предельных случая Л уф и уф Л. При уф находим:
(1.39а)
При Л << уф выражение (1.37) может быть аппроксимировано соотношением:
а
____-| -2
'А + /ф + V2a4 j - /ф
(1.396)
Из приведенных уравнений следует, что в общем случае локальные флуктуа-
ции ширины запрещенной зоны вызывают как смещение положения резонанса,
так и увеличение параметра затухания.
Следует отметить, что в ряде случаев доминирующим эффектом уширения яв-
ляется не столько процесс, обусловленный флуктуациями запрещенной зоны,
сколько процесс, связанный с резким уширением примесных уровней. Особенно
сильно этот эффект должен проявляться в случае глубоких центров, где велика
степень локализации носителей. В частности, это имеет место в случае твердых
растворов, легированных изоэлектронной примесью азота.
1.2.5. Квантово-размерные эффекты
Другая интересная возможность использования ЭЗС предоставляется разработчику на
стадии проектирования структур. В связи с этим кратко рассмотрим особенности зонной
структуры полупроводниковых сверхрешеток, представляющих собой квантово-
размерные системы в виде набора из чередующихся ультратонких (1—100 нм) слоев
различных полупроводниковых материалов.
С точки зрения характера энергетической зонной структуры можно выделить три
основные типа сверхрешеток [3]:
• сверхрешетки, у которых минимум зоны проводимости (Ес(1)) и максимум ва-
лентной зоны (£//;)одного полупроводника на энергетической шкале распола-
гаются внутри запрещенной зоны другого полупроводника (рис. 1.3 а);
• сверхрешетки, у которых минимум зоны проводимости (Ес(1)) одного полупро-
водника на энергетической шкале располагается ниже, чем максимум валент-
ной зоны (Е^ другого (рис. 1.3. б);
• сверхрешетки, у которых минимум зоны проводимости одного полупроводни-
ка (Ес(1)) на энергетической шкале располагается в запрещенной зоне другого, а
максимум валентной зоны второго материала (Ev(P)) — в запрещенной зоне
(Е/,;)первого (рис. 1.3.в).
Расчет зонной структуры и характера дисперсионных зависимостей представляет со-
бой далеко нетривиальную задачу Не вдаваясь в детали расчетной процедуры рассмот-
рим лишь основные результаты на примере сверхрешеток типа I, представляющих собой
такое периодическое чередование слоев
двух полупроводников с толщиной dt и dn
, с шириной запрещенной зоны Egl и Egn ,
при котором возникает периодическая си-
стема квантовых ям для носителей заря-
да, образованных первым полупроводни-
ком, которые разделены квантовыми ба-
рьерами на основе второго полупроводни-
ка. При этом глубина квантовых ям для
электронов и дырок определяется соответ-
ственно соотношениями Д=ЕП — Е1. Д
С С С ’ V
= £1—Evn. При этом дисперсионная зави-
симость для возникающих минизон в при-
ближении сильной связи может быть опи-
сана соотношением:
£ . (Л) = £^. - Д. (dn) cos (Ь/),(1.40)
где kz - проекция квазиимпульса на ось
Z, |Д (Лр1 — ширинау-минизоны, кото-
рая сильно зависит от ширины барьера
d^ Если ширина барьеров невелика (< 5
нм), то минизоны имеют заметную ши-
рину для движения вдоль оси сверхре-
шетки. Таким образом, изменяя шири-
с(И)
j и I I L
Рис. 1.3. Энергетическая структура сверхешё
ток типа I (а), типа II (б) и типа III (в) [3].
ну квантовых ям можно задать необходимое положение минизоны, а выбором ши-
рины барьера dn — ее ширину.
1.2.6. Эффекты микронапряжений
С точки зрения разработки воспроизводимой технологии получения структурно
совершенных твердых растворов важное значение имеет выбор области фазовой
диаграммы, далекой от области несмешиваемости, при этом важное значение име-
ет такой параметр, как критическая температура Т. Ранее (в разделе 1.2.1) уже
отмечалось, что величина этого параметра влияет на амплитуду флуктуаций в твер-
дых растворах. Подробный анализ термодинамических аспектов синтеза твердых
растворов выходит за рамки этой книги, поэтому достаточно лишь отметить, что
решающее влияние на возможность возникновения областей несмешиваемости,
приводящих к фазовому расслоению, оказывает большая величина параметра вза-
имодействия в твердой фазе 12, который в свою очередь сильно зависит от величи-
ны рассогласования постоянных решетки исходных бинарных соединений.
Упругие напряжения в системе подложка / слой при определенных условиях
могут приводить к проявлению эффекта псевдоморфизма, заключающегося в при-
способлении постоянной решетки растущего слоя к постоянной решетки под-
ложки, деформируя таким образом изотермы солидуса.
Применительно к системе А]х Вх С это может приводить к отклонению состава
кристаллизующегося слоя х от его термодинамически равновесного значения х( и
его стабилизации вблизи значения х0, соответствующего идеальному соответствию
постоянных слоя и подложки. Впервые этот эффект экспериментально наблюдал-
ся при синтезе слоев Int_х Gax Р. В рамках простой модели может быть показано, что
связь между х, х(, х0 в области проявления эффекта дается соотношением:
x~x0+{\RT/х0( 1 - х.)] -2X2} {[ (RT/Oxo (1 - х,)] - 2£2 +2kh}~' (х - х0), (1.41)
где £2 и к — соответственно параметр взаимодействия в твердой фазе и коэффици-
ент, учитывающий упругие напряжения на границе между слоем и подложкой.
В соответствии с приведенным соотношением наиболее сильно этот эффект про-
является при х0 = 0,5, а при х0 = 0 и 1 он не проявляется, при этом усилению эффекта
способствует понижение температуры кристаллизации. При эпитаксии In ] х Gax Р на
подложках 6о4у гомогенные слои получаются лишь при | х - х01 < 0,03, в то время как
при эпитаксии на подложках GaP достаточно совершенные слои получаются при
I х - х01 ~ 0,1. Негомогенность эпитаксиальных слоев за пределами области стабилиза-
ции связана с тем, что переход от области псевдоморфизма к области упругой релакса-
ции осуществляется скачкообразно, что приводит к резкому нарушению равновесия
на границе раздела. Важным параметром эффекта стабилизации состава является кри-
тическая толщина слоя за пределами которой происходит упругая релаксация.
Упругие напряжения в растущем слое могут приводить к такому интересному
явлению как автомодуляция состава твердых растворов с формированием есте-
ственных сверхрешеток с характерной амплитудой около 1% и периодом 10—400
нм. Скачкообразное изменение состава в процессе роста вызывается автоколеба-
тельным механизмом, при этом при газофазной эпитаксии автоколебательный
механизм начинает действовать с момента начала кристаллизации, а при жидко-
стной эпитаксии — постепенно.
Помимо естественных процессов самоформирования локальных структур в
процессе синтеза особый интерес представляет возможность управления эффек-
тами микронапряжений для улучшения характеристик оптоэлектронных прибо-
ров и, в первую очередь, ЛД.
В связи с этим, как оказывается, принципиальный характер играет влияние
механических микронапряжений на структуру валентных подзон прямозонных
полупроводников с тетраэдрической координацией [5,6].
В каждом рассматриваемом случае самая нижняя зона проводимости имеет
практически параболический характер вблизи центра зоны Бриллюэна и описы-
ваются обычным для этого случая дисперсионным соотношением. В то же время
характеристики полупроводниковых лазеров на основе соединений А3 В5 в значи-
тельной степени определяются характером зонной структуры валентных подзон.
Подзоны легких и тяжелых дырок вырождены в центре зоны в точке G, в то время
как спин - орбитально отщепленная подзона лежит ниже двух самых высоких
подзон на энергетическом расстоянии D. Ненапряженная объемная структура
имеет ряд недостатков с точки зрения использования в лазерах, к числу которых
относятся:
• Эффективные массы электронов в зоне проводимости соединений А3 В5 малы, в
то время как эффективные массы тяжелых дырок велики, что приводит к боль-
шой плотности состояний валентной зоны и т. о вызывает необходимость боль-
шой концентрации носителей для достижения инверсии заселенности;
• Из-за вырождения подзон тяжелых и легких дырок в максимуме валентной зоны
обе подзоны при определенном уровне возбуждения будут находиться в состоя-
нии инверсии заселенности. При этом в то время, как концентрация носителей
в подзоне легких дырок намного меньше, чем в подзоне тяжелых дырок, време-
на рекомбинации в этой подзоне меньше и обе подзоны дают примерно одина-
ковый вклад в плотность излучательного тока, хотя только одна компонента дает
доминирующий вклад в стимулированное излучение лазерного пучка;
• В случае ненапряженных структур поляризация спонтанной эмиссии и усиле-
ния полностью изотропны, что приводит к увеличению концентрации носите-
лей и плотности тока, которые необходимы для достижения порога генерации.
С учетом отмеченных недостатков основные требования к идеальному лазеру
можно сформулировать следующим образом:
• должна быть только одна подзона в максимуме валентной зоны;
• эффективная масса дырок должна быть равна эффективной массе электронов;
• в области токов, превышающих ток прозрачности, поляризация усиления дол-
жна быть анизотропной, при этом спонтанная эмиссия должна быть подавлена
по всем направлениям за исключением оси, вдоль которой она дает вклад в сти-
мулированное излучение.
Эти требования в значительной степени могут быть удовлетворены в ЛД на
основе напряженных квантово-размерных структур.
В основе используемого подхода лежит то, что любое напряжение нарушает куби-
ческую симметрию полупроводниковой кристаллической решетки за счет введения тет-
раэдрического искажения, которое приводит к снятию вырождения состояний легких и
тяжелых дырок в максимуме валентной зоны в точке Г, при этом типичная величина
расщепления составляет 60—80 мэВ при рассогласовании постоянных решетки величи-
ной в 12%. Возникающая при этом структура валентных подзон является сильно анизот-
ропной, при этом в направлении, перпендикулярном оси напряжения подзона характе-
ризуется большой эффективной массой, в то время как в перпендикулярном направле-
нии подзона характеризуется малой величиной эффективной массы. Одновременно с
этим анизотропными становятся также и поляризация и спонтанная эмиссия. В свою
очередь, анизотропия зонной структуры приводит к уменьшению плотности состояний
в максимуме валентной зоны. В случае квантово-размерных структуризменяется эффек-
тивная масса вдоль направления напряжения в плоскости квантовой ямы, что эквива-
лентно направлению роста структур, определяет энергию ограничения. Ожидается за-
метное уменьшение в плотности состояний валентной зоны в сжато-напряженных кван-
товых ямах, что продемонстрировано экспериментально: эффективная масса дырок
уменьшается по сравнению с объемной величиной (на уровне более 0,5) вплоть до вели-
чины 0,155 в сжато-напряженных квантовых ямах InGaP. Более сложная ситуация имеет
место в растянуто-напряженных квантовых ямах. В согласованных по постоянным
решетки структурах квантово-размерное ограничение приводит к максимуму ва-
лентной зоны подзону тяжелых дырок. Использование умеренного растягиваю-
щего напряжения может привести к адекватному вкладу как легких, так и тяже-
лых дырок, при этом эффект перемешивания зонных состояний может привести
к характеру дисперсии, подобному тому, который наблюдается в случае электро-
нов. В то же время при еще больших растягивающих напряжениях ситуация мо-
жет измениться на противоположную.
Детальный теоретический анализ рассматриваемых эффектов, связанных с ва-
лентными подзонами, возможен в рамках квантово-механического рассмотрения
с использованием 6x6 гамильтониана Латтинджера—Кона, что выходит за рамки
данной книги. Резюмируя сказанное выше достаточно сказать, что введение лю-
бого напряжения приводит к уменьшению излучательного тока по сравнению с
ненапряженными структурами.
Зависимость плотности тока прозрачности от механического напряжения име-
ет резонансный характер, при этом пиковое усиление для сжимающего двухосно-
го напряжения имеет Т£-поляризацию (S >0), в то время как в случае двухосного
растяжения (S < 0) оно имеет ТА/-поляризацию.
1.3. Полупроводниковые твердые растворы
1.3.1. Сравнительный анализ свойств соединений А3 В5 и А2 В6
В настоящее время полупроводниковой оптоэлектроникой востребован широкий
класс полупроводниковых материалов и, в первую очередь, соединения А3В5 и А2
В6, при этом в силу ряда причин соединения А2 В6 использовались в основном для
изготовления фотоприемников (позже в главе 6 мы вновь обратимся к узкозон-
ным соединениям А2 Вб в связи с тепловизионными фотоприемниками), в то время
как соединения А3 В5 с успехом использовались для изготовления как излучаю-
щих приборов, так и фотоприемников. Связь между шириной запрещенной зоны
и постоянной решетки ряда соединений и иллюстрируется рис. 1.4.
Широкое использование соединений А3 В5 и А2 В6 обусловлено как высокой
эффективностью оптических процес-
сов в этих материалах, так и широким
диапазоном изменения их свойств. В то
же время между соединениями А3 В5 и
А2 В6 имеется ряд важных различий
(таблица 1.3).
Рис. 1.4. Связь между шириной запрещён-
ной зоны и постоянной решётки ряда соеди-
нений А3В5 и А2# и их твёрдых растворов. На
вставке: условие согласования постоянных
решётки GaAs и твёрдых растворов соедине-
ний А2В6\Т\.
Таблица 1.3. Сводка основных параметров соединений GaAs и ZnSe.
Материал GaAs ZnSe
Постоянная решетки, нм 0,56532 0,56681
Степень ионности 0,32 0,63
£, эВ 1,4 2,7
тп> т0 0,063 0,16
mh, т0 0,5 0,67
е 13,1 8,66
п 3,62 2,83
Энергия связи экситона, мэВ 5 22
Боровский радиус, нм 14 3,5
В приведенной таблице на примере GaAs и ZnSe суммированы основные важ-
ные различия между соединениями А3 В5 и А2 В6. Из представленных данных видно,
что указанные соединения обладают близкими по величине постоянными решетки
и в то же время существенно отличаются по другим характеристикам. В частности,
ZnSe является более мягким материалом, в который легче вводятся различные типы
дефектов. Соединения А2 В6 обладают большей степенью ионности, что, в свою оче-
редь, вызывает существенные проблемы при формировании контактов.
J В отличие от большинства соединений А3 В5 соединения А2 В6 имеют структу-
ру вюрцита. Для некоторых из них, например CdS, такой тип структуры является
стабильным, в то время как структура сфалерита является метастабильной. В слу-
чае ZnSe структура сфалерита является стабильной, однако одновременно с этим
возможно формирование областей со структурой вюрцита в матрице сфалерита.
Электрические и оптические свойства соединений А2 В6 также отличаются от
соединений А3 В5. Большие эффективные массы электронов и дырок, а также мень-
шая величина диэлектрической постоянной приводят к большей энергии связи
экситонов в соединениях А2 В6. Кроме того в отличие от соединений А3 В5 лазер-
ная генерация в соединениях А2 В6 имеет экситонную природу.
В то же время, по-видимому, именно успехи в области синтеза широкого круга
твердых растворов А3 В5 и при-
борных структур на их основе в
сочетании с высокими опти-
ческими характеристиками
этих материалов во многом оп-
ределили современный харак-
тер развития оптоэлектроники.
Рис. 1.5. Связь между шириной
запрещённой зоны и постоян-
ной решётки основных твёрдых
растворов А3 В5, используемых в
оптоэлектронике.
2—2735
Схематически связь между шириной запрещенной зоны и постоянной решетки
основных используемых в настоящее время твердых растворов А3 В5 представлена
на рис. 1.5.
Существенным недостатком большинства трехкомпонентных твердых раство-
ров, используемых в оптоэлектронике, является существенная композиционная
зависимость постоянной решетки, что препятствует практической реализации
кристаллически совершенных гетероструктур. Четырехкомпонентные системы по-
зволяют преодолеть этот недостаток, поскольку в этом случае оказывается воз-
можным варьировать ширину запрещенной зоны без изменения постоянной ре-
шетки.
1.3.2. Твердые растворы в системе In—Ga—As—Р
Благодаря широкому приборному применению и связанным с этим обширными
экспериментальным и теоретическими исследованиями твердые растворы в
системе In—Ga—Р—As в определенном смысле можно рассматривать как модельную
систему. Использование интерполяционной процедуры в предположении спра-
ведливости закона Вегарда позволяет получить для композиционной зависимости
постоянной решетки твердых растворов frij_х Gax Pt As следующее соотношение:
a (x,z) = 5,451 + 0,4184 (1 - х) + 0,2024 z- 0,0137 (1 - х) z. (1.42)
Возможный разброс экспериментальных значений постоянной решетки в твер-
дых растворах, полученных различными методами эпитаксиального выращива-
ния и на различных подложках может быть связан с упругой деформацией, воз-
никающей вследствие композиционной зависимости коэффициента термичес-
кого расширения, которая описывается соотношением:
fi(x,z) = [ 5,16 (1 -х) г + 4,75 (1 — х) (1 — z) + 6,63гх+ 5,91 х(1-^] Ю’^С. (1.43)
Значительная область составов твердых растворов характеризуется прямым
типом зонной структуры, что обеспечивает эффективную генерацию излучения в
широкой спектральной области от видимого до ИК-диапазона спектра.
В аналитической форме композиционные зависимости ширины прямой и не-
прямой запрещенной зоны при Т= 79 К могут быть аппроксимированы соотно-
шениями:
E/(x,z) =-0,328 + 1,084 х + 0,758 х2 + 1,543 (1 -z) + (1.44)
+ 0,210(1 - г)2 + 0,390х (1 -г),
Е/ (x,z) = 1,884 - 0,107 х + 0,203 х2 + 0,280 (1 - г) + (1.45)
+ 0,210 (1 — г)2 — 0, 137х(1 -г).
Из соотношений (1.44) и (1.45) следует, что область составов, соответствующих
переходу от прямой к непрямой структуре энергетических зон в рассматриваемой
системе, описывается уравнением:
1,191 х + 0,555 х^ + 1,262 (1 -z)-0, 253 х (1 - г) = 2,222.
(1.46)
В связи с проблемами, связанными с оптимальным проектированием ряда оп-
тоэлектронных приборов и, в первую очередь, ЛД важной является композици-
онная зависимость спин-орбитального расщепления валентных подзон, которая
для твердых растворов, изопериодических 1пР, описывается соотношением:
Ло= 0,11 + 0,31 (1— Z) - 0,09 (1 - z)2 • (1.47)
Интерполяционная процедура является достаточно продуктивным методом,
позволяющим получить оценочные соотношения для многих параметров твер-
дых растворов, в частности, для диэлектрической постоянной и показателя пре-
ломления:
£ (x,z) = (1 -Z) [8,4(1 -x) + 9,6x]+z[ 1,31 (1 -X) + 12,2 х], (1.48)
п (х, z) = 3,52 (1 — х) z + 3,39 (1 — х) (1 — z) + 3,60 xz + 3,56 х (1 — z)- (1.49)
Помимо энергетических и оптических характеристик важное значение при про-
ектировании широкого класса оптоэлектронных приборов имеет определение эф-
фективных масс носителей заряда в рассматриваемых твердых растворах. Суще-
ственное различие эффективных масс электронов в Г— минимуме зоны проводи-
мости в исходных бинарных соединениях приводит к композиционной зависимос-
ти этого параметра, которая приблизительно согласуется с соотношением:
т г=0905Егт . (1.50)
где Е г — ширина прямой запрещенной зоны, выраженная в эВ.
Использование интерполяционной процедуры позволяет получить компози-
ционную зависимость тпг в виде:
тпг = (0,078 + 0,042 х - 0,55 z). (1.51)
Сходный характер валентной зоны в исходных бинарных соединениях приводит
к слабой зависимости эффективных масс дырок в твердых растворах In] х GaxAsz Р
Композиционные зависимости эффективных масс легких (mlh) и тяжелых (/илл)
дырок в рассматриваемой системе даются соотношениями:
/п/л = {(1 -z) [0,14x4-0,12(1 -х)] + [0,082x4- 0,026 (1 -х)]}^, (1.52)
/иЛА = {(1-^) [0,79х+0,45(1 -х)] + [0,45х+0,4(1 - х)]}/и„. (1.53)
Представленные данные позволяют перейти к более подробному рассмотрению
приборных аспектов использования твердых растворов в системе In—Ga—As— Р.
Интерес исследователей к разработке на основе рассматриваемых твердых ра-
створов источников спонтанного излучения в видимой области спектра обуслов-
лен тем, что в рассматриваемой системе межзонные переходы возможны в широ-
ком спектральном диапазоне от ИК до желто-зеленой области спектра.
Теоретические расчеты зависимости удельной яркости [8] электролюминесцен-
ции от состава твердых растворов показывают, что максимальная яркость элект-
ролюминесценции в системе In—Ga—P достигается в оранжевой области спектра
(Л = 610 нм) и составляет 8200 кд/ м2 А см -2, что существенно больше соответ-
ствующих значений 380 и 62 кд/ м2 А см “2 соответственно для системы Ga—As—Р и
для системы Al—Ga—As.
С точки зрения промышленной технологии светоизлучающих структур, по-ви-
димому, наибольший интерес представляют результаты, полученные на эпитакси-
альных структурах, полученных эпитаксией из газовой фазы. Максимальная яр-
кость электролюминесценции в структурах, полученных эпитаксией из газовой фазы
и излучающих в оранжевой области спектра, составляет 2500 кд/м2 А см -2[9].
Использование твердых растворов InGaAsP, изопериодических Ga As06 Р04 позво-
ляет варьировать цвет электролюминесценции от желто-зеленого (Л = 572 нм) до
красного (Л = 650 нм) за счет изменения содержания As в твердых растворах. Вне-
шний квантовый выход электролюминесценции изменяется при варьировании
состава изопериодических твердых растворов от In029 Ga0 71 Р № Ga As06P04 в диа-
пазоне от 0,01 до 0,1 %, что может быть связано с увеличением энергетического
зазора между прямым (Г/) и непрямым (%/) минимумами зоны проводимости.
При получении длинноволновых источников излучения на основе твердых
растворов InGaAsP могут использоваться материалы, изопериодические как GaAs,
так и 1пР. В первом случае спектральный диапазон, перекрываемый структурами
InGaAsP, охватывает красную и ближнюю ИК-области спектра (/ = 655 — 880 нм).
Для указанного спектрального диапазона в настоящее время существует разрабо-
танная технология получения гетероструктур GaAlAs. Тем не менее, лучшие ре-
сурсные характеристики приборов на основе структур, не содержащих А1, делают
перспективными дальнейшие работы в этом направлении.
В гетероструктурах на основе твердых растворов InGaAsP, изопериодических
1пР, спектральное положение полосы излучения может варьироваться в диапазо-
не 915—1700 нм, что представляет несомненный интерес с точки зрения их ис-
пользования в магистральных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛПИ) и
оптоэлектронных датчиках.
При изготовлении излучающих диодов (ИД) используют, в основном, две гео-
метрии приборных структур: т. н. поверхностно-излучающие и торцевые излучате-
ли. При изготовлении поверхностно-излучающего ИД может быть использована
конструкция с микролинзой, сформированной непосредственно в подложке 1пР.
Как показывают расчеты наилучшие условия ввода в волокно с сердцевиной диа-
метром 50 мкм достигаются при радиусе кривизны микролинзы 50—60 мкм и рас-
стоянии между вершиной линзы и активной областью 100 мкм. В этом случае ИД
характеризуются узкой диаграммой направленности (угол излучения 25°), при этом
при токе ИД 100 мА мощность излучения, вводимого в волокно составила, 50 мкВт.
В альтернативной конструкции т. н. торцевых ИД излучение выводится с тор-
ца кристалла. Диаграмма направленности таких ИД имеет обычный ламбертовс-
кий характер в плоскости параллельной рл-переходу и характеризуется очень ма-
лой расходимостью излучения в перпендикулярной плоскости, что обеспечивает
существенное увеличение коэффициента ввода излучения в волокно.
Рассмотренные типы ИД не исчерпывают всего многообразия конструкций это-
го типа приборов. Имеется много вариантов конструкций с различными типами
локализации области протекания тока. Основные параметры разработанных к на-
стоящему времени ИД приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4. Основные параметры ИД.
Толщина активной области, мкм Диаметр излучающей поверхности, мкм Длина волны в максимуме, мкм Полная мощность излучения, мВт Мощность, Время
вводимая в волокно мкВт спада, нс
0,9 50 - 125 1,05 -1,3 5 206 -
0,7 50 1,05-1,3 0,85 - 14-21
0,15 - 1,3 2 120 2,4
1,5 40 1,15 - 1,55-50 30-50
В настоящее время разработаны технологические режимы создания ИД, ра-
ботающих в широком спектральном диапазоне = 1,05 —1,55 мкм. Полуширина
спектров излучения при Т= 300 К подчиняется зависимости ЛА = п Л кТ/ 1,24,
где п = 3, кТ= 26 мэВ. Установлено, что ЛА существенно зависит от уровня леги-
рования активной области, в частности, при А = 1,06 мкм Л/iv изменяется в
диапазоне от 55 до 95 мэВ при изменении концентрации примеси в активной
области от 1016 до 5 1018 см -3. Оптимальная толщина активной области составля-
ет 1,5 мкм, при этом наибольший квантовый выход достигается в структурах с
нелегированной активной областью. Мощность излучения при рабочей плот-
ности тока 2—4 кА / см2 составляет несколько мВт, а энергетическая яркость —
несколько десятков мВт /ср см ~2.
Ватг-амперные характеристики ИД имеют линейный характер в широком диапа-
зоне токов. При большой плотности тока обычно наблюдается сублинейный характер
зависимости мощности излучения от тока, обусловленный проявлением нескольких
эффектов: Оже-рекомбинации, суперлюминесценции, внутризонного поглощения.
Частота отсечки по уровню 3 дБ в ИД с нелегированной активной областью
существенно зависит от уровня возбуждения (при варьировании плотности тока
в пределах 0,3-14 кА/ см fc изменяется от 50 до 300 МГц, что может быть связано с
зависимостью времени жизни инжектированных носителей от плотности тока в
соответствии с соотношением:
т = (edN) / 2J { [ 1 +4j/(eJA2B)]s- 1]}. (1.54)
где d — толщина активной области, В — вероятность излучательной рекомбина-
ции, N— концентрация примеси в активной области. В соответствии с приведен-
ными соотношениями излучательное время жизни в структурах со слаболегиро-
ванной активной областью изменяется от 20 при (при j = 2,5 кА / см2) до 5 нс (при
j = 40 кА/см2). При этом малые времена спада и нарастания электролюминесцен-
ции могут быть получены при достаточно большой плотности тока в структурах
со слаболегированной активной областью либо при достаточно большом уровне
легирования активной области.
Температурные зависимости мощности излучения, как правило, описываются соот-
ношением То ~ ехр [ (Т300 —Т)/То], где Т300 = 300 К, при этом характеристическая темпе-
ратура 7^вИДсЛп<к= 1,15; 1,27; 1,5 мкм составляет соответственно 180; 145и98 К.
Достаточно большая ширина прямой запрещенной зоны в твердых растворах
с достаточно большим содержанием Р, а также высокая эффективность излуча-
тельной рекомбинации в этих материалах стимулировали усилия по реализации
стимулированного излучения в приборных структурах на их основе [7]. Первая и
наиболее простая схема инжекционного ЛД — структура с гомопереходом. Отсут-
ствие достаточного электронного и оптического ограничения в лазерах с гомопе-
реходом обусловило очень большие пороговые плотности тока (/~10 А/см2 при
Т=77 К). Поэтому последующие усилия исследователей были направлены на ис-
следования двойных гетероструктур (ДГС). В результате на основе структур, по-
лученных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) были получены гетролазеры,
работающие при 7=300 К надлине волны Л=0,72—0,78 мкм. Приборы характери-
зовались диффференциальной квантовой эффективностью 10—15% и умеренной
величиной пороговой плотности тока у—1,5 кА/см2, при этом полная мощность в
импульсном режиме составила 0,5 Вт (приу—Зул).
Температурную зависимость пороговой плотности мощности можно описать соот-
ношением J =J0 ехр (—Т/Т^, при этом в низкотемпературной области То = 110 — 120 К,
а в области комнатной температуры То=35 — 60 К. Было установлено, что использование
ДГС позволяет вдвое увеличить характеристическую температуру ЛД.
Существенное влияние, оказываемое на величину То высотой гетеробарьера
между активной областью и эмиттерами позволяет предположить существенное
воздействие на характер температурной зависимости порогового тока утечки ин-
жектированных носителей из активной области.
Использование подложки GaAsP и изопериодических с ней четырехкомпонент-
ных твердых растворов InGaAsP позволяет существенно продвинуться в коротковол-
новую область спектра. В связи с этим удалось создать коротковолновые гетеро-ЛД,
излучающие при Т= 77 К в желто-зеленой области спектра (Л = 575 нм), а при 7=300
К - в оранжевой области спектра (Л = 621,4 нм). Основные параметры коротковол-
новых инжекционных гетеролазеров на основе InGaAsP приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5. Основные параметры коротковолновых инжекционных
гетеролазеров на основе InGaAsP.
Толщина активной области, мкм Высота гетеро- барьеров, мэВ Длина волны, мкм Т, °C Пороговая плотность тока, А. см-2
0,28 160 - 290 720 - 780 300 160
0,8 274 665 300 1,7 104
1,0 178 637 300 2,5 105
0,2 99 621,4 300 1, 19 105
1,0 90 602 77 6,3 103
1,0 70 575 77 1,3 104
Проблема создания инжекционных гетеролазеров в зеленой области спектра на
основе InGaAsP непосредственно связана с особенностями зонной структуры рассмат-
риваемой системы твердых растворов. Как показывает анализ, возможно создание ин-
жекционного гетеролазера при величине энергетического зазора между прямым (Gc/) и
непрямым (Сс;) минимумами зоны проводимости величиной 10 мэВ и высоте ограни-
чивающих гетеробарьеров 50 мэВ. Это означает, что при Т = 77 К может быть получена
генерация в зеленой области спектра при Л = 555 нм. Экспериментально это было под-
тверждено в лазерах с электронным возбуждением на основе InGaP [10].
Интересно использование обратной оптической связи в инжекционных гете-
ролазерах, что позволяет добиться чрезвычайно высокой монохроматичности из-
лучения (ЛА = 0,1 нм), эффективного управления модовым составом и возмож-
ности перестройки длины волны излучения.
В связи с широким использованием в ВОЛ ПИ инжекционным гетеролазерам
ИК-диапазона посвящены основные усилия исследователей [5].
Основой для создания таких приборов служат многослойные структуры на
основе твердых растворов InGaAsP, изопериодических InP. После того, как впер-
вые была реализована генерация стимулированного излучения в инжекционном
гетеролазере на основе InGaAsP/InP, основное внимание исследователей было уде-
лено проблемам снижения порогового тока, управления модовым составом, уве-
личения мощности излучения ЛД. Накопленный ранее опыт в разработке гетеро-
лазеров на основе Ga Al As/GaAs определил путь разработки инжекционных гете-
ролазеров на основе InGaAsP/InP, а именно, в первую очередь, это использование
различных вариантов полосковой геометрии прибора.
Основные параметры инжекционных гетеролазеров приведены в таблице 1.6.
Таблица 1.6. Основные параметры инжекционных гетеролазеров
ИК-диапазона на основе InGaAsP/ InP.
Толщина активной области, мкм Длина (ширина) резонатора, мкм Г, С Длина волны, мкм Пороговый ток, мА Мощность, мВт
о,1 250 (2,5) 300 1,3 15 35
0,2 200 (4) 300 1,525 85 2-3
0,8 250 (5) 300 1,5 28 8
0,4 250 (3) 300 1,20 8 40
- 210 (2-3) 300 1,51 13 20
Экспериментальными исследованиями установлено, что наилучшими резуль-
татами по величине порогового тока обладают ЛД с т. н. зарощенной структурой
(1п ~ 10 мА), при этом мощность излучения в непрерывном режиме составляет —
10 мВт. В импульсном режиме при достаточно большой плотности тока может
быть получена мощность излучения порядка 0,8 Вт. Для рассмотренных прибо-
ров характерна узкая диаграмма направленности с углами расходимости 6—15°.
Толщина активной области в используемых структурах варьируется в пределах
0,1—3 мкм. Вместе с тем минимальные пороговые токи достигаются в приборах с
толщиной активной области 0,15 мкм и они практически не зависят от состава
активной области, определяющей длину волны генерации.
Температурная зависимость порогового тока ДГС-лазеров может быть описа-
на соотношением 1= Io exp (Т/ То), при этом характеристическая температура То
составляет 50—80 К. Возможными причинами недостаточно большой величины
То могут быть как токи утечки, так и безызлучательная Оже-рекомбинация. Ис-
пользование дополнительных потенциальных барьеров позволяет получать гете-
ролазеры с То = 180 К.
Модуляционные характеристики ЯД на основе InGaAsP/InP обеспечивают возмож-
ность использования этих приборов на частотах до 2 ГГц, включительно.
Помимо использования в излучающих приборах твердые растворы InGaAsP ши-
роко применяются при разработке различных типов фотоприемников на спект-
ральный диапазон 0,9—1,7 мкм также преимущественно для использования в ма-
гистральных ВОЛПИ.
В то время как кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД) являются прекрас-
ными фотоприемниками для спектрального диапазона Л < 1 мкм, ЛФД на основе
Ge, обладая более длинноволновой характеристикой, имеют существенные тем-
новые токи, что связано с меньшей шириной запрещенной зоны этого материа-
ла. Твердые растворы InGaAsP, изопериодические 1пР, могут быть использованы
для создания ЛФД с уровнем темновых токов, занимающих промежуточное зна-
чение между приборами на основе Si и Ge. Альтернативными фотоприемниками,
которые также широко используются в ВОЛПИ являются р/л-ФД. Основные па-
раметры разработанных к настоящему времени ЛФД и р/и-ФД на основе твердых
растворов InGaAsP приведены в таблице 1.7.
Таблица 1.7. Основные параметры длинноволновых фотоприемников
на основе InGaAsP.
Тип фото- приемника Фоточувс- твительность, А/Вт Спек- тральный диапазон, мкм Темновой ток, нА Быстро- действие, нс Коэф- фициент умножения
pin- ФД 0,65 0,9-1,65 1-1,5 - -
ЛФД 0,55 0,65-1,15 - о,1 250
pin-ФД 0,6 0,9-1,65 1,5 0,1 -
ЛФД 0,7 0,9 - 1,3 - - 200
Современный уровень технологии позволяет создавать ЛФД на основе InGaAsP
с широким диапазоном фоточувствительности и сравнительно низкими уровня-
ми плотности темнового тока (10-6 А/ см2), почти на 2 порядка меньшими, чем у
Ge- ЛФД. Вторым немаловажным преимуществом является возможность созда-
ния селективных ЛФД, диапазоном чувствительности которых можно варьиро-
вать, изменяя состав активной области.
Одновременно с разработкой ЛФД на основе InGaAsP большое внимание уделя-
ется малошумящим рш-ФД на основе этих же материалов, обеспечивающих вы-
сокое быстродействие (т< 0,1 нс) и малый уровень шумов.
1.3.3. Твердые растворы в системе In—Ga—Al—P
Несмотря на широкие возможности приборного использования твердых растворов
InGaAsP для этой системы характерно то, что в желто-зеленой области спектра
происходит переход от прямой к непрямой структуре энергетических зон. Это, в
свою очередь ограничивает возможности создания высокоэффективных приборов,
работающих в этой спектральной области.
В значительной степени проблему расширения спектрального диапазона вы-
сокоэффективных оптоэлектронных приборов в коротковолновую область реша-
ет система In—Ga—Al—P (твердые растворы Inj_x,_y, Gax,Aly, Р или (Alx Gar_х ] у Iny Р).
Использование интерполяционной процедуры с применением данных для трех-
компонентных систем позволяет установить композиционные зависимости ши-
риной прямой и непрямой запрещенной зоны твердых растворов Inr_х,_у, Gax,Aly,P.
Egr = 1,351 + 1,429 х+0,775 х'(х + у - 1) + 2,230у. (1.55)
Egx = 2,260 + 0,150 х'(х + у - 1) + 0,180 у . (1.56)
При этом в рассматриваемой системе граница перехода от прямой к непря-
мой структуре энергетических зон описывается соотношением:
у/ = (0,909 - 0,804 х' + 0,625 х (0,625 х' + 0,205). (1.57)
Изменение состава твердых растворов InGaAlP вдоль границы перехода от пря-
мой к непрямой структуре зон приводит к плавному увеличению ширины запре-
щенной зоны от 2,23 эВ в In027Ga073Pj\Q 2,33 эВ в 1п056А1044Р. Именно последнее
обстоятельство представляет особый интерес для достижения максимальной яр-
кости электролюминесценции в структурах на основе соединений А 3В5.
С точки зрения оценки технологичности рассматриваемой системы особый
интерес представляет установление композиционной зависимости постоянной ре-
шетки, поскольку для получения совершенных эпитаксиальных слоев необходи-
мо соблюдение условия изопериодичности эпитаксиальных слоев и подложки.
Использование интерполяционной процедуры позволяет получить композици-
онную зависимость постоянной решетки в виде:
а (х у *) = 5,869 - 0, 418 х ’ - 0, 430 у ’. (1.58)
В настоящее время наибольший практический интерес представляют твердые
растворы (Aly Gaj у) 051п05Р> согласованные по постоянной решетки с GaAs. В этом
случае твердые растворы имеют прямую зонную структуру при 0 <у < 0,7 с шири-
ной запрещенной зоны, варьируемой от 1,9 эВ в Ga051п05Ряо около 2,3 эВ в (А10 7
Gao)o5 In05 Р. При у> 0,7 зонная структура имеет непрямой характер, при этом
ширина непрямой запрещенной зоны медленно изменяется с составом прибли-
зительно до величины 2,5 эВ в А1051п05Р.
По сравнению с традиционными идеальными твердыми растворами AlGaAs
гетероструктуры на основе рассматриваемых материалов характеризуются опре-
деленными трудностями получения слоев p-типа проводимости, малой подвиж-
ностью дырок, достаточно большим удельным тепловым сопротивлением, а так-
же сравнительно небольшим разрывом зоны проводимости [6]. Получение слоев
p-типа проводимости становится особенно трудным при у > 0,7. В частности, цинк,
являющийся наиболее широко используемой акцепторной примесью в соедине-
ниях А3 В5, не дает достаточно хороших результатов, так как энергия активации
этой примеси возрастает по мере увеличения у. Это приводит к тому, что эффек-
тивность использования цинка при формировании достаточно сильно легирован-
ных областей Al05 In05 Р, например, эмиттеров p-типа в ЛД, становится очень ма-
лой. Это приводит к тому, что когда цинк используется, например, для легирова-
ния эмиттера р- типа, состав слоя p-типа обычно ограничивается значением
у < 0,7. В противоположность этому магний и бериллий являются более эффек-
тивными акцепторными примесями, использование которых позволяет добиться
концентрации дырок > 1018 см -3 в А1051п05Р, хотя подвижность дырок в этом слу-
чае достаточно мала (~10 см2 / В с).
В гетероструктурах Ga[} 5 In05P/(Aly Ga{_у)05 In05Р полный разрыв запрещенной
зоны распределяется между разрывом зоны проводимости (ДЕс) и разрывом ва-
лентной зоны (Л Ev) в соотношении = 65 /35.
В системах твердых растворов GaAlAs и InGaAlP разрыв зоны проводимости
(ДЕс) возрастает с увеличением содержания алюминия в ограничивающих барь-
ерных слоях вплоть до перехода от прямой к непрямой структуре энергетических
зон. При большем содержании алюминия разрыв зоны проводимости начинает
уменьшаться в то время, как разрыв валентной зоны (Д£)продолжает возрастать.
Т. о. максимальный разрыв зоны проводимости имеет место, когда состав огра-
ничивающего слоя находится вблизи границы перехода от прямой к непрямой
структуре энергетических зон. Например, в структурах на основе (AlGa)05In05 Р
разрыв зоны проводимости составляет 270 мэВ, что несколько меньше аналогич-
ного разрыва для системы AlGaAs (350 мэВ).
В дополнение к меньшему разрыву зоны проводимости система AlGalnP не
перекрывает столь же большой энергетический диапазон, как система AlGaAs
(450 мэВ по сравнению с 750 мэВ), что ограничивает потенциал ограничения элек-
тронов. В свою очередь, меньший потенциал ограничения электронов приводит
к большей утечке этих носителей заряда через гетеробарьер, в особенности в ко-
ротковолновых приборах, когда определенная доля электронов, инжектирован-
ных в активную область, обладает достаточной энергией, чтобы перейти в р-эмит-
тер. Эти неосновные носители либо дрейфуют, либо диффундируют по направле-
нию к p-контакту, что приводит к увеличению тока утечки и (в случае ЛД) к воз-
растанию порогового тока. Это является одной из причин температурной чувстви-
тельной порогового тока ЛД на основе рассматриваемых материалов. В связи с
этим для уменьшения тока утечки в оптимизированных структурах необходимо
использовать эмиттеры с максимально возможной шириной запрещенной зоны
и большим уровнем легирования.
Эффективные массы носителей также больше в AlGalnP, чем в AlGaAs, что
приводит к большей плотности состояний и следовательно к необходимости
большей концентрации носителей вблизи порога генерации. Таким образом, по
сравнению с ЛД на основе структур AlGaAs, согласованных по постоянной ре-
шетки с подложкой GaAs, аналогичные структуры AIGaInPхарактеризуются боль-
шим пороговым током. В то же время в структурах AlGalnP, использующих сжи-
мающее механическое напряжение активной области, когда плотность состоя-
ний в валентной зоне уменьшается, пороговые токи также существенно умень-
шаются. В качестве примера можно отметить, что функциональные характери-
стик ЛД на основе напряженных квантово-размерных структур AlGalnP, излу-
чающих на длине волны 670 нм, приближаются к характеристиками ЛД на ос-
нове ненапряженных структур AlGaAs. В этом случае внутренний квантовый
выход приближается к 100 % и плотность порогового тока составляет менее
200 А/см2 при комнатной температуре.
Другая интересная особенность системы AlGalnP связана с тенденцией са-
мопроизвольного упорядочения в процессе эпитаксии из металло-органичес-
ких соединений (МОС-ПФЭ) на подложках GaAs с ориентацией (100). Согласно
существующим представлениям упорядоченные твердые растворы AlGalnP wpen-
ставляют собой монослойную сверхрешетку из монослоев (AlGa) Р /1пР вдоль
плоскости {111}. Степень упорядочения зависит от условий синтеза, при этом
решающую роль играет температура синтеза. Применительно к приборам види-
мого диапазона присутствие упорядоченной фазы часто рассматривается как не-
желательный эффект, так как в этом случае как прямая, так и непрямая запре-
щенные зоны имеют ширину на 70—100 мэВ меньшую по сравнению с неупоря-
доченными твердыми растворами. Для устранения эффектов упорядочения до-
статочно эффективными средствами являются использование больших темпе-
ратур и небольшого отклонения ориентации подложки в направлении к {111} А.
К этому же может привести более эффективное легирование акцепторными при-
месями (легирование донорными примесями менее эффективно).
Как это уже обсуждалось ранее, двухосное (биаксиальное) сжатие и кванто-
во- размерное ограничение могут приводить к модификации зонной структуры,
что, в свою очередь, имеет важное значение в определении порога генерации,
длины волн и поляризационного состояния квантово-размерных ЛД. В самом
деле, квантово-размерные ЛД генерируют излучение в состоянии с поперечной
(ТЕ) поляризацией (электрическое поле ориентировано вдоль плоскости пере-
хода), т. к. зона тяжелых дырок (hh) образует основные состояния как для согла-
сованных по постоянным решетки, так и для биаксиально сжатых квантово-раз-
мерных структур. Таким образом инверсная заселенность тяжелых дырок реа-
лизуется достаточно просто, при этом поляризационная анизотропия усиления
переходов с участием тяжелых дырок имеет благоприятные условия для реали-
зации. И наоборот, поперечные магнитные (ТМ) моды (когда магнитное поле
параллельно плоскости перехода) превалируют в некоторых квантово-размер-
ных структурах с растягивающим напряжением, в которых основные состояния
определяются зоной легких дырок (lh).
Двухосное (биаксиальное) напряжение обычно рассматривается как супер-
позиция гидростатического растяжения и одноосного сжатия. Возникающая при
этом тетрагональная деформация элементарной ячейки приводит к возрастанию
объема элементарной ячейки. Ширина запрещенной зоны в этом случае меньше,
чем в случае ненапряженных твердых растворов того же самого состава, при этом
возникает разделение краев зон легких и тяжелых дырок, а зона легких дырок ста-
новится основным состоянием. Деформация элементарной ячейки и перемеши-
вание состояний валентной зоны также благоприятствуют излучательным про-
цессам в активной области ЛД.
ЛД на основе растянуто напряженных квантово-размерных структур AlGalnP
способны функционировать в режиме как ТЕ-, так и ГЛ/-поляризации. В этом
случае излучения взаимно ортогональных мод характеризуются различными за-
висимостями модового усиления от тока, при этом при определенной величине
тока может иметь место переход от одной поляризации к другой. Отмеченная за-
висимость модового усиления от тока может быть использована например для ре-
ализации режима переключения мод.
В этом смысле очень показательно сравнение спектральных характеристик
структур с толщиной квантовой ямы Gax 1п} х Р 80 нм и для 4 значений х\ 0,3 и 0,4
(двухосное сжатие), 0,5 (согласованность по постоянной решетки) и 0,6 (двухос-
ное растяжение).Установлено, что по мере увеличения содержания GaP в твердых
растворах наблюдается некоторый сдвиг в коротковолновую сторону. Поляриза-
ция спектров электролюминесценции анизотропна; переходы с участием элект-
ронов и тяжелых дырок имеют Г£-поляризацию, в то время как переходы с учас-
тием электронов и легких дырок характеризуются TAf-поляризацией. Энергети-
ческий интервал между пиками спонтанной эмиссии с ТЕ - и ГА/-поляризацией
отражает энергетический зазор между краями подзон легких и тяжелых дырок. В
величину этого энергетического зазора дают вклад эффекты расщепления подзон
легких и тяжелых дырок, вызванного механическими напряжениями, а также раз-
личных по величине квантовых сдвигов этих двух валентных подзон. Энергети-
ческий зазор между двумя этими подзонами наиболее сильно зависит от толщи-
ны квантовых ям и состава материала ограничивающих барьеров, при этом экс-
периментально наблюдаемая величина этого зазора изменяется от +42 мэВ
(х =0,3) до -12 мэВ (х = 0,6).
Спектральное положение пиков спонтанной эмиссии ТЕ- и ТМ-моц зависит
от тока через прибор. При малых плотностях тока энергетический зазор между
ТЕ- и ГЛ/-пиками постоянен. В то же время по мере роста плотности тока, когда
концентрация носителей в квантовой яме становится достаточно большой и на-
чинает проявляться эффект заполнения зон, пиковая длина волны доминирую-
щих переходов начинает сдвигаться в коротковолновую сторону. Наиболее силь-
но эффект заполнения зон проявляется в случае структур с х = 0,3, при этом и
пороговая плотность тока имеет минимальную величину (190 А/см2).
В структурах с х=0,5 и 0,6 коротковолновый сдвиг пиков люминесценции прояв-
ляется намного слабее и в этом случае плотности порогового тока существенно
больше (400 А/см 2).
Основная область применения структур на основе AlGalnP — это ЛД и СИД. В
том, что касается ЛД, следует отметить, что одним из главных отличий ЛД на ос-
нове AlGalnP и AlGaAs являются функциональные ограничения, обусловленные
электронной утечкой в приборах на основе AlGalnP. Благодаря большему диапа-
зону изменения ширины запрещенной зоны и большей величине разрывов зоны
проводимости и валентной зоны в ЛД на основе AlGaAs фактором электронной
утечки в приборах на основе AlGaAs можно пренебречь практически во всех слу-
чаях за исключением экстремальных условий (высокая температура, большая кон-
центрация носителей, коротковолновый спектральный диапазон). В противопо-
ложность этому, электронная утечка в ЛД на основе AlGalnP может играть важ-
ную роль даже в нормальных условиях. Она же накладывает жесткие ограничения
на коротковолновую спектральную границу и высокотемпературный диапазон
функционирования этих приборов.
При том, что наличие напряженной квантово-размерной области дает суще-
ственное улучшение параметров приборов по сравнению с ЛД на основе ненап-
ряженных двойных гетероструктур, вопросы, связанные с электронным ограни-
чением, приобретают в рассматриваемом случае особую остроту. В то же время в
длинноволновых ЛД (Л > 650 нм) электронной утечкой при комнатной темпера-
туре можно практически пренебречь и функциональные характеристики прибо-
ров на основе AlGalnP подобны характеристикам ЛД на основе AlGaAs.
Анализ тока электронной утечки обычно проводится с использованием тем-
пературных зависимостей как порогового тока, так и квантовой эффективности.
Пороговый ток является важным параметром ЛД, зависящим от многих факто-
ров. Эмпирически его температурная зависимость описывается соотношением
типа ехр (777^, где То — характеристическая температура. Из-за своей чувстви-
тельности к току электронной утечки ЛД на основе AlGalnP часто отклоняются от
этого соотношения, при этом величина Т^приложима лишь к ограниченному тем-
пературному диапазону, а в широком температурном диапазоне величина ^умень-
шается с ростом Т. Таким образом ток утечки приводит к более сильной темпера-
турной зависимости, чем ехр (Т/ То).
ЛД с активной областью Gax In 1х Р, излучающие на длине волны 680 нм, обладают
большей величиной Топо сравнению с ЛД на длину волны 633 нм, что связывается с
большим электронным ограничением, а также двухосным сжатием квантово- раз-
мерной области. Оба типа приборов демонстрируют суперлинейное возрастание по-
рогового тока с ростом температуры, которое выражено более четко в более коротко-
волновых (Л = 633 нм) ЛД. Из соотношения Аррениуса для концентрации электро-
нов, возбужденных в р-эмиттер высота барьера электронного ограничения оценива-
ется на уровне 185 и 225 мэВ для ЛД с х = 0,6 и х = 0,4 соответственно.
Аналогичным образом электронная утечка приводит к уменьшению диффе-
ренциальной квантовой эффективности.
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что умень-
шение квантовой эффективности с ростом температуры согласуется с быстрым умень-
шением То Поскольку электронное ограничение становится больше в длинноволно-
вых ЛД критическая температура, при которой ток утечки становится заметной
компонентой полного тока, естественно больше в длинноволновых ЛД (она со-
ставляет = 50 °C в ЛД с / = 680 нм и = 20 °C в ЛД с / = 633 нм).
Важным выводом проведенных исследований является то, что дрейфовая ком-
понента тока электронной утечки накладывает жесткие ограничения на функци-
ональные характеристики приборов (в особенности это относится к коротковол-
новым приборам с эмиттерами на основе А1051п05Р). В отличие от диффузионной
компоненты утечки, которая просто пропорциональна концентрации электронов,
возбужденных в р-эмиттер, дрейфовая компонента пропорциональна полному
току через прибор.
По сравнению с другими важными системами твердых растворов такими, как
AlGaAs и InGaAsP, система AlGalnP характеризуется малой подвижностью дырок,
при этом достичь достаточно высокого уровня р-легирования достаточно трудно.
В то же время для оптимизации прибора и уменьшения тока электронной утечки
необходимо использование эмиттеров с максимальной шириной запрещенной
зоны (Al05 In05 Р) и сильным уровнем акцепторного легирования. Верхним преде-
лом оптимальной концентрации дырок является 2-1018 см-3, что задается диффу-
зией примесей и поглощением на свободных носителях.
В ЛД на основе AlGalnP с Л> 660 нм и двухосно сжатой квантовой ямой ток
утечки может быть пренебрежимо мал при комнатной температуре, но эта про-
блема становится серьезной в коротковолновых ЛД с Л = 633 нм. В приборах с
Л < 650 нм активная квантово-размерная область может быть сформирована на
основе растянуто напряженного слоя GalnP, очень тонкого сжато напряженного
слоя (7д7иРили сжато напряженного слоя AlGalnP. В настоящее время нет полной
ясности в оптимальном выборе конструкции для минимизации тою утечки. Наи-
лучший результат был достигнут в ЛД с Л = 615 нм для ЛД на основе сжато напря-
женных слоев (Al0 j Ga09)0 45 In0 55 Р, работающих в непрерывном режиме при 23 °C.
Тем не менее практические потребности разработки ряда систем, включая
системы оптической записи, замену Яе-УУе-лазеров твердотельными аналогами,
сканирующие системы и т. д. стимулируют дальнейшие исследования в области
разработки коротковолновых ЛД. Применительно к рассматриваемой системе
это означает необходимость увеличения ширины запрещенной зоны, что влечет
за собой уменьшение потенциала ограничения. Таким образом, активная об-
ласть коротковолновых ЛД требует тщательной оптимизации для того, чтобы
добиться минимального порога генерации несмотря на неизбежный вклад тока
утечки. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование
структур не с одной, а с набором квантовых ям. В то же время необходимость
минимизации возбуждаемого объема диктует необходимость уменьшения чис-
ла квантовых ям. Таким образом, оптимизация структуры ЛД требует учета вза-
имно противоположных факторов. В то же время зонная структура, разрывы
энергетических зон и их зависимость от механического напряжения изучены
еще недостаточно хорошо применительно к рассматриваемой системе, что зат-
рудняет адекватное проектирование приборных структур. Поэтому доминиру-
ющим подходом остается эмпирический подбор параметров структуры и их кон-
струкции.
Для уменьшения тока электронной утечки были предложены структуры с т. н.
набором квантовых барьеров, когерентно отражающих электронные волны (MQB).
Этот тип конструкции состоит из коротко-периодной сверхрешетки с составом и
толщиной слоев, подобранных таким образом, чтобы отражать электроны с энер-
гией, большей высоты классического барьера. При этом для подавления элект-
ронного туннелирования из активной области эта секция прибора смещена в р-
эмиттер на небольшое расстояние, которое, как правило, составляет около 5 нм.
Более того, использование набора таких отражающих барьеров способно обеспе-
чить барьер даже выше дна зоны проводимости, что, в свою очередь, обеспечива-
ет очень большой потенциал ограничения.
Сравнение функциональных характеристик ЛД с MQB и без MQB показывает,
что структура MQB эффективна для уменьшения тока электронной утечки, хотя и
с определенными ограничениями. Так например, в коротковолновых ЛД на ос-
нове InGaAlP с областями MQB все равно имеют место проблемы, связанные с
электронной утечкой. Это может свидетельствовать об ограниченном энергети-
ческом диапазоне, в пределах которого область MQB работает эффективно. Та-
ким образом эта структура не способна отражать все электроны. Для реализации
максимального электронного ограничения оптимальным считается сочетание
встраивание в ЛД области MQB наряду с сильным легированием эмиттера на ос-
НОЪ&1П0,5А10,5Р-
В заключение далеко не исчерпывающего рассмотрения коротковолновых ЛД
на основе структур InGaAlP следует подчеркнуть, что оптимизация этого типа ко-
ротковолновых приборов требует более полного выяснения параметров, связанных
с разрывом зон, а также самой структуры валентных подзон. Современный же уро-
вень параметров ЛД на основе InGaAlP с сжато напряженной квантовой ямой Ga045
In0 55 Р толщиной 6 нм (/ = 634 нм) характеризуется пороговым током 38 мА и мощ-
ностью излучения при I = 100 мА более 20 мВт.
Помимо ЛД видимого диапазона большой интерес с точки зрения практи-
ческого применения представляют и СИД на основе InGaAlP. С успешной раз-
работкой серийной технологии изготовления эпитаксиальных структур на ос-
нове этой системы твердых растворов появилась возможность серийного изго-
товления сверхъярких СИД, излучающих в красно-оранжевой, желтой и желто-
зеленой областях спектра.
До промышленного освоения эпитаксиальных гетероструктур InGaAlP наи-
высший уровень светотехнических параметров СИД был реализован в приборах
на основе идеальных твердых растворов GaAlAs с практически нулевым рассогла-
сованием постоянных решетки: светоотдача таких СИД, излучающих в красной
области спектра (Л = 650 нм), достигла 10 лм/Вт. Но именно внедрение техноло-
гии парофазной эпитаксии из металло-органических соединений (МОС-ПФЭ)
четырехкомпонентных гетероструктур InGaAlPвызвало подлинный технологичес-
кий прорыв, позволив достигнуть уровня светоотдачи 20 лм/Вт в приборах оран-
жево-красного (Л = 620 нм) и желтого (Л = 590 нм) цветов свечения. В желто-
зеленой области спектра (Л = 570 нм) также были реализованы высокоэффектив-
ные СИД с уровнем светоотдачи 6 лм/Вт.
В качестве примера рассмотрим структуру [11], используемую в СИД на основе
InGaAlP, излучающих в желтой области спектра. Она содержит двойную гетерострук-
туру на основе легированного кремнием эмиттерного слоя n-In05 (Al0 7 Ga03) 05Р, неле-
гированной активной области In05 (Al0 2 Ga0 8) 05Р, легированного цинком эмиттерно-
го слоя р- In05(Al0 7Ga03)05P. Для улучшения растекания тока на поверхности двойной
гетероструктуры формируется токораспределительный слой на основе
р- Al07Ga03As, легированный цинком. В качестве контактов к областям р- и л-типа
проводимости используются соответственно AuZn/Au и AuGe/Au. Как было установ-
лено, одним из принципиальных факторов, существенно влияющих на функциональ-
ные характеристики СИД на основе твердых растворов InGaAlP, является диффузия
цинка, при этом принципиальное значение имеет оптимизация параметров исполь-
зуемой структуры, включая состав, толщины и уровни легирования образующих струк-
туру слоев. Основные параметры структуры приведены в таблице 1.8 [ 11].
Таблица 1.8. Параметры структуры СИД на основе InGaAlP.
Материал Толщина, см -3 Концентрация носителей, мкм
р - GaAs (контактный слой) о,1 2 1018
P-Al 0.7 0.3 (токораспределительный слой) 6,0 3 1018
Р~^П 0,5 ^0,7 0,5 (эмиттерный слой) Р0,6 3 1017
/«0,5 (^о,2 ЧР 0,5 ? (активная область) 0,6 -
п~^п 0,5 (^0,7 ®*о,з) 0,5 ? (эмиттерный слой) 0,6 4 1017
n-GaAs 0,5 2 Ю18
п — GaAs (подложка) - 2 1018
А1/АиВе d B: AlGalnP r3 25 25 .5 Э W: Ga In P I .44 56 Схематическое изображение структу- ры с набором квантовых ям (MQW) на основе
p-GaAs
p-Al Ga As .75 .25 p-GaP
p-Al Ga In P .35 .15 .5 n-AI Ga In P .35 .15 .5
n-GaAs
n-GaAs
Al/AuGeNi 1 InGaAlP для СЯД-видимого диапазона спектра.
Для изготовления высокоэффективных СИД видимого диапазона спектра
могут быть использованы не только объемные, но и квантово-размерные гете-
роструктуры (рис. 1.6) [12].
В рассматриваемом случае для увеличения коэффициента вывода света из
структуры в ее верхнюю часть встраивается т. н. слой широкозонного окна на ос-
нове AlGaAs или GaP. Одновременно с этим этот слой улучшает растекание тока,
для чего он должен обладать достаточно высокой электропроводностью.
Как уже отмечалось, СИД на основе AlGalnP характеризуются большой силой
света и светоотдачей. Вместе с тем практический интерес представляют не только
фотометрические, но и энергетические характеристики этого класса приборов. В
связи с этим следует отметить, что мощность излучения СИД на основе AlGalnP
может превышать 2,4 мВт при комнатной температуре. Рассматриваемые прибо-
ры характеризуются узкополосными спектрами излучения, что позволяет рассмат-
ривать их как квази-монохроматичные источники излучения (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Спектры электролюминесценции СИД с набором квантовых ям в
активной области на основе InGaAlP.
Представленные на рис. 1.7 спектры электролюминесценции показывают,
что при достаточно больших рабочих токах наблюдается смещение максимума
спектров в длинноволновую область, что свидетельствует о перегреве актив-
ной области.
1.3.4. Твердые растворы в системе In—Ga—Al—N
Твердые растворы в системе In—Ga—Al—N являются хорошей иллюстрацией
устойчивой тенденции поэтапного освоения практически важных спектральных
диапазонов функционирования оптоэлектронных приборов несмотря на
необходимость преодоления больших технологических трудностей.
Как уже отмечалось выше, переход от твердых растворов InGaAsP к твердым
растворам InGaAlP позволил преодолеть ряд ограничений, принципиально при-
сущих системе InGaAsP, и благодаря этому расширить границу функционирова-
ния эффективных оптоэлектронных приборов в желто-зеленую область спектра.
Разработка и промышленное освоение гетероструктур на основе твердых раство-
ров в системе In—Ga— Al— Р являются .очередным шагом в этом направлении, по-
зволяя расширить спектральный диапазон функционирования эффективных оп-
тоэлектронных приборов в УФ-область спектра.
В отличие от рассмотренных ранее систем In—Ga—As—Р и In—Ga—Al— P система
In—Ga—Al—N характеризуется прямым характером структуры энергетических зон
во всем диапазоне изменения состава твердых растворов. Связь между постоянной
решетки и шириной запрещенной зоны твердых растворов в рассматриваемой сис-
теме схематически иллюстрируется рис. 1.8.
Рис. 1.8. Связь между постоянной
решетки и шириной запрещенной
зоны твердых растворов в системе
In—Ga—Al—N.
Ширина запрещенной зоны в рассматриваемой системе твердых растворов,
кристаллизующихся в структуре вюрцита, изменяется в пределах от 6,2 до 1,95 эВ.
При этом следует отметить, что одной из технологических сложностей синтеза
рассматриваемых материалов является также и проявление других кристалличес-
ких фаз, в частности, структуры сфалерита.
Композиционная зависимость ширины прямой запрещенной зоны в наибо-
лее интенсивно используемых в настоящее время твердых растворах InGaN и AlGaN
описывается соотношением (1.7) с параметром кривизны Ь, равным 1,0 эВ и 0,25 эВ
в твердых растворах InGaN и AlGaN соответственно.
Имеющиеся в настоящее время данные [13] по величине коэффициентов уп-
ругости (с ), пьезоэлектрическим постоянным (е ), постоянным решетки и коэф-
фициентам термического расширения для исходных бинарных соединений в рас-
сматриваемой системе приведены в таблицах 1.9 и 1.10.
Таблица 1.9. Коэффициенты упругости и пьезоэлектрические константы
исходных бинарных соединений в системе In—Ga—Al—N.
Параметры упругости
пьезоэлектрические постоянные (£;;),К/М Материалы (с.), хЮ11 дин / см;.
AIN GaN InN
С13 12,00 11,40 9,40
сзз 39,50 38,10 20,00
£ 15 -0,48 -0,22 -0,22
£ 31 -0,58 -0,22 -0,22
1,55 0,43 0,43
Таблица 1.10. Постоянные решетки и коэффициенты термического расширения
исходных бинарных соединений в системе In- Ga-Al-Nn сапфира.
Материал
Параметр AIN GaN InN Сапфир
с, нм 0,4980 0,5185 0,5705 1,2991
а, нм 0,3111 0,3182 0,3540 0,4785
Дс/с, 10-6/К а) 3,17 (300-700 К) 2,70-3,70 5,8
7,75 (700-900 К)
Да/а, 10 -6/ К Ь) 5,59 3,40-5,70 5,8
а) Дс/с = - 8,679 102 + 1,929 10"4 Г+ 3,400 10"7 F-7,969 10 Т~3,
Ь) Да/а = - 7,006 10'2+1,583 10"4Г+2,719 10"7 Г- 5,834 10 Т~3.
Следует подчеркнуть, что широкозонные нитриды имеют большие константы
упругости в сравнении с другими соединениями А3В5 (GaAs) и A2!?6 (ZnSe), что сви-
детельствует о сильной связи между атомом азота и атомами элементов группы III.
Из этого следует, что рассматриваемые нитриды химически и термически более ста-
бильны. Отмеченные обстоятельства делают широкозонные нитриды перспектив-
ными материалами не только для изготовления СИД, ЛД, фотоприемников, но и
для изготовления мощных быстродействующих транзисторов.
Как ключевой материал рассматриваемой системы твердых растворов нитрид гал-
лия (GaN) раньше других материалов этой системы привлек пристальное внимание
исследователей, благодаря чему именно для этого материала был получен наибольший
объем экспериментальных результатов, заслуживающих более подробного анализа.
Долгое время считалось, что GaN кристаллизуется только в гексагональной
фазе в структуре вюрцита, которая является термодинамически стабильной. Но
позже было установлено, что при осаждении слоев СяТУна GaAs (001), MgO (001),
b-SiC (100) и Si (100) формируется и метастабильная кубическая фаза. В связи с
этим можно говорить о существовании двух политипов а и /?-типа.
Для описания температурной зависимости ширины запрещенной зоны двух
политипов могут быть использованы 2 соотношения [14]:
£ (7) = Ев-ав{\ + 2 [ехр (О/7)Г - Ш,
(1.59)
£(7) = Е-аГ/(Т+р). (1.60)
Основные параметры соотношений (1.59) и (1.60) для двух политипов GaNприве-
дены в таблице 1.11.
Таблица 1.11. Параметры для расчета температурной зависимости ширины
запрещеннной зоны политипов a-GaN и fl-GaN.
Политип Е„, эВ, эВ 0, К £й, эВ а, 10 SB/K ДК
p-GaN 3,351 0,126 607 3,237 5,16 600
a- GaN 3,725 0,236 692 3,510 8,58 700
Ширина запрещенной зоны основного политипа (a -GaN) при комнатной тем-
пературе по данным различных авторов варьируется в диапазоне 3,44—3,54 эВ. В
связи с этим уместно сделать несколько замечаний. В экспериментально исследуе-
мых слоях велико проявление различных эффектов микронапряжений: во-первых,
они обусловлены большим рассогласованием постоянных решетки GaN и подлож-
ки, во-вторых, как отмечалось выше, различие термических коэффициентов рас-
ширения также приводит к генерации механических напряжений. В результате этого,
как правило, имеет место решеточная релаксация, приводящая к генерации боль-
шой плотности (108— 1010см-2) дислокаций. Наличие микронапряжений, в свою оче-
редь, должно приводить к изменению ширины запрещенной зоны и оптических
характеристик GaN, что будет рассмотрено несколько позже.
Экспериментальные данные по твердым растворам несмотря на их эффективное
приборное использование очень немногочисленны. Несмотря на свою фрагментар-
ность для расчетов могут быть полезны данные, представленные в таблице 1.12[ 15].
Таблица 1.12. Параметры квантово-размерных слоев твердых растворов InGaN.
Состав слоя 0.22 0.78 N In0.06 Ga0.94 И
Ширина запрещенной зоны, эВ 2,909 3,257
Ширина слоя, нм 10 10
Коэффициент преломления 2,83 2,8
Эффективная масса электронов, т0 0,18 0,19
Эффективная масса легких дырок, т0 0,17 0,17
Эффективная масса тяжелых дырок, т0 0,73 0,78
Потенциал гидростатической деформации, эВ -3,9 -3,9
Потенциал сдвига, эВ -1,5 -1,5
Спин-орбитальное расщепление, эВ 0,017 0,017
Отличительной особенностью нитрида галлия и широкозонных твердых ра-
створов на его основе является то, что вследствие большой величины эффектив-
ных масс электронов и дырок, энергия связи свободных экситонов в этих матери-
алах достаточно велика. Имеется боль-
шой разброс экспериментальных дан-
ных по величине Еа в диапазоне от 20
до 40 мэВ, при этом доминирующей
точкой зрения является то, что величи-
на этого параметра близка к 20 мэВ.
Столь большая величина Еа, сравнимая
с величиной кх при комнатной темпе-
ратуре, обеспечивает проявление экси-
тонных резонансов даже при комнат-
ной температуре, что иллюстрируется
рис. 1.9 [16].
Как и следовало ожидать, еще бо-
лее резкий характер оптический резо-
нанс приобретает при пониженных тем-
пературах. В этом случае пик спектра
поглощения на свободных экситонах
располагается при Л = 353, 35 нм, в то
время как более длинноволновое плечо
при Л = 354,67 нм приписывается опти-
ческому поглощению с участием свя-
занных экситонов.
Интересные особенности оптичес-
ких процессов с участием свободных эк-
ситонов проявляются в спектрах опти-
ческого отражения при температуре
жидкого гелия (рис. 1.10) [17].
Как видно из этого рисунка, в этом
случае наблюдаются 3 спектральных
пика (А-, В- и С- экситоны). Предпола-
гается, что проявление этих экситонов
связано со снятием вырождения вален-
тной зоны и ее расщеплением. Пред-
ставляют интерес экспериментальные
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Рис. 1.9. Спектры края оптического погло-
щения GaN температуре 300 К (а) и 13 (Ь) и
их соответствующие первые производные.
Рис. 1.10. Типичные спектры отражения
(штрихованная линия) и фотолюминесцен-
ции (сплошная линия)нитрида галлия при
температуре жидкого гелия.
данные по влиянию двухосного напряжения на спектральное положение линий
А-, В- и С-экситонов [17] (рис. 1.11).
Представленные данные иллюстрируют сильную зависимость спектрального по-
ложения экситонных линий от величины механического напряжения. В связи с этим
можно предполагать, что присутствие внутренних напряжений в эпитаксиальных
слоях является одной из причин разброса экспериментальных данных по основ-
ным параметрам зонной структуры нитрида галлия и его твердых растворов.
Рис. 1.11. Зависимости энергетического
положения линий Л-, В- и С-экситонов от
величины двухосного напряжения.
С точки зрения использования в свето-
излучающих приборах представляют
интерес основные характеристики из-
лучательной рекомбинации в GaN\ ко-
эффициент излучательной рекомбина-
ции В = 2,4 10 -11см 3/с, боровский ра-
диус экситона 3 нм и излучательное вре-
мя жизни свободных экситонов при
комнатной температуре 3,5 нс [18].
Несмотря на сравнительно корот-
кое время исследований и достаточно
ограниченный объем полученных экс-
периментальных данных, твердые ра-
створы в рассматриваемой системе уже
в настоящее время получили широкое
использование в различных областях
микроэлектроники, что позволяет рас-
сматривать их как один из наиболее перспективных микроэлектронных материа-
лов.
Именно в области оптоэлектроники использование твердых растворов при-
вело к первым наиболее значительным достижениям в разработке коротковолно-
вых СИД и ЛД.
При разработке высокоэффективных СИД в первую очередь основное вни-
мание уделялось приборам синего и сине-зеленого цветов свечения.
Первые приборы фиолетового цвета свечения на основе двойных гетерост-
руктур InGaN/AlGaN обладали узкой полосой электролюминесценции с полуши-
риной 10 нм и длиной волны в максимуме 400 нм. В то же время мощность излу-
чения и внешний квантовый выход этих приборов составляли не более 1 мВт и
1,6% соответственно, что возможно связано с формированием дислокаций несо-
ответствия в достаточно толстом слое InGaNнм) из-за механических напря-
жений вследствие рассогласования постоянных решетки и различия термических
коэффициентов расширения. При существенном уменьшении толщины слоя
КО НТО КТ ——,|
p-GaN —
р-А10 2 Go0 8 N ------- —
'n0,45 Gqo,55 N
р-GaN контакт
. / .
Буфферный -------------------------------------
слой
Подложка
софита
Рис. 1.12. Конструкция кристалла
сине-зелёного СИД на основе
InGaN/AlGaN.
InGaN (при переходе к квантово-размерным слоям) упругое напряжение не при-
водит к решеточной релаксации, при этом могут быть получены приборы с высо-
коэффективной генерацией излучения. Структура высокоэффективного СИД
сине-зеленого цвета свечения иллюстрируется рис. 1.12 [19].
В рассматриваемом случае используется структура, содержащая буферный слой
GaNтолщиной 30 нм, выращенный при низкой температуре (550 °C), слой «-типа
на основе GaN.Si толщиной 4 мкм, нелегированная активная область In045 Ga0 55 N
толщиной 3 нм, слой p-типа на основе Al02 Ga08 N: Mg толщиной 100 нм, а также
верхний слой p-типа на основе GaN Л/^толщиной 0,5 мкм. Активная область пред-
ставляет собой одиночную квантовую яму на основе InGaN, заключенную между
барьерными слоями GaN и AlGaN. В качестве контактов к слоям п- и р-GaN ис-
пользуются соответственно композиции на основе Ni/Au и Ti/Al.
Следует отметить, что подход с использованием квантово-размерных структур
позволяет расширить диапазон содержания In в квантовых ямах вплоть до 70%,
что делает возможным создавать высокоэффективные СИД, излучающие в
фиолетовом, синем, сине-зеленом и даже в желтом спектральном диапазоне. Эти
СИД при токе 20 мА имеют мощность излучения 5, 3 и 1 мВт соответственно при
длине волны 450 нм, 525 нм и 590 нм.
Очень важным представляется отметить, что полуширина спектров излуче-
ния синих, сине-зеленых и желтых СИД составляет соответственно 20, 30 и 80 нм.
В качестве примера на рис. 1.13 приведены спектры электролюминесценции СИД
синего и сине-зеленого цветов свечения [19].
Обращает на себя внимание тот факт, что спектры электролюминесценции
СИД на основе InGaN существенно шире, чем спектры СИД на основе AlGalnP
(рис. 1.7), что может быть связано с эффектами статистического беспорядка в твер-
дых растворах.
Особый интерес представляют коротковолновые ЛД на основе структур в рас-
сматриваемой системе, поскольку по-
требность в таких приборах очень вели-
ка в системах оптической записи ин-
формации. Ожидалось, что появление
голубых и УФ-лазеров способно обес-
печить плотность записи информации
на уровне 1 Гбит/ см2. В связи с этим
представляет интерес сравнение усло-
вий возбуждения генерации в узкозон-
ных и широкозонных соединениях Л5 В5.
Применительно к GaAs уровень инжек-
ции, необходимый для обеспечения ус-
ловий лазерной генерации или для того,
чтобы сделать активный слой непогло-
Рис. 1.13. Спектры электролюминесценции
СИД синего и сине-зелёного цветов свечения
на основе квантово-размерных структур InGaN.
щающим на длине волны излучения
GaAs, составляет 1,61018 см -3. При этом
уровне инжекции энергетический зазор
Рис. 1.14. Конструкция
кристалла ЛД с набором
квантовых ям.
между квази-уровнями Ферми равен ширине запрещенной зоны GaAs.
С учетом особенностей зонной структуры можно сделать вывод о том, что в полу-
проводниках с большой плотностью состояний условие прозрачности достигает-
ся при больших уровнях инжекции. С использованием параметров зонной струк-
туры гексагональной модификации GaN можно показать, что уровень инжекции
для обеспечения прозрачности GaNсоставляет примерно 6-Ю18 см-3. Это, в свою
очередь, позволяет сделать вывод о том, что даже при решении технологических
проблем пороговый ток ЛД на основе GaN должен быть в несколько раз выше,
чем в приборах на основе более узкозонных соединений А3 В5.
В настоящее время для изготовления коротковолновых ЛД, как правило, ис-
пользуются структуры с набором квантовых ям (рис. 1.14) [19].
В рассматриваемом случае лазерная структура содержит буферный слой GaN
толщиной 30 нм, выращенный при температуре 550°С, слой л-типа на основе
GaNSi толщиной 3 мкм, слой n-In005 Ga095 N: Si толщиной 0,1 мкм, слой п-А1007
Ga093 N: Si толщиной 0,4 мкм, слой n-GaN:Si толщиной 0,1 мкм, квантово-размер-
ную область MGWиз 7 квантово-размерных слоев In02 Ga08N юлиулной 2,5 нм,
разделенных барьерами на основе In005 Ga095 N толщиной 2,5 нм, слой р- Al02 Ga08
N: Mg толщиной 20 нм, слой р-GaN: Mg толщиной 0,1 мкм, слой p-Al0 07 Ga0 93 N: Mg
толщиной 0,4 мкм, слой р-GaN: Mg толщиной 0,2 мкм.
В ЛД на основе рассмотренной структуры резкий пик стимулированного из-
лучения проявляется надлине волны 406,3 нм при токе 140 мА, при этом полуши-
рина линии излучения составляет всего 0,03 нм. Интересной особенностью при-
бора является коротковолновый сдвиг максимума стимулированного излучения
по сравнению с максимумом спонтанного излучения (Л = 406,8 нм). При увели-
чении рабочего тока до уровня выше порогового проявляется многомодовый ха-
рактер генерации. При рабочем токе 190 мА мощность излучения составляет 10
мВт. Достаточно большая величина порогового тока является не единственной
проблемой современных ЛД фиолетового диапазона спектра. В течение длитель-
ного времени эти приборы характеризовались недостаточно большим временным
ресурсом функционирования. Вместе с тем следует отметить, что в последнее время
в этомвопросе достигнут радикальный прогресс, позволивший обеспечить ресурс
работы ЛД более 10 000 часов.
Наряду с излучающими приборами большой практический интерес представ-
ляют и фотоприемники (ФП) на основе нитрида галлия [20] и твердых растворов
на его основе, при этом в отличие от светоизлучающих приборов, в которых в
качестве активной области используются твердые растворы InGaN, в фотоприем-
никах наибольшее применение находят твердые растворы AlGaN, поскольку они
позволяют создавать приборы, способные детектировать УФ-излучение.
Область применения УФ-фотоприемников достаточно широка и включает в себя:
• биологические и химические датчики, датчики озона, загрязняющих веществ,
химических и биологических реагентов;
• датчики открытого пламени, которые могут использоваться в противопожарных
целях, при обнаружении запуска ракет;
• использование в системах космической связи;
• метрологические системы для измерения параметров УФ-излучения,
астрономические исследования, мониторинг солнечного излучения.
Нитриды элементов III группы особенно подходят для изготовления полупро-
водниковых УФ-фотоприемников [21]благодаря большой ширине запрещенной
зоны и прямому характеру зонной структуры. При этом одновременно обеспечи-
ваются большая величина коэффициента поглощения и малая чувствительность
к видимому и ИК-излучению. За счет изменения состава твердых растворов AlGaN
имеется возможность управлять длинноволновым срезом спектральной характе-
ристики фотоприемников на их основе [22].
За последнее время проработаны различные типы фотоприемников на осно-
ве рассматриваемых широкозонных нитридов и, в первую очередь, нитрида гал-
лия: фоторезисторы (ФР), ФД с барьером Шоттки, ФД на основе структур «ме-
талл/полупроводник/металл» (МПМ), рп- и pin-ФД, ЛФД и фототранзисторы
(ФТ). Перечисленные выше типы ФП обладают теми же преимуществами и
недостатками, что и приборы на основе других материалов. Фоторезисторы
обладают высоким коэффициентом внутреннего усиления, но одновременно
характеризуются сублинейным характером зависимости сигнала фотоотклика
от интенсивности регистрируемого излучения. К тому же они обладают недо-
статочным быстродействием. Фотодиоды с барьером Шоттки обладают доста-
точно высоким быстродействием (в наносекундном диапазоне) и вполне при-
годны для мониторинга окружающей среды. ФД на основе рп-, /чл-структур
рассматриваемых соединений имеют линейную зависимость фототока от мощ-
ности излучения и достаточно сильное подавление видимого излучения с ко-
эффициентом порядка 104. ЛФД на основе рассматриваемых материалов обла-
дают преимуществами большого быстродействия, высокой чувствительности.
Однако, как и все ЛФД они требуют достаточно большого напряжения смеще-
ния. Биполярные и полевые ФТ на основе AlGaN обладают достаточно боль-
шим коэффициентом усиления, но в этих приборах проявляются эффекты,
связанные с остаточной фотопроводимостью. Основные данные по альтерна-
тивным типам ФП приведены в таблице 1.13.
Таблица 1.13. Основные параметры альтернативных типов ФП на основе Alx Ga} x N
Тип прибора Содержание Л/(х) Фоточувстви- тельность А/Вт Линейность Контраст «УФ/ видимое»
ФР 0-0,35 100 нет < 10
0-1,0 100 нет 100
Шоттки-ФД 0 0,13 да 103
0,35 0,05 да > 104
МПМ-ФД 0 2 да 104
0,25 0,02 да 104
р/'и-ФД 0,7 0,11 да > 104
ЛФД 0 3 - 104
ФТ 0 1000 нет 104
Из приведенной таблицы следует, что ФР и ФТ обладают высокой фоточув-
ствительностью, хотя ее величина сильно зависит от мощности падающего излу-
чения. Сублинейный характер этой зависимости делает эти приборы непригод-
ными для тех областей применения, которые требуют надежное определение мощ-
ности излучения, как, например, в датчиках для калибровки излучателей или в
датчиках для количественного химического анализа.
В отличие от фоторезисторов фотовольтаические приборы имеют широкий
динамический диапазон линейности и резкую отсечку длинноволнового края
фоточувствительности.
Шоттки-ФД особенно хорошо пригодны для широкополосного фотодетек-
тирования, т.к. спектральная зависимость их фоточувствительности имеет прак-
тически платообразный характер.
Как уже отмечалось выше, ЛФД и ФТ имеют высокую фоточувствительность,
но остаются ограничения по динамическому диапазону, а в случае ЛФД — и по
достаточно высокому напряжению смещения.
У всех рассмотренных выше приборных структур наблюдается уменьшение
фоточувствительности при увеличении содержания А1 в твердых растворах AlGaN,
что может быть связано с дефектностью материала и проявлением эффектов ста-
тистического беспорядка.
1.4. Люминесцентные структуры
на основе органических материалов
Достигнутый в последнее время прогресс в области разработки сверхъярких
полупроводниковых структур для СИД и ЛД видимого диапазона спектра с
уровнем светоотдачи, согласующийся с данными долгосрочного прогнозирования,
стимулировал резкое расширение круга возможных применений этого класса
приборов, в первую очередь, в системах визуального отображения информации
коллективного пользования, требующих большой силы света (> 1 кд) при
умеренном токе (20 мА).
В значительной степени этот прогресс был обусловлен технологическим про-
рывом в синтезе структур нитрида галлия и его твердых растворов. СИД на основе
этих материалов обеспечивают яркость электролюминесценции (ЭЛ) В > 104 кд/м2.
Однако стоимость дискретных СИД на основе этих материалов по-прежнему ос-
тается достаточно высокой, что затрудняет их применение в экономичных систе-
мах отображения информации индивидуального и группового пользования.
Вместе с тем указанные типы систем представляют большой интерес, так как
актуальной остается проблема разработки экономичной технологии нового по-
коления плоских многоэлементных экранов с высоким разрешением и малым
энергопотреблением с использованием альтернативных жидким кристаллам (ЖК)
оптоэлектронных сред. В связи с этим в настоящее время интенсивно исследует-
ся возможность применения в качестве таких альтернативных сред электролю-
минесцентных структур на основе органических материалов.
1.4.1. Полимерные электролюминесцентные структуры
В настоящее время для получения СИД на основе органических материалов (ОСИД)
в качестве базового материала используется полифениленвинилен (PPV),
обеспечивающий эффективную ЭЛ в зеленой области спектра. Одновременно с этим
идет интенсивный поиск новых органических материалов, способных обеспечить
эффективную электролюминесценцию в различных спектральных диапазонах. Круг
этих материалов очень широк, но, по-видимому, по аналогии с твердотельными
аналогами наибольший интерес представляют приборы синего цвета свечения. В
связи с этим остановимся более подробно именно на этом типе прибора.
1.4.1.1. Оптические характеристики
В качестве одного из возможных вариантов для ре-
ализации ОСИД [23] синего цвета свечения могут
быть использованы структуры, которые содержат
последовательно сформированные на стеклянной
подложке слой нижнего прозрачного электрода на
основе окиси индия-олова, слой переноса дырок
толщиной 50—100 нм на основе политрифенила-
мина (РТА), активный люминесцентный слой тол-
щиной 25—50 нм на основе новой производной
1,2,4- триазола (DA—BuTAz), слой верхнего контак-
та на основе Mg:Ag.
Рис. 1.15. Спектры фотолюминесценции структуры на
основе органических материалов при слабом статичес-
ком возбуждении УФ-лампой с энергетической осве-
щённостью 1 (кривые 1, 2) и 10 мВт/см2 (кривые 3,4) и
температуре 300 (кривые 1, 3), 150 (кривая 2) и 370 К
(кривая 4). На вставке приведены спектры оптического
поглощения DA - BuTAz (кривая 5) и Р7>1 (кривая 6).
Рис. 1.16. Спектры ФЛ структуры на осно-
ве органических материалов в обычной
(кривые 1,2) и микрорезонаторной (кривые
3—5) геометрии при большом уровне лазер-
ного импульсного возбуждения 150 Вт/см2
(кривые 1,3, 4) и 1 кВт/см2 (кривые 2, 5), и
температуре 300 (кривые 1, 3), и 150 К (кри-
вые 2, 4, 5).
Оптические свойства рассматриваемой
структуры иллюстрирует рис. 1.15 [23].
Спектры поглощения образующих
структуру органических слоев характе-
ризуются резким краем оптического по-
глощения в синей области и содержат
явно выраженные максимумы в фиоле-
товой и УФ-областях спектра. Даже при
малом уровне возбуждения структуры
обладают достаточно интенсивной ши-
рокополосной фотолюминесценцией
(ФЛ) в синей области спектра, при этом
наблюдается достаточно большой сто-
ксовский сдвиг между максимумами
спектров поглощения и ФЛ. Интересной
особенностью спектров ФЛ органичес-
ких материалов является очень слабая
температурная зависимость спектраль-
ного положения и формы полос люми-
несценции.
Интенсивность ФЛ в области малых
уровней возбуждения сначала резко
возрастает с последующим переходом в
область более плавного изменения, при
этом, что существенно, насыщение ин-
тенсивности ФЛ не наблюдается и при
больших уровнях возбуждения азотным
УФ-лазером.
Интересные особенности спектров
ФЛ структуры проявляются в геометрии микрорезонатора, образованного металли-
ческим слоем, слоями органических материалов и стеклянной подложкой (рис. 1.16).
В отличие от стандартной геометрии возбуждения при использовании микро-
резонаторной геометрии наблюдается существенное уширение спектров ФЛ, при
этом при достаточно большом уровне возбуждения и температуре 150 К имеет мес-
то общее сужение спектров ФЛ и проявление в них двух достаточно резких пиков.
В приведенных выше данных по оптическим свойствам конкретного типа
структуры с эффективной люминесценцией в синей области спектра проявляются
закономерности общие не только для других типов органических структур, но и
для твердотельных структур. Как физический объект органические материалы
могут рассматриваться как органические полупроводники с неупорядоченной
структурой. Анализ данных по неупорядоченным полупроводникам показывает,
что статистический беспорядок в полупроводниках вызывает размытие резких
особенностей зонной структуры, локализованных состояний и формирование зон
экситонных состояний.
Согласно существующим представлениям в отличие от неорганических полупро-
водников типа рассмотренных ранее твердых растворов, где в излучательных про-
цессах проявляются экситоны Ванье—Мотта, в органических материалах излучатель-
ная рекомбинация обусловлена экситонами Френкеля, на основные характеристики
которых существенное влияние оказывают деформированная структура и статисти-
ческий беспорядок в распределении боковых цепочек. В частности, этому фактору
приписывается уширение спектров люминесценции органических материалов.
Большая ширина спектров люминесценции присуща спектрам люминесценции
не только органических материалов, но и в ряде случаев характерна также и для твер-
дотельных кристаллических систем, где сильно проявляются эффекты статистичес-
кого беспорядка, например в твердых растворах полупроводниковых соединений.
Аналогичные эффекты наблюдались ранее как в спектрах люминесценции связан-
ных экситонов в GaAsP.N, так и в характеристиках краевой люминесценции InGaN.
Отличительной особенностью оптических переходов в рассматриваемых ма-
териалах является достаточно большой стоксовский сдвиг между краем оптичес-
кого поглощения и максимумом полосы ФЛ, что также характерно для локали-
зованных экситонов в твердых растворах GaAsP.N. Как и в случае твердых раство-
ров, в полимерах деформированная структура, статистический беспорядок при-
водят к сильному электрон-колебательному взаимодействию и усилению процесса
рассеяния в низкоэнергетические состояния.
Увеличение уровня возбуждения при переходе к лазерной накачке, вероятно,
приводит к насыщению низкоэнергетических состояний и смещению максиму-
ма полосы ФЛ в коротковолновую сторону. Проявление пичковой структуры в
спектрах ФЛ может быть обусловлено модовой структурой микрорезонатора,
включающего слои органических материалов и стеклянную подложку.
Дополнительное усложнение в экспериментально наблюдаемые спектры ФЛ вно-
сит двухслойный характер полимерной структуры, причем каждый из слоев структу-
ры обладает высокой эффективностью люминесценции и может давать различный
вклад в зависимости от условий возбуждения. Общее сужение спектров ФЛ и прояв-
ление двух резких линий при достаточно большом уровне возбуждения может быть
связано с переходом к режиму оптического усиления в обоих слоях структуры.
Органические материалы могут обладать высоким квантовым выходом лю-
минесценции (> 80 %), что, по-видимому, объясняет слабую температурную за-
висимость интегральной интенсивности ФЛ, а также то, что при достаточном уров-
не накачки зависимость интенсивности ФЛ от уровня возбуждения становится
близкой к линейной.
1.4.1.2. Приборные характеристики
Как это видно из рис. 1.17 [23], знако-синтезирующие индикаторы синего цвета
свечения на основе рассмотренных выше структур обладают диодным характером
вольт-амперных характеристик (ВАХ), при этом повышение температуры
окружающей среды сопровождается увеличением тока при фиксированном
напряжении, что приводит к сдвигу ВАХ в сторону меньших напряжений смещения.
Рис. 1.17. Прямые ветви ВАХ индикаторов
на основе полимерных структур синего цве-
та свечения при температуре 300 (кривая 1)
и 370 К (кривая 2). На вставке прямая ветвь
ВАХ в полулогарифмическом масштабе при
Г =300 К.
Рис. 1.18. ВЯХ индикаторов на основе по-
лимерных структур при температуре 300
(кривая 1) и 370 К (кривая 2).
В исследованиях структур на осно-
ве Alq3 и РРКбыло установлено, что пря-
мая ветвь ВАХ ОСИД, как правило,
описывается соотношением:
I-Um+l. (1.61)
При этом в ОСИД на основе Alq3 и
PPV величина т обычно составляет
т = 10. Одной из теорий, описывающих
ВАХ ОСИД является теория переноса но-
сителей заряда, ограниченного зарядом
(TCL). Слабыми местами этой теории яв-
ляются ряд произвольных допущений, а
также неучет полевой зависимости под-
вижности носителей заряда, которая в об-
щем случае описывается соотношением:
д~двехр(аЕ//2), (1.62)
где Е — напряженность электрическо-
го поля, а величина а возрастает по мере
увеличения степени неупорядоченнос-
ти исследуемой системы. Эксперимен-
тальными исследованиями Alq3 уста-
новлено, что подвижность в слабом
поле составляет 6,5* 10-10 см2/(Вс), при
этом подвижность возрастает на 4 по-
рядка при изменении напряженности
электрического поля до 4* 10 6 В/см.
Прямые ветви ВАХ индикаторов на ос-
нове структур DA-BuTAz /РТА в широ-
ком диапазоне токов описываются со-
отношением (1.61). В то же время в об-
ласти сверхмалых токов эти характери-
стики имеют вид, аналогичный генера-
ционно-рекомбинационной составля-
ющей, обычно наблюдаемой в твердо-
тельных СИД и приписываемой глубо-
ким центрам захвата. В целом характер
температурной зависимости прямой
ветви ВАХ соответствует тому, что
обычно наблюдается в СИД на основе
неорганических материалов. Аналогич-
ный характер имеет и тенденция возра-
стания прямого напряжения ОСИД при
продвижении генерируемого ими излу-
чения в коротковолновую область.
Типичные вольт-яркостные харак-
теристики (ВЯХ) приборов имеют боль-
шую крутизну по сравнению с прямой
ветвью ВАХ (рис. 1.18) [23].
В рассматриваемом случае свечение
наблюдается визуально уже при пря-
мом токе 0, 5 мкА и смещении « 9, 5 В,
а зависимость яркости электролюми-
несценции (ЭЛ) от напряжения имеет
ярко выраженный нелинейный харак-
тер. Возрастание температуры в рас-
сматриваемом случае также приводит
к увеличению яркости ЭЛ при фикси-
рованном напряжении.
Типичные спектры ЭЛ индикато-
ров приведены на рис. 1.19 [23].
В отличие от спектров ФЛ спектры
ЭЛ при сверхмалых токах имеют более
широкополосный характер и перекры-
вают диапазон от УФ до желто-оранже-
вой области спектра. Увеличение пря-
мого тока позволяет выявить сложную
структуру спектров ЭЛ, содержащую
коротковолновую и длинноволновую
компоненты, причем коротковолновая
компонента доминирует при достаточ-
но высоком токе.
Спектры ЭЛ индикаторов синего цвета
свечения подобно ОСИД на основе РР
Рис. 1.19. Спектры ЭЛ индикаторов на основе
полимерных структур при токе 1 (кривая 1),
5 (кривая 2), 25 (кривая 3) и 300 мкА (кри-
вая 4). Кривая 5 (верхняя шкала) — спектр
ОСИД на основе PPV.
имеют широкополосный характер, при
этом присутствием глубоких ловушечных центров можно объяснить
экспериментально наблюдаемую спектральную перестройку ЭЛ с увеличением
тока через прибор. Вероятно, именно присутствие глубоких центров захвата
определяет и начальный участок зависимости интенсивности ФЛ от уровня
возбуждения, а также наличие области избыточного тока в прямой ветви ВАХ.
Оценка светотехнических характеристик индикаторов на основе полимерных
структур показывает, что даже в диапазоне сверхмалых токов их светоотдача пре-
вышает 1 лм/Вт, при этом этот параметр возрастает с увеличением прямого тока.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что по своим светотехническим па-
раметрам индикаторы и ОСИД на основе полимерных структур соответствуют
сверхъярким приборам типа СИД на основе GaN, а по совокупности характерис-
тик, включая спектральные характеристики, их можно рассматривать как орга-
нические аналоги СИД на основе GaN.
С учетом того, что в полимерных электролюминесцентных приборах излуча-
тельная рекомбинация происходит в условиях сильного электрического поля,
которое, в свою очередь, определяется толщиной активной области, на техноло-
гию создания многоэлементных приборов на основе этих материалов наклады-
ваются жесткие ограничения, в первую очередь связанные с условиями получе-
ния равномерных полимерных слоев с минимально возможным разбросом по
толщине. Разброс по толщине полимерных слоев в пределах многоэлементного
прибора неизбежно приводит к разбросу ВАХ и электролюминесцентных харак-
теристик прибора.
1.4.2. Сравнительный анализ твердотельных гетероструктур
и полимерных структур для гибридной полимерно-
твердотельной оптоэлектроники
Как уже отмечалось выше, спектры люминесценции нитрида галлия и струк-
тур на основе DA—BuTAz в синей области спектра имеют много общего. Особый
интерес указанная аналогия представляет в контексте реализации различных цве-
товых оттенков Я(7/?-системы с использованием как твердотельных структур на ос-
нове нитрида галлия и его твердых растворов, так и полимерных структур [24].
Исследование спектров люминесценции обоих типов структур показывает, что
в сине-фиолетовой области спектра высокоэффективная ФЛ может быть реали-
зована в структурах InGaN (Л = 450 - 470 нм, Л = 70 нм) и в полимерных структу-
рах на основе DA - BuTAz (Л = 430 нм, Л = 65 нм).
Для реализации высокоэффективной ФЛ в сине-зеленой области спектра мо-
гут быть использованы гетероструктуры InGaN (Л = 490 — 530 нм, Л = 60 нм) и
тонкопленочные полимерные структуры на основе Zn (ОВ - ВА)2 (Л = 510 нм и
Л = 510 нм, А = 65 нм).
Одновременно с этим оранжево-красная люминесценция может быть реали-
зована с использованием гетероструктур InGaN (Л = 594 нм, Л = 60 —90 нм) и
тонкопленочных структур MEH-PPV(Л = 595 нм и Л =70 нм).
Несмотря на различную природу экситонной рекомбинации в обоих типах
структур можно сделать вывод о том, что на основные характеристики люминес-
ценции в них существенное влияние оказывают эффекты статистического беспо-
рядка, приводящие к существенному уширению спектров ФЛ. Помимо высокой
эффективности излучательной рекомбинации и достаточно большой полушири-
ны спектров люминесценции к числу признаков, общих для обоих типов струк-
тур относится также и существенный стоксовский сдвиг между спектральным по-
ложением максимума полосы люминесценции и краем оптического поглощения.
Анализ температурных зависимостей ФЛ показывает, что тонкопленочные поли-
мерные структуры характеризуются существенно более слабой зависимостью спек-
тральной формы и интенсивности люминесценции от температуры.
Исследование люминесцентных характеристик в широком диапазоне уров-
ней возбуждения показывает, что в обоих типах структур могут проявляться мик-
рорезонаторные эффекты и эффект оптического усиления спонтанного излуче-
ния, приводящий к сужению полос излучения при достаточно большом уровне
возбуждения.
Анализ технологических особенностей формирования обоих типов структур
показывает их совместимость в том случае, когда на первом высокотемператур-
ном этапе осуществляется ЛЮСКР-синтез твердотельных структур. А на заклю-
чительном низкотемпературном этапе формируются тонкопленочные структуры.
Это обстоятельство создает технологические предпосылки для формирования эле-
ментов полимерно-твердотельной оптоэлектроники. Простейшим применением
указанного подхода является использование полимерных тонкопленочных струк-
тур, наносимых на тыльную сторону сапфировой подложки, в качестве высоко-
эффективных люминофоров, позволяющих осуществлять перестройку цвета све-
чения базового кристалла на основе структур InGaN.
Исследование ФЛ таких гибридных структур типа /лбо/У/сапфир/полимер по-
казывает, что в таких структурах могут быть реализованы различные цветовые от-
тенки ЛбР-системы, включая белый цвет свечения.
Эргономический анализ систем визуального отображения информации по-
казывает, что с точки зрения улучшения контрастности отображаемой информа-
ции принципиальное значение имеет малая полуширина спектров люминесцен-
ции. Вместе с тем достаточно большая величина этого параметра характерна для
обоих типов структур. В случае поли-
мерных структур нанесение органичес-
ких материалов на зеркальные покры-
тия не сопровождается особыми техно-
логическими трудностями, при этом для
уменьшения полуширины спектров лю-
минесценции могут быть использованы
микрорезонаторные эффекты.
Проявление таких микрорезонаторных
эффектов в спектрах ФЛ полимерных
структур иллюстрируется рис. 1.20 [25].
Как известно, положение моды ре-
зонатора может быть рассчитано из те-
ории резонатора Фабри—Перо следую-
щим образом:
2ndcosQ=mA,, (1.63)
где d — зазор между зеркалами, в — угол
падения излучения, п — коэффициент
преломления среды между зеркалами и
т — целое число, соответствующее по-
рядку моды резонатора. В качестве ти-
пичного примера можно показать, что
при d = 140 нм, л=1,7, в = 0 и т = 1
величина Л составляет 476 нм. Как вид-
из представленного выше рисунка эта
Рис. 1.20. Спектры ФЛ подложки, покры-
той полимерными слоями (а), серии резо-
наторов с использованием зеркал на осно-
ве А1 различной толщины (Ь) и резонатора
на основе А1 с наивысшим коэффициентом
отражения (с).
особенность проявляется в спектрах ФЛ высокодобротного резонатора. Внутри
резонатора с высокой добротностью наблюдается резкое уменьшение полушири-
ны спектра излучения по сравнению со спектром безрезонаторной структуры: в
то время как спектр безрезонаторной структуры перекрывает интервал в 150 нм, в
структуре с резонатором полуширина полосы излучения составляет всего 8 нм.
Исходя из этой величины может быть оценена зеркальность резонатора в соот-
ветствии с соотношением:
Q = A/AA,, (1.64)
где Л — центральная волна моды в вакууме, а ДЛ — ширина резонансной моды.
Величина 8 нм близка к теоретическому пределу, который в первом приближении,
может быть оценен в соответствии с соотношением:
ДЛ = (Л2/2 nd) [ 1 - (Л, R2) / п (Rl R2)]. (1.65)
1.4.3. Гибридные полимерно-твердотельные СИД
Как уже отмечалось выше, по многим оптическим характеристикам (включая вы-
сокую эффективность излучательной рекомбинации, особенности спектров лю-
минесценции) органические полупроводники, рассмотренные выше, являются
своего рода аналогами твердых растворов InGaN. При этом комбинация обоих ти-
пов материалов в одном гибридном приборе может приводить к расширению его
функциональных возможностей. Использование этого подхода и привело к раз-
работке гибридных полимерно-твердотельных СИД. Приборы этого типа способ-
ны обеспечить реализацию широкой цветовой гаммы электролюминесценции за
счет возбуждения собствеиной фотолюминесценции в органическом люминофо-
ре излучением твердотельного кристалла на основе широкозонных нитридов. При
этом в качестве источника первичного излучения могут быть использованы кри-
сталлы СИД как на основе квантово-размерных гетероструктур твердых раство-
ров InGaN, так и на основе гомоструктур GaN [26].
1.4.3.1. Гибридные СИД на основе InGaN
В рассматриваемом случае в качестве источника возбуждения в приборе
используются кристаллы СИД на основе квантово-размерных структур InGaN.
Конструкция прибора содержит несколько основных элементов: рамочное
основание с выводами и рефлектором, кристалл СИД, органический люминофор
и внешнюю корпусную линзу.
Для изготовления гибридного СИД небольшое количество органического
материала растворяется в эпоксидной смоле и помещается в рефлектор основания
вместе с кристаллом СИД. Для реализации собственной фотолюминесценции зе-
леного цвета могут использоваться ароматические амины с высокой эффективнос-
тью ФЛ. Типичным примером такого вещества является 4-диметиламинохалкон
(DMAC) с полосой поглощения при Л = 450 нм и фотолюминесценцией в зеленой
области спектра (Л = 510 нм). Для реа-
лизации широкополосного излучения в
красно-оранжевой области спектра мо-
жет использоваться такой материал, как
красный нильский (NR) с полосой по-
глощения при Л = 500 нм и полосой фо-
толюминесценции вблизи 600 нм.
На рис. 1.21. представлены спектры
излучения гибридных приборов с люми-
нофорами, содержащими различное ко-
личество DMAC.
Спектр ЭЛ прибора, не содержаще-
го люминофор (кривая 1) имеет вид,
обычный для InGaN — СИД синего цве-
та свечения. Введение небольшого ко-
личества DMAC в люминофорное по-
крытие приводит к существенной
трансформации спектра ЭЛ (кривая 2),
обусловленной наложением собствен-
ного излучения кристалла InGaN и фо-
толюминесценции люминофорного по-
крытия. В рассматриваемом случае ин-
тегральное излучение с цветовыми ко-
ординатами (0,197; 0,420) визуально
X, нм
Рис. 1.21. Спектры электролюминесцен-
ции гибридных приборов с различными
вариантами люминофорных покрытий.
воспринимается как сине-зеленое свечение.
При использовании большой концентрации DMAC наблюдается общий сдвиг
спектра интегральной люминесценции в длинноволновую область (кривая 3). В
этом случае излучение с цветовыми координатами (0,400; 0,590) визуально вос-
принимается как желто-зеленое свечение.
В конструкции прибора может использоваться также и двухслойное люми-
нофорное покрытие. В гибридных СИД с двухслойным покрытием красный
люминофор поглощает зеленое излучение ароматического амина и частично
синее излучение кристалла СИД и преобразует его в оранжево-красное излу-
чение. В том случае, когда люминофорный слой на основе DMAC покрывает
кристалл InGaN, а слой с NR покрывает DMAC, спектр электролюминесцен-
ции с цветовыми координатами (0,268; 0,357) содержит доминирующую сине-
зеленую и более слабую оранжево-красную компоненты (кривая 4). Исполь-
зование обращенной геометрии люминофорных слоев приводит (кривая 5) к
доминированию оранжево-красной компоненты люминесценции с цветовы-
ми координатами (0,580; 0,435), которая визуально воспринимается как прак-
тически белое свечение с желтовато-зеленоватым оттенком. Цветовые коор-
динаты гибридных СИД с различным содержанием DMAC и NR представлены
на цветовой диаграмме CIE на рис. 1.22.
Рис. 1.22. Цветовые координаты гибридных
СИД на цветовой диаграмме CIE.
450 500 550 600
X, нм
Рис. 1.23. Относительная зависимость
силы света гибридных СИД от длины вол-
ны излучения.
Из представленного рисунка видно, что цветовые координаты гибридных СИД
перекрывают широкий диапазон цветовых оттенков от синего до оранжево-
красного, при этом некоторые точки на этом рисунке достаточно близки к точке,
соответствующей белому свету.
Сила света гибридных СИД, как правило, выше, чем у СИД синего цвета све-
чения без люминофора, что демонстрируется рисунком 1.23.
Из представленного рисунка видно, что относительная зависимость силы света
от длины волны имеет немонотонный характер, при этом максимальная сила света
достигается в приборах зеленого цвета свечения.
1.4.3.2. Гибридные СИД на основе GaN
Интересные возможности для создания гибридных СИД предоставляет
использование в качестве источника первичного излучения кристаллов GaN.
Типичные спектры электролюминесценции исходного кристалла боУ(рис. 1.24)
содержат краевую компоненту в УФ-области спектра (Л = 367 нм) и широкую
синюю полосу излучения (Л = 420 нм), обусловленную излучательными
переходами с участием примеси Zn.
Из приведенного рисунка видно, что по мере увеличения тока возбуждения про-
исходит заметная трансформация спектров электролюминесценции: в то время, как
при малых токах в спектрах доминирует синяя примесная компонента, при боль-
х, пт
Рис. 1.24. Спектры электролюминесценции
СИД на основе GaN при различных токах.
Рис. 1.25. Относительные зависимости интен-
сивности краевой УФ-компоненты и синей
примесной полосы излучения от прямого тока
ших токах начинает доминировать кра-
евое излучение. Более наглядно это вид-
но из рис. 1.25, на котором представле-
ны зависимости интенсивностей крае-
вой УФ-компоненты и синей примес-
ной полосы излучения.
Из представленного рисунка видно,
что УФ-полоса излучения, обусловленная
суперпозицией межзонной рекомбинации
электронно-дырочных пар и экситонной
излучательной рекомбинации характери-
зуется суперлинейной зависимостью ин-
тенсивности от уровня возбуждения. В то
же время синяя примесная полоса имеет Рис 1 26 Спектры электролюминесцен-
сублинейный характер зависимости ин- ции гибридных СИД при различных токах
тенсивности от возбуждающего тока. возбуждения.
Спектры электролюминесценции
гибридных СИД с использованием люминофоров на основе РТА иллюстрируют-
ся рис. 1.26.
Приведенные спектры электролюминесценции содержат как синюю компо-
ненту (Л = 470 нм), связанную с фотолюминесценцией РТА, так и часть синего
излучения кристалла GaN, при этом краевое излучение GaN практически полнос-
тью поглощается РТА и не проявляется в спектрах электролюминесценции. При
больших токах возбуждения полоса излучения с Л = 420 нм аналогично той же
полосе в приборах без люминофора насыщается, в то время как полоса с Л = 470
нм не насыщается. Такое поведение спектров двухполосной электролюминесцен-
ции в гибридных СИД вызвано тем, что полоса с максимумом при Л = 470 нм
обусловлена собственной фотолюминесценцией в GaN, возбуждаемой УФ-ком-
понентой излучения, генерируемого кристаллом GaN.
1.5. Перспективные структуры на основе кремния
и углерода
Элементарные полупроводники, с которых, собственно говоря, и началась
современная история полупроводниковой микроэлектроники, до сих пор
обладают большим потенциалом саморазвития, что мы постараемся
проиллюстрировать на примере структур кремния и углерода.
Кремний был и остается основным материалом микроэлектроники. В опреде-
ленном смысле — это «вечный» и одновременно постоянно совершенствующийся
полупроводниковый материал, что связано с уникальным сочетанием его свойств, а
также высхнбш уровнем технологии синтеза как самого материала, так и приборов на
его основе. Именно кремнию, в конечном итоге, мы обязаны вычислительному изо-
билию наших дней. Все сказанное относится и к оптоэлектронным применениям
кремния за рядом исключений, одним (но очень существенным) из которых являет-
ся малая эффективность собственной излучательной рекомбинации в этом материа-
ле, что связано с непрямым характером его зонной структуры и что вплоть до насто-
ящего времени сохраняет остроту проблемы эффективных излучателей на основе
кремния. Эта проблема наряду с задачами разработки специализированных интег-
ральных схем с улучшенными характеристиками скорости обработки информации и
повышенной устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов явилась
стимулом для дальнейшего развития кремниевой технологии и поиска новых струк-
тур на основе кремния, а именно: структур кремния на сапфире (КНС), кремния на
изоляторе (КНИ) и квантово-размерных структур на основе кремния.
1.5.1. Структуры на основе кремния на сапфире (КНС)
Технология структур КНС была предложена в 1960 году компанией Rockwell
исключительно с целью создания материала, обеспечивающего высокое быст-
родействие и малую мощность потребления ИС на основе комплементарных
структур металл / окисел / полупроводник (отсюда и часто встречающаяся аб-
бревиатура КМОП). Первоначальная технология характеризовалась достаточно
высокой дефектностью структур, что и неудивительно, так как в данном слу-
чае мы имеем дело с проблемой гетероэпитаксии структур с рассогласованием
постоянных решетки синтезируемых слоев и подложки (в данном случае с сап-
фиром А12 О3). В последнее время фирмой Peregrine Semiconductor разработана
технология структур ультратонкого кремния на сапфире (UTSi), уменьшаю-
щая плотность дислокаций несоответствия. В основе технологии лежит про-
ведение процесса синтеза в две стадии. Схема процесса, в основных чертах,
имеет следующий вид. На первой стадии проводится имплантация кремния в
нарушенный слой. Это приводит к тому, что его нижние две трети становятся
аморфными. На второй стадии проводится отжиг и оксидирование. В резуль-
тате происходящей рекристаллизации происходит резкое уменьшение плот-
ности дефектов, после чего проводится высокочастотное удаление окисла.
Сточки зрения использования в ИС преимущества КМОП-технологии на ос-
нове КНС — таковы:
• уменьшение паразитных емкостей из-за использования изолирующей подлож-
ки, что обеспечивает увеличение быстродействия и уменьшение искажений;
• улучшение характеристик линейности, возможность использования меньших
напряжений;
• высокий уровень развязки и уменьшение уровня помех благодаря изолирую-
щим свойствам подложки.
Не вдаваясь в подробности рассмотрения ИС на основе КМОП КНС (что вы-
ходит за рамки настоящей книги), отметим лишь их основные достоинства по
сравнению с ИС, изготовляемым с использованием альтернативных технологий:
• В случае ВЧ цифроаналоговых применений приборы на основе КНС обеспе-
чивают большую величину максимальной частоты Fmax по сравнению с Ft (пре-
дельная частота усиления по току). В приборах на основе объемного кремния
Fmax примерно равно Ft в то время, как в ИС на основе КНС Fmax примерно втрое
выше, чем Ft. Это обеспечивает большую гибкость конструирования ИС с уче-
том имеющихся технологических возможностей. Оценки показывают, что тех-
нология КМОП КНС с разрешением 0,5 мкм способна обеспечить достижение
Fmax = 50 ГГц, что превышает аналогичный параметр для приборов, получае-
мых по КМОП -технологии на объемном кремнии с разрешением 0,13 мкм.
• Благодаря изолирующим свойствам подложки возможна интеграция высокодоброт-
ных пассивных элементов (емкостей и индуктивностей/ В частности, индуктивно-
сти, сформированные с использованием металлических покрытий на КНС и имею-
щие добротность Q = 50, функционируют на частоте до 5 ГГц, в то время как доброт-
ность индуктивностей, сформированных по КМОП - технологии на объемном крем-
нии, составляет 10. Это позволяет создавать с использованием КНС-технологии вы-
сококачественные настраиваемые элементы и резонансные контуры.
• В связи с тем, что основой ИС КНС являются полевые КМОП-транзисторы,
эти устройства обладают меньшим уровнем синфазного шума по сравнению со
схемами на биполярных транзисторах.
• И наконец, следует отметить высокую устойчивость ИС на основе КМОП КНС
к воздействию дестабилизирующих факторов, что делает возможным их исполь-
зование в наиболее неблагоприятных
условиях.
Ограничимся на этом перечислени-
ем достоинств ИС на основе КМОП —
КНС, так наша основная цель выявить
оптоэлектронный потенциал этой тех-
нологии.
Рис. 1.27. Спектральная зависимость коэф-
фициента пропускания КНС — структуры с
толщиной слоя кремния 0,6 мкм.
Т, отн. ед.
гЛЛ
400 500 600
В связи с этим рассмотрим кратко основные оптические свойства структур
КНС. Во-первых, следует отметить, что они обладают достаточно большой про-
зрачностью в спектральном диапазоне от синей до ИК-области спектра. Типич-
ный спектр пропускания структуры КНС представлен на рис. 1.27.
Спектральная зависимость Т (Л) имеет явно выраженный осциллирующий харак-
тер, обусловленный проявлением интерференционных эффектов, при этом заметным
является плавное уменьшение как среднего значения пропускания, так и амплитуды
осцилляций, что обусловлено плавным возрастанием коэффициента поглощения, свой-
ственным для непрямозонных полупроводников, по мере уменьшения длины волны.
Интересной особенностью КНС-структур является проявление фотолюминес-
ценции в видимой области спектра при их возбуждении УФ-излучением (смот-
рите рис. 1.28).
Рис. 1.28. Спектр фотолюминесценции
КНС-структуры при ее возбуждении УФ-из-
лучением.
Рис. 1.29. Спектры фоточувствительности
ФД на основе структур КНС с толщиной слоя
кремния 0,1 (кривая 4) и 0,6 мкм (кривая 3),
а также 2 типов ФД на основе объёмного
кремния (кривые 1,2).
В рассматриваемом случае спектр со-
держит широкополосный пьедестал, зах-
ватывающий сине- зеленую и красную
области спектра, на котором выделяют-
ся очень резкие (шириной АЛ = 0,5 нм)
линии в красной области спектра. Об-
ращает на себя внимание модулирован-
ный характер широкополосного пьеде-
стала, что также может быть связано с
проявлением интерференционных эф-
фектов аналогично тому, как это имеет
место в случае спектров пропускания.
Возможные оптоэлектронные при-
менения КНС-структур ориентирова-
ны, в основном, на фотоэлектронику.
С учетом достижений в области раз-
работки ИС на основе КМОП КНС
особый интерес представляют фото-
электрические приборы, совместимые
с технологией КМОП КНС.
В связи с малой толщиной слоя крем-
ния и изолирующим характером сапфи-
ровой подложки при конструировании
ФД на основе КНС используется встреч-
но штыревая конфигурация контактов,
расположенных на поверхности слоя
кремния, при этом области п- и р-типа
проводимости формируются с использо-
ванием ионной имплантации. Сравнение
спектральных характеристик ФД на ос-
нове структур КНС и объемного кремния
иллюстрируется рисунком 1.29.
Обращает на себя внимание тот факт, что спектральные характеристики КНС-
ФД смещены в коротковолновую область спектра, при этом варьированием тол-
щины слоя кремния можно добиться существенного увеличения чувствительнос-
ти в УФ-области спектра. Модулированный характер спектральных характерис-
тик в рассматриваемом случае также может быть приписан проявлению интерфе-
ренционных эффектов. Максимальная фоточувствительность этих приборов в
синей области спектра составляет 0,1— 0,15 А/Вт.
В связи с проблемой создания высокочувствительных сенсоров особый интерес
представляют полевые фототранзисторы (ФТ) по технологии КМОП КНС.
Как и другие типы фотоприемников полевые фототранзисторы характеризу-
ются установившейся системой параметров, включая интегральную и спектраль-
ную фоточувствительность, шумовые, временные и эксплуатационные характе-
ристики. Как зачастую бывает в решениях задач об оптимизации, выбор опти-
мальной совокупности параметров носит компромиссный характер: достижение
оптимального значения одного из параметров получается за счет некоторого ухуд-
шения других параметров. В связи с этим представляется целесообразным «выч-
ленить» из всей системы параметров лишь основные, наиболее волнующие раз-
работчиков оптико-электронной аппаратуры, и установить их взаимосвязь.
В связи с этим, выделим, в первую очередь, следующие параметры полевых ФТ:
• энергетическую характеристику прибора 5, а именно, зависимость фототока
от мощности падающего на фоточувствительную поверхность излучения для
заданного спектрального интервала (А/ Вт);
• темновой ток ID определяющий обнаружительную способность фотоприем-
ника;
• приращение тока стока Мв.
При анализе характеристик полевых фототранзисторов [27] «напрашивается»
определенная аналогия с фотопроводниками, процессы в которых достаточно хо-
рошо изучены. Используя теорию фотопроводимости, можно сделать вывод о том,
что в фоторезисторе (ФР) и биполярном фототранзисторе (ФТ) усиление свето-
вого сигнала составляет G = т/Z, где т — время жизни неосновных носителей заря-
да, генерированных светом, a t — время их пролета через фоторезистор или ФТ.
При этом полоса рабочих частот составляет А/= 1/ (2рт), а произведение полосы
на усиление равно Gbf= 1/ (2лт), в связи с чем необходимо уменьшать время про-
лета носителей.
Очевидно, что и в полевом ФТ будет действовать аналогичный механизм уси-
ления фототока, при этом его величина MD = г|Р^ LWG, где г| — относительный
квантовый выход неосновных носителей, генерированных излучением с плотно-
стью падающей мощности Р . В данном случае LW - площадь фоточувствитель-
ной поверхности полевого ФТ. В канале прибора носители движутся в дрейфовых
условиях. Опуская промежуточные выкладки, находим, что на пологом участке
ВАХ полевого ФТ темновой ток может быть представлен в виде:
(1.66)
При этом соотношение \ID/ Id принимает вид:
Мп/1=вР IL/kJC (U-Uy. (1.67)
D' d sp ds ' J ox v g t 7 v 7
Это отношение не зависит от геометрических размеров прибора, при этом для
его увеличения предпочтительно использовать более толстый окисел и добивать-
ся того, чтобы U. было как можно ближе к U.
’ ds t
Анализ полученных соотношений показывает, что с учетом типичных пара-
метров полевых ПТ на КНС для достижения заданной полосы частот А/ при за-
данном отношении Mdr /Id необходимо обеспечить плотностт мощности падаю-
щего излучения:
Рр> 1,52 Ю-ЧД/р/4) (Ug - Uy^/U^. (1.68)
Анализ работы полевых ПТ на основе КНС показывает, что в зависимости от
их режима работы (£/ величина светового сигнала изменяется и возрастает
при увеличении крутизны и начального тока. Максимальные значения фоточув-
ствительности зависят от режима и геометрии прибора, при этом для излучения в
красной области спектра этот параметр может достигать 102 -104 А/Вт.
Отношение светового и темнового токов имеет максимум, лежащий в облас-
ти напряжений затвора вблизи порогового напряжения ПТ. Величина этого мак-
симума зависит от порогового напряжения ПТ и увеличивается при уменьшении
этого параметра.
Фоточувствительность и быстродействие полевых ПТ возрастают при увели-
чении W/L, при этом соответственно возрастают и начальные токи.
Приборы с встроенным каналом обладают более высоким отношением А/р /Id и
фоточувствительностью при малых значениях в то время как ПТ с
инверсионным каналом имеют большую фоточувствительность при больших Ug,
которая может достигать 15000 А/Вт.
Величина Д/р возрастает с увеличением толщины структуры КНС, так как за
счет большего поглощения быстрее формируется заряд в подложке.
В том, что касается быстродействия, следует отметить, что улучшения этой
характеристики можно добиться за счет увеличения уровня светового потока. В
этом случае уменьшается длительность как переднего, так и заднего фронтов
регистрируемого сигнала.
1.5.2. Структуры кремния на изоляторе (КНИ)
Строго говоря, рассмотренные выше структуры КНС относятся к частному случаю
структур кремния на изоляторе. Тем не менее, исторически так сложилось, что
под аббревиатурой КНИ понимаются структуры с активными слоями кремния на
поверхности SiO2 или более сложные структуры, включающие сочетание Si/SiO2.
К настоящему времени разработан целый ряд альтернативных технологичес-
ких вариантов получения структур КНИ. К их числу относится т.н. метод SIMOX,
когда в монокристалле кремния формируется слой SiO2 в результате имплантации
ионов О2 с большой дозой, метод BESOI, основанный на электрохимическом (или
химическом) утоньшении пластин n-SiO2 с заданным заранее на определенной
глубине стоп-слоем, например на основе p-Si, метод ELTRAN, основанный на
формировании монокристаллического слоя на пористом кремнии, метод форми-
рования КН И с использованием лазерной рекристаллизации.
Существенным для всех методов является формирование тонких слоев крем-
ния на изолирующем слое SiO2, что во многом определяет функциональные ха-
рактеристики этих структур, которые в микроэлектронных применениях во мно-
гом аналогичны тем характеристикам, которые свойственны КНС-структурам.
Подобно тому, как на основе КНС разработаны ФД, чувствительные в коротко-
волновой области спектра, аналогичные приборы, чувствительные в синей и УФ-
области спектра могут быть разработаны и на основе КН И.
Особый интерес представляют высокочувствительные фотоприемники на ос-
нове полевых ФТ, которые исторически первыми были разработаны на основе
КНИ[28,29].
В рассматриваемом случае ПТ на основе МОП-структуры содержит полупро-
водниковый слой на изолирующей (кварцевой) подложке со сформированными
на нем областями стока, истока и канала. В рассматриваемом случае р-л-переход
располагается в канале, при этом его плоскость параллельна подложке. Области
л+-типа проводимости образуют омические контакты с областью п типа проводи-
мости, расположенной непосредственно под подзатворным диэлектриком. В ус-
ловиях режима обеднения электропроводность осуществляется за счет переноса
электронов через скрытый канал, задаваемый сверху слоем обеднения, контро-
лируемый напряжением затвора, а снизу — обедненным слоем р-л-перехода.
В рассматриваемом случае на кварцевых подложках были изготовлены как ПТ
с встроенным каналом (с обеднением), так и с индуцированным каналом (с обо-
гащением). При этом кремниевые слои толщиной 0,5 мкм формировались рек-
ристаллизацией с использованием сканирующего СО2-лазера .Область канала ПТ
с встроенным каналом формировалась ионной имплантацией через подзатвор-
ный окисел толщиной 130 нм, что обеспечивало концентрацию акцепторов
Na ~1017 см-3 в нижней половине кремниевого слоя и концентрацию доноров
Nd = 1017 см-3 в его верхней половине. ПТ с индуцированным каналом в нижней
части были легированы аналогичным образом в то время, как в верхней части кон-
центрация акцепторов составляла ~ 2 1016 см~3. Полупрозрачный электрод затво-
ра формируется слоем поликремния толщиной 0,35 мкм. При формировании об-
ластей стока, истока, затвора используется имплантация донорной примеси с кон-
центрацией Nd - 1021 см-3.
Типичные зависимости тока стока от напряжения на затворе для двух типов тран-
зисторов в темновых условиях и условиях засветки иллюстрируются рисунком 1.30.
Зависимости фоточувствительности двух типов приборов, полученные с ис-
пользованием данных рисунка 1.30, представлены на рис. 1.31.
В случае ПТ с встроенным каналом фоточувствительность плавно увеличивается
от 300 до 1000 A/Вт при изменении VG в то время, как в случае ПТ с индуцированным
каналом она резко возрастает от значения < 0,1 A/Вт до 1000 A/Вт. В то же время оче-
видно, что с практической точки зрения режим большой фоточувствительности выше
порога мало пригоден, так как он сопровождается большим уровнем темнового тока.
Рис. 1.30. Зависимости тока стока от напряжения затвора в темновых условиях и условиях
засветки для ПТ с встроенным (а) и индуцированным (б) каналом.
Рис. 1.31. Зависимости фоточувствительно-
сти двух типов полевых ФТ от напряжения
на затворе.
Рис. 1.32. Спектральные зависимости фоточув-
ствительности полевых ПТ в режиме освеще-
ния с фронтальной стороны и через подложку.
Наличие прозрачной подложки в рассматриваемом случае обеспечивает воз-
можность работы приборов как в режиме освещения с фронтальной стороны, так и
через подложку, при этом спектральные зависимости фоточувствительности в каж-
дом из рассматриваемых случаев имеют различный вид, что иллюстрируется ри-
сунком 1.32.
1.5.3. Структуры на основе A2Bf/SiO2/Si
Дальнейшего улучшения функциональных возможностей кремния как оптоэлек-
тронной среды можно добиться за счет перехода к структурам типа А2В 6/SiO2 /Si.
Для получения таких структур может быть использован метод термического
вакуумного напыления соединений А 2В6 на SiO2 /Si с последующей их сенсиби-
лизацией и термическим отжигом, приводящим к формированию поликристал-
лического слоя А 2В 6. С кристаллографической точки зрения такой слой пред-
ставляет собой систему с топологическим беспорядком в то время как сама струк-
тура во многом аналогична структурам КНИ: она также содержит тонкий слой на
поверхности изолирующего слоя SiO2 и может содержать расположенную под SiO2
подложку Si, при этом как подложка, так и верхний слой могут выполнять актив-
ную функцию. Единственным, хотя и существенным отличием является то, что
верхний слой выполняется не на основе кремния, а на основе соединений А 2В6.
В связи с этим на примере CdSe,CdTe рассмотрим кратко оптические свойства
тонких пленок Л2В6 [30].
Спектры отражения и пропускания CdSe иллюстрируются рисунком 1.33.
Аналогично тому, как это уже отмечалось при рассмотрении структур КНС
отличительной особенностью представ-
ленных спектров является проявление
в них осциллирующей структуры, чт<
может быть связано с проявлением эф
фекта интерференции в тонкой пленке
В то же время обращает на себя внима
ние более резкое изменение коэффици
ента пропускания в области фундамен
тальной полосы поглощения вблизи £
что может быть связано с более резкт
характером спектральной зависимосп
коэффициента поглощения в прямо
зонных полупроводниках, к которым
относится и CdSe.
Прямой характер зонной структуры
энергетического спектра CdSe приводит
к тому, что в структурах CdSe/SiO2/Si
имеет место достаточно эффективная
излучательная рекомбинация, что ил-
люстрируется рисунком 1.34.
В рассматриваемом случае спект-
ры люминесценции даже при комнат-
ной температуре содержат набор до-
статочно резких линий, обусловлен-
ных как краевой полосой излучения,
так и примесными излучательными
переходами. Различная природа по-
лос, образующих спектр люминес-
ценции, обуславливает перераспреде-
ление их интенсивности при измене-
нии температуры.
Рис. 1.33. Спектры отражения (кривая 3) и
пропускания (кривые 1, 2) слоёв CdTe (1),
CdSe (2,3)
700 800 _ 900
Длина волны, нм
Рис. 1.34. Спектры катодолюминесценции
структур CdSe/SiO2/Si при температуре
Т=300 (кривая 1) и 77 К (кривая 2).
Завершая краткое рассмотрение оптических свойств структур А2 В6 /SiO2 /Si,
отметим, что внешний квантовый выход люминесценции в них достаточно высок
и составляет 0,1—0,3 %.
При том, что переход к рассмотренным структурам позволяет добиться дос-
таточно высокой эффективности люминесценции, основная область их приме-
нения все-таки лежит в области фотоэлектроники. С использованием структур
CdSe/SiO2/Si получены высокочувствительные фоторезисторы (с фоточувстви-
тельностью Sm = 50 —100 А/ Вт), спектральная характеристика которых имеет
практически радиометрический характер и перекрывает спектральный диапа-
зон от УФ-диапазона (Л = 350 нм) до красной (Л = 700 нм) области спектра. В
рассматриваемом случае использовалась стандартная встречно-штыревая кон-
струкция прибора с планарным расположением контактов на поверхности слоя
CdSe. Длинноволновая область спектров фоточувствительности таких фоторе-
зисторов иллюстрируется рисунком 1.35.
S, (от. ед.)
500 700 800
Длина волны (нм)
1100
Рис. 1.35. Спектры
фоточувствительно-
сти ф< торезисторов
на основе CdSe для
двух ортогональных
направлений поля-
ризации. На вставке
спектр фоточувстви-
тельности в ближней
ИК-области.
Подобно фотоприемникам на основе монокристаллических соединений А2 В6
в рассматриваемом случае также проявляется зависимость спектральных харак-
теристик от поляризации регистрируемого излучения (рис. 1.35).
Одновременно с этим в спектрах фоточувствительности присутствуют поло-
сы в ближней ИК-области в диапазоне длин волн вплоть до Л =1,8 мкм.
1.5.4. Квантово-размерные структуры на основе кремния
Попытки преодолеть одно из основных ограничений кремния как опто-
электронной среды, а именно отсутствие эффективной собственной люминес-
ценции, привели к обнаружению достаточно эффективной люминесценции в
пористом кремнии (PS).
В основе технологии получения пористого кремния лежит электрохимичес-
кое окисление монокристаллического кремния в концентрированных раство-
рах плавиковой кислоты (HF). Реакция формирования пористого кремния силь-
но зависит от типа и уровня легирования кремния. Пористый кремний обычно
характеризуется таким параметром как пористость, определяемая как процент-
ное содержание пустот в материале и варьируемая в диапазоне от 5 до 85%. При
этом размеры пор очень малы (их радиусы изменяются от 1 до 100 нм в зависи-
мости от типа и уровня легирования, а также от параметров электролиза). С ма-
териаловедческой точки зрения пористый кремний может рассматриваться как
квантово-размерная структура с топологическим беспорядком.
Характерной особенностью порис-
того кремния является то, что он обла-
дает яркой фотолюминесценцией в ви-
димой области спектра при комнатной
температуре с эффективностью 0,1 —
0,2 %, при этом спектры люминесцен-
ции достаточно широки (с полушири-
ной порядка 200 нм, при этом длиной
волны в максимуме можно управлять в
диапазоне от 800 до 650 нм за счет уве-
личения пористости. Спектры фото-
люминесценции пористого кремния с
различной пористостью иллюстриру-
ются рисунком 1.36 [31].
Дискуссии по поводу природы этой
люминесценции еще продолжаются.
Одной из наиболее популярных гипо-
тез этого эффекта является квантово-
размерная природа этого эффекта в Si, в соответствии с которой в материале с
высокой пористостью преобладают нанокристаллиты, для которых ширина зап-
рещенной зоны должна увеличиваться настолько, что длина волны излучатель-
ной рекомбинации должна смещаться в видимую область спектра. Имеются
предположения, что в рассматриваемом случае имеет место модификация зон-
ной структуры с ее переходом от непрямого к псевдопрямому характеру, сопро-
вождающаяся увеличением ширины запрещенной зоны. Одновременно с этим
возможным является проявление эффектов гидрогенизации. Присутствие ато-
мов водорода на поверхности структур микропористого кремния может приво-
дить к возникновению излучательных поверхностных состояний. Другим про-
цессом является возбуждение гидридов Si с последующей излучательной реком-
бинацией с их участием. В том случае, когда в процессе синтеза образуются по-
лимерные силоксены типа Si(O^H( или их производные, эти соединения могут
стать активной средой для возбуждения интенсивной люминесценции в види-
мой области спектра при комнатной температуре.
Длина волны, нм
Рис. 1.36. Спектры фотолюминесценции
пористого кремния с пористостью 80% (А),
75% (В) и 70 % (С).
I, отн. ед.
500 600 700 800
X, нм
Рис. 1.37. Спектры фотолюминесценции
структур PS при возбуждении УФ-лазером,
зарегистрированные при комнатной
(сплошная линия) температуре, температу-
ре жидкого азота (пунктирная линия), а
также спектр фоточувствительности струк-
туры PS (штрих-пунктирная линия) при
комнатной температуре.
Рис. 1.38. ВАХ СИД на основе PS.
Проведенные нами исследования
структур PS иллюстрируются рисунком
1.37.
Результаты этих исследований мож-
но суммировать следующим образом:
при комнатной температуре спектры
фотолюминесценции (ФЛ) носят широ-
кополосный характер (D1/2= 350 мэВ). В
отличие от структур на основе объемно-
го кремния спектры фоточувствительно-
сти смещены в коротковолновую (оран-
жево — красную) область спектра. Кван-
товый выход ФЛ может составлять ве-
личину порядка 0,4 — 0,5 %, при этом
зависимость интенсивности ФЛ от
уровня возбуждения носит характер,
близкий к линейному. Увеличение уров-
ня возбуждения сопровождается сме-
щением максимума полосы ФЛ в корот-
коволновую сторону на 15—20 мэВ при
одновременном уменьшении полуши-
рины спектра на 40 мэВ.
Понижение температуры окружаю-
щей среды сопровождается слабым сме-
щением максимума полосы ФЛ в корот-
коволновую сторону с характером, от-
личным от температурной зависимости
ширины запрещенной зоны объемного
кремния. При этом величина этого сме-
щения в температурном диапазоне 300—
77 К составляет 60 мэВ. Одновременно
с этим наблюдается увеличение интен-
сивности ФЛ в 6—8 раз.
Предполагается, что достаточно боль-
шая полуширина спектров люминесценции PS является следствием статистического
распределения размеров нанокристаллитов. Установлено, что для получения эффек-
тивной люминесценции необходима пассивация поверхности материала, в отсутствии
которой наблюдается сильная деградация люминесценции. При этом достаточно эф-
фективным способом может быть частичное окисление слоя пористого кремния.
Первые светоизлучающие диоды (СИД) на основе пористого кремния с про-
стой конструкцией, реализованной напылением металла на поверхность активно-
го слоя обладали далеко неидеальными характеристиками. Для возбуждения элек-
тролюминесценции требовалось, как правило, достаточно большое напряжение,
при этом обе ветви ВАХ имели практически одинаковый характер (рис. 1.38).
В последнее время достигнут определенный прогресс в технологии СИД на ос-
нове пористого кремния, который позволил увеличить квантовый выход элект-
ролюминесценции до 0,1%. И хотя еще нет полного понимания процессов ин-
жекции и рекомбинации в СИД на основе пористого кремния даже феноменоло-
гический подход позволяет в настоящее время избирательно управлять характе-
ристиками этих приборов. В частности, управление пористостью материала по-
зволяет формировать оптические резонаторы, ограниченные брэгговскими зер-
калами. В этом случае можно добиться существенного уменьшения полуширины
спектров электролюминесценции и на-
стройки их максимумов на определен-
ную длину волны, что иллюстрируется
рис. 1.39.
Одновременно с этим можно до-
биться существенного уменьшения ди-
аграммы направленности, что иллюст-
рируется рисунком. 1.40.
Помимо активных оптоэлектрон-
ных элементов на основе пористого
кремния может быть изготовлен целый
ряд пассивных интегрально-оптических
компонентов, в частности, дифракци-
онные решетки, узкополосные оптичес-
кие фильтры и т.д.
В качестве примера рассмотрим
конструкцию фотодиода с интегриро-
ванным интерференционным фильтром
на основе PS (рис. 1.41).
Возможность управления оптичес-
кими характеристиками PS за счет со-
ответствующего выбора режима травле-
ния позволила уже на этой стадии ис-
следований приступить к синтезу и ис-
следованию нового типа квантово-раз-
мерных структур, а именно: сверхреше-
ток на основе PS, обладающих рядом
интересных характеристик [33].
Рисунок 1.42 иллюстрирует спект-
ры отражения сверхрешетки на основе
PS, состоящей из 20 периодов череду-
ющихся слоев PS с пористостью 64%
толщиной 52 нм и слоев PSc пористо-
стью 89% толщиной 774 нм, при этом
полная толщина сверхрешетки соста-
вила 15,3 мкм.
Длинна волны(нм)
Рис. 1.39. Спектры электролюминесценции
при комнатной температуре для микроре-
зонаторов с различной пористостью. Все
спектры получены в режиме обратного сме-
щения — 100 В.
Рис. 1.40. Диаграмма направленности из-
лучения микрорезонатора (•) и активного
слоя (о) на основе пористого кремния.
Рис. 1.41. Схематическое изображение по-
перечного сечения фотодиода с интегриро-
ванным
Рис. 1.42. Спектры отражения сверхрешёт-
ки на основе PS (сплошная линия) и объём-
ного кремния (пунктирная линия).
Рис. 1.42. Спектры отражения сверхрешетки на основе PS (сплошная линия) и
объемного кремния (пунктирная линия). Следует отметить ряд особенностей спект-
ров отражения сверхрешеток на основе PS по сравнению с объемным кремнием. Во-
первых, они носят сильно модулированный характер и, во-вторых, коэффициент от-
ражения вблизи 1000 см-1 может быть втрое больше, чем у объемного кремния.
Эти особенности отражения сверхрешеток на основе PS, в свою очередь, оп-
ределяют и особенности их спектров ФЛ, что иллюстрируется рисунком 1.43.
В рассматриваемом случае сверхрешетка на основе PS действует как селек-
500 550 600 650 700 750 800
Длина волны (нм)
Рис. 1.43. Спектр ФЛ сверхрешётки на основе PS.
тивный оптический фильтр, который
вследствие проявления эффектов мно-
гопроходности и интерференции при-
водит к сужению спектров люминес-
ценции PS.
В заключение вновь возвратимся к
вопросу о природе люминесценции PS
с учетом приведенных выше данных.
Можно было бы ожидать, что про-
яснению этого вопроса должно способ-
ствовать исследование характеристик
квантово-размерных структур кремния,
полученных альтернативным методом
синтеза. В этом смысле особый интерес
представляют результаты исследования самоформирующихся квантовых нитей
кремния, синтезированных на сапфире методом молекулярно-лучевой эпитак-
сии из газового источника. Не вдаваясь в особенности технологии синтеза таких
квантово-размерных КНС-структур, отметим лишь, что нити были ориентирова-
ны в одном направлении и имели ширину 50 нм и высоту 1 нм[34].
Длина волны (нм)
Рис. 1.44. Спектры ФЛ квантово-размерных
КНС-структур при температуре 300 и 9 К.
Типичные спектры ФЛ таких струк-
тур при температуре 300 и 9 К приведе-
ны на рис. 1.44.
В соответствии с предлагаемой ин-
терпретацией резкий пик (являющийся
на самом деле дуплетом из двух линий с
малой полушириной) вблизи 695 нм свя-
зан с излучательными переходами
2Е —» 4Aj с участием ионов хрома в сап-
фире, в то время как широкополосная
люминесценция обусловлена квантово-
размерной люминесценцией в кванто-
вых нитях кремния.
В то же время указанная интерпре-
тация порождает больше вопросов, чем
дает ответ на основной вопрос.
Предполагается, что широкополос-
ный пьедестал спектра ФЛ, похожий на спектр люминесценции PS, связан с из-
лучательными переходами в этом материале. Вместе с тем, следует отметить не-
сколько моментов, которые свидетельствуют о недостаточной корректности это-
го вывода о квантово-размерной природе излучательных переходов в рассматри-
ваемом случае. Внешне спектр ФЛ очень похож на спектр КНС-структур с тол-
щиной 0,6 мкм, приведенный ранее в разделе по КНС-структурам. Кроме того, в
температурном диапазоне 300 К—9 К не наблюдается никакого смещения макси-
мума широкой полосы люминесценции, что характерно для люминесценции PS.
Эти обстоятельства свидетельствуют о том, что по-видимому указанные особен-
ности квантово-размерных КНС-структур связаны, в первую очередь, с излуча-
тельными переходами в подложке сапфира. Таким образом вопрос о природе ви-
димой люминесценции в структурах PS требует дальнейших исследований.
1.5.5. Структуры на основе аморфного кремния (a-Si: Н)
Настоящий раздел завершает рассмотрение оптоэлектронных сред в порядке воз-
растания степени их неупорядоченности. В случае аморфного гидрированного
кремния (a-Si:H) степень беспорядка достигает своего максимального значения.
Известно, что эффекты беспорядка, в общем случае, приводят к «размытию» рез-
ких особенностей зонной структуры и оптических спектров полупроводников, уве-
личению вклада «хвоста» плотности состояний (эффект Урбаха), а также сопро-
вождаются ухудшением приборных характеристик. Применительно к z-слоям оп-
тическая ширина запрещенной зоны, параметр Урбаха и положение максимума
распределения энергетического распределения составляют соответственно 1,78 эВ,
45 мэВ и 0,9 эВ. Несмотря на определенную дефектность, аморфные материалы
достаточно широко используются в электронике (сверхпроводники, металлы, диэ-
лектрики). В этом смысле не является исключением и оптоэлектроника.
Мы не будем здесь касаться такого достаточно массового применения a-Si:
Н как использование в качестве материала для солнечных элементов (СЭ),
что в большей степени относится к области энергетики, а остановимся на
тех применениях, которые в большей степени соответствуют оптоэлектро-
нике [35].
Одним из достоинств a-Si:H помимо достаточно экономичной технологии
его изготовления является возможность формировать структуры a-Si:Hm раз-
личных подложках, включая стекло, кварц, металл, подложки кристаллическо-
го кремния и т.д.), при этом процесс проводится при достаточно низкой темпе-
ратуре (200—300 °C), что обеспечивает возможность неразрушающей интегра-
ции датчиков на основе д-5/.Яна активных подложках Si, способных осуществ-
лять обработку сигнала.
Оптоэлектронными свойствами a-Si:H можно управлять составом газовой
и*)™
Рис. 1.45. Профили ширины запрещённой
зоны и произведения ц/ в структуре муль-
тиспектрального ФД на основе a-Si: Н.
Рис. 1.46. Зависящие от смещения спект-
ральные характеристики мультиспектраль-
ного ФД на основе n-i-p-i-n
среды, используемой в процессе уси-
ленного плазмой метода осаждения из
газовой среды, (PECVD). В частности,
добавление метана в основную газовую
среду приводит к возрастанию шири-
ны оптической запрещенной зоны
a-Si:H в то время как добавление гер-
мания сопровождается уменьшением
произведения цт (где ц — подвижность,
т — время жизни носителей).
На рисунке 1.45 приведен профиль
ширины запрещенной зоны и произ-
ведения цт мультиспектрального ФД.
В рассматриваемом приборе при
изменении приложенного напряже-
ния (|С/| < 4,0 В) максимум спектраль-
ной характеристики может быть сме-
щен в диапазоне от 470 до 670 нм
(смотрите рис. 1.46).
В рассматриваемом приборе фото-
ток определяется тем переходом, кото-
рый смещен в обратном направлении.
Таким образом, при положительном
смещении эффект собирания фотоге-
нерированных носителей имеет место
в верхнем диоде в то время, как ниж-
ний диод оказывается смещенным в
прямом направлении. Излучение си-
него цвета поглощается в области I вер-
хнего диода в то время, как например,
излучение 11 цвета поглощается
в областях I и II. При малом положительном смещении (U= 1 В) эффект соби-
рания фотогенерированных носителей из-за большей величины mt будет иметь
место в области II .При большем положительном напряжении электрическое
поле захватывает z-слой верхнего диода, при этом в интегральный сигнал дают
вклад также и носители, фотогенерированные в области I.
При отрицательном смещении (U= — 1 В) нижний диод находится в закры-
том состоянии, при этом эффект собирания фотогенерированных носителей
имеет место в области III тогда, как носители заряда, фотогенерированные в
областях IV и V рекомбинируют из-за меньшей величины цт. При увеличении
отрицательного смещения до U = —2 В спектральный диапазон фоточувстви-
тельности смещается из зеленой (540 нм) в оранжевую (590 нм) область. В этом
случае эффект собирания носителей имеет место в областях III и IV. При отри-
цательном смещении U= — 4 В в спектральной характеристике проявляется дру-
гой максимум на длине волны 670 нм, обусловленный тем, что вклад в фототок
дают лишь электроны и дырки, генерированные в области V.
Эффект насыщения фототока в этих мультиспектральных ФД на основе
a-Si:Hnt проявляется даже при уровне засветки в 100 000 лк.
Другой разновидностью цветовых датчиков на основе a-Si:H являются уни-
полярные ФД на основе p-z-z-z-л-структур, спектральные характеристики кото-
рых иллюстрируются рис. 1.47.
Разумеется, что для адекватного
декодирования цветовых характерис-
тик необходима еще и соответствую-
щая обработка измеряемого сигнала с
учетом стандартных кривых К, К, К
7?СЛ-системы. Одним из преимуществ
униполярных ФД является больший
диапазон линейности (3 порядка вели-
чины).
Как уже отмечалось в этой главе,
функциональные возможности Si как
оптоэлектронной среды могут быть су-
щественно расширены за счет интегра-
ции кремниевых структур со структу-
рами на основе других материалов, как
это имеет место, например, в случае
Рис. 1.47. Спектральные характеристики
униполярных ФД при различных напряже-
ниях смещения.
структур A2 Be/SiO2 /Si.
Другим чрезвычайно интересным примером является интеграция фоточув-
ствительных структур a-Si:H в оптически управляемых жидкокристаллических
пространственных модуляторах света, предназначенных для использования в
различных системах обработки, нейронных сетях, системах распознавания об-
разов, в высокоскоростной голографии. Структура пространственного модуля-
тора света, интегрирующая области на основе различных материалов, схемати-
чески представлена на рис. 1.48 [36].
12 3 4 2 1
Рис. 1.48. Схематическое изображение структуры простран-
ственного модулятора света: 1 — стеклянная подложка,
2 — прозрачный токопроводящий слой, 3 — фоточувствитель-
ная область, 4 — жидкокристаллическая (ЖК) область,
5 — источник питания.
В качестве прозрачного электрода в рассматриваемой
структуре, как правило, используется окись индия — оло-
ва, а в качестве фоточувствительной области — структура
a-Si:H. В простейшем случае это может быть слой фото-
проводящего a-Si:H. Однако лучших результатов удается
добиться при использовании p-z-л-структур на основе
a-Si:H\3T\.
В рассматриваемом случае р-/-л-структура обладает
максимумом спектральной фоточувствительности в оран-
жевой области спектра (X = 600 — 620 нм), при этом Sm = 0,2 — 0,3 A/Вт, а быстро-
действие приборов — не хуже Ю-6 с. Безусловно, эти параметры существенно ус-
тупают аналогичным параметрам приборов на основе монокристаллического
кремния, но обеспечивают разработку пространственных модуляторов света с при-
емлемыми характеристиками, приведенными в таблице 1.14.
Таблица 1.14. Параметры пространственных модуляторов света на основе
структур a-SiH [37].
Функциональные характеристики p-i-n p-i-n i-слой
Пороговая чувствительность, Вт/ см2 1- 10-7 1- 107 1- 10'6
Дифракционная эффективность hmax, % 10 8 3
Разрешение при h = 0,5 h , мм 85 65 >45
Разрешение при h = 0,1 h , мм >110 120 90
Время включения, мс 2 10 10 - 50
Время выключения, мс 2 30 50 - 100
Контраст 100: 1 100:1 >40:1
Тип жидкого кристалла Ферроэлектрик Нематик Нематик
1.5.6. Алмазы, фуллерены и углеродные нанотрубки
Несмотря на отсутствие поверхностного сходства рассматриваемые в настоящем
разделе материалы базируются на одном и том же элементе периодической
таблицы, а именно, на углероде, при этом различие характеристик этих материалов
непосредственно связано с их структурой.
По совокупности своих свойств кристаллический алмаз является одним из луч-
ших материалов оптического и электронного приборостроения [38]. Он обладает
исключительной теплопроводностью (в 5 раз превышающей теплопроводность
меди). Высокая радиационная стойкость алмаза используется в ядерной технике
при разработке приборов для контроля параметров жестких излучений. Его хи-
мическая стойкость является основой для решения ряда космических и специ-
альных задач. И наконец, алмаз востребован и для целей биосенсорики. Основ-
ные параметры алмаза как полупроводника в сравнении с кремнием и арсенидом
галлия даны в приводимой ниже таблице 1.15.
Таблица 1.15. Основные параметры алмаза, кремния, арсенида галлия
Алмаз Кремний GaAs
Постоянная решетки, Е 3,567 5,431 5,653
Плотность (г/см 3) 3,52 2,42 5,32
Теплопроводность (Вт/см К) 20-25 1,5-2 0,5
Диэлектрическая постоянная 5,68 11,7 10,9
Коэффициент преломления 2,41 3,44 3,75
Ширина запрещенной зоны (эВ) 5,47 1,11 1,43
Подвижность электронов (см 2/В с) 1800 1350 8600
Подвижность дырок (см2 / Вс) 2100 450 400
Скорость насыщения (107 см/с) 2,7 1 2,0
Напряжение пробоя (105 В/см) 100 3 4
В зависимости от содержания примеси азота и состояния, в котором он нахо-
дится в кристалле алмазы классифицируются следующим образом:
• тип 1а, для которого концентрация связанного или междоузельного азота азота
составляет 4000—4500 ppm.
• тип 1b, в котором азот (500 ppm) находится в виде междоузельных дефектов.
• тип Пас очень низким содержанием азота.
• тип ПЬ, обладающий р -типом проводимости.
Природный алмаз в настоящее время уже востребован электроникой. На ос-
нове алмаза типа Па уже разработаны детекторы ионизирующих излучений типа
АДИИ-1 и АДИИ-2 с энергетическим и временным разрешением соответственно
100 МэВ и 2,5 нс.
На основе этого же типа алмаза разработаны высокочувствительные фотопри-
емники на спектральный диапазон 180 —230 нм с фоточувствительностью
> 0,03 A/Вт, темновым током < 0,1 пА и постоянной времени Ю-9 — 10_,° с.
Вместе с тем полного использования уникальных свойств алмаза в перспективных
микроэлектронных приборах можно будет добиться лишь с разработкой
технологии синтеза структурно-совершенных алмазных пленок. В связи с этим
на первый план выходит проблема выбора подложки при гетероэпитаксии алмаза.
Одним из возможных путей решения этой проблемы является формирование
буферного слоя на основе фуллеренов. Поскольку этот тип материала обладает
самостоятельной ценностью с точки зрения использования в оптоэлектронике,
остановимся на нем подробнее [ 39].
Фуллерены представляют собой семейство углеродных соединений с общей фор-
мулой Сп. Структура молекул представляет собой полые нанокластеры сферичес-
кой формы (рис. 1.49).
Рис. 1.49. Структура молекул фуллеренов
(а), С 70 (б), однослойной (в) и многослой-
ной (д) нанотрубок.
Ширина запрещенной зоны наибо-
лее широко использованного фуллере-
на С60 составляет 1,5 эВ, при этом его
свойства во многом аналогичны свой-
ствам других полупроводников. На ос-
нове этого материала уже получены ПТ,
солнечные элементы и фоторезисторы.
Однако, по-видимому, наиболее перс-
пективная область применения фулле-
ренов — нелинейно-оптические прибо-
ры. Экспериментально реализована ге-
нерация второй и третьей гармоник с
использованием С^. Однако и на этом
пути остается много проблем, связан-
ных с недостаточной величиной нели-
нейной восприимчивости второго по-
рядка и недостаточной устойчивостью фуллеренов к воздействию мощных опти-
ческих пучков. Последний фактор ограничивает, например, возможность исполь-
зования С м в оптических ограничителях. Отмеченные трудности лишь стимулиру-
ют интенсивные исследования как самих фуллеренов, так и приборов на их основе.
Еще одним чрезвычайно интересным объектом «углеродного семейства» ма-
териалов являются т.н. углеродные нанотрубки (рис. 1.49).
Их можно представить себе в виде протяженных цилиндров, образованных
свернутыми графитовыми листами. Особенностью таких нанотрубок является за-
висимость их проводимости от диаметра и хиральности (угла ориентации графи-
товой плоскости относительно оси нанотрубки, ее степени «закрученности»).
Рассматриваемая среда характеризуется возможностью изменения ширины зап-
рещенной зоны в диапазоне от 0 до 1 эВ, что, естественно, сопровождается изме-
нением характера проводимости от металлического типа до полупроводниково-
го. Это, в свою очередь, открывает широкие возможности для проектирования и
реализации микроэлектронных приборов нового поколения.
Большая кривизна поверхности нанотрубок обусловливает эффективную элек-
тронную эмиссию, что имеет важное значение непосредственно для оптоэлект-
роники, в частности для разработки нового поколения плоских матричных дисп-
леев с т.н. холодным катодом.
1.5.7. Проблемы формирования структур
интегральной оптоэлектроники
Сама логика развития оптоэлектроники (как впрочем и микроэлектроники в целом)
диктует необходимость создания «интеллектуальных» приборов (smart devices),
способных осуществлять не только функции оптоэлектронного преобразования,
но и обработки информации.
Это, в свою очередь, вызывает необходимость разработки структур интеграль-
ной оптоэлектроники. Одним из примеров таких структур являются структуры
пространственных модуляторов света, схематично рассмотренных в предыдущем
разделе.
Одновременно с этим потребности дальнейшего развития информационных
систем требуют интегральных структур, способных осуществлять разнообразные
функции оптоэлектронного преобразования, включая эффективную генерацию
излучения (при этом желательно лазерного) при одновременном обеспечении не-
обходимых требований по обеспечению малого энергопотребления, высокой на-
дежности, высокого быстродействия и ресурса.
Интуитивно понятно, что такие структуры интегральной оптоэлектроники
могут иметь многоярусную конструкцию, содержащую « схемотехнические» яру-
сы и ярусы оптоэлектронного преобразования.
В связи с этим на первый план выдвигается проблема адекватного выбора под-
ложки, имеющая материаловедческие, технологические, схемотехнические и фи-
зические аспекты [40].
В связи с этим следует отметить, что кремний как доминирующий материал
для разработки ИС сохранит свое значение как основной среды для реализации
функций «схемотехнического» яруса.
Косвенным свидетельством этого является то, что не прекращаются (и не пре-
кратятся в ближайшем будущем) попытки разработать технологию, обеспечива-
ющую возможность неразрушающего синтеза «оптоэлектронного яруса» (это и
технология трансплантации и технология прямого наращивания лазерных струк-
тур на кремнии). В связи с этим гетероэпитаксия достаточно совершенных при-
борных структур при достаточно большом рассогласовании постоянных решетки
между структурой и подложкой рассматривается как одна из центральных мате-
риаловедческих и технологических проблем XXI века.
Вместе с тем уже в настоящее время имеются положительные примеры реше-
ния указанной проблемы. Во-первых, это технология кремния на сапфире, обес-
печивающая получение КНС-структур для ИС. Во-вторых, это технология гете-
роструктур на основе широкозонных нитридов А3 В5 для высокоэффективных све-
тоизлучающих диодов коротковолнового диапазона спектра.
В обоих случаях в качестве подложки используется сапфир, что позволяет рас-
сматривать его как один из наиболее перспективных материалов подложки для ин-
тегральной оптоэлектроники. В связи с этим кратко рассмотрим его характеристики.
Наряду с отличными изолирующими свойствами сапфир обладает и прекрас-
ными оптическими характеристиками. Он практически прозрачен в диапазоне от
УФ до ИК-области спектра (рис. 1.50).
Слабое селективное поглощение в видимой области спектра, обусловленное
ионами Сг, может быть использовано в технологии лазерного разделения струк-
тур на кристаллы, что является серьезной проблемой при использовании тради-
ционных механических методов обработки.
Рис. 1.50. Спектральные зависимости коэф-
фициента поглощения сапфира для двух на-
правлений поляризации.
Рис. 1.51. Спектры катодолюминесценции
(КЛ) при комнатной температуре структур
нитрида галлия на сапфире с толщиной слоя
GaN ~ 1 мкм (кривая 1) и 0,15 мкм (кри-
вые 2-4) при энергии электронов Ев = 5 кэВ
(кривые 1, 2) и 40 кэВ (кривые 3, 4). На
вставке спектр КЛ сапфира в различных
спектральных диапазонах.
Сапфир — лазерный материал с эф-
фективной излучательной рекомбина-
цией. Поэтому его использование в ка-
честве подложке привносит свои осо-
бенности в характеристики структуры
в целом, которая в этом случае должна
рассматриваться как сложная оптичес-
кая система, в которой каждая область
(включая подложку) способна давать
вклад в интегральные оптические ха-
рактеристики. Проведенные нами ис-
следования структуры GaN/AlN/Al2O3
иллюстрируют этот факт (рис. 1.51)
Существенным для нас является тот
факт, что с металлургической точки зре-
ния исследованные структуры пред-
ставляют собой сложную систему, со-
держащую сапфировую подложку, бу-
ферный слой AIN, переходную и основ-
ную области GaN, при этом каждая об-
ласть такой системы характеризуется
различной степенью механической на-
пряженности и дефектности, включая
различную концентрацию структурных
дефектов.
Подчеркнем еще раз, что указанные
структуры представляют собой единую
оптическую систему, в которой каждая
область способна выполнять различные
оптические функции и для адекватно-
го описания которой необходим учет
различных эффектов (генерация, по-
глощение излучения, отражение, пере-
излучение).
С учетом этого серия резких линий
с тонкой структурой, проявляющихся в
спектрах люминесценции как структур
нитрида галлия на сапфире, так и само-
го сапфира может быть интерпретиро-
вана как излучательные переходы с уча-
стием термов ионов хрома.
Проведенные нами исследования
показывают, что несмотря на внешнее
сходство имеется и ряд различий в
проявлении указанных переходов в сапфире и структурах нитрида галлия на сап-
фире. Во-первых, в структурах нитрида галлия наблюдается лучшее разрешение
дублетных линий, что может быть связано с влиянием механических напряжений
на границе раздела сапфир/эпитаксиальный слой. Во-вторых, соотношение ин-
тенсивностей между отдельными компонентами серии линий в структурах нит-
рида галлия отличается от соотношения интенсивностей аналогичных полос в сап-
фире. Наиболее ярко это проявляется в доминировании УФ-компоненты
(X = 395 нм). Это обстоятельство может быть обусловлено рядом причин: прояв-
лением режима оптического усиления в слое нитрида галлия, селективностью про-
пускания слоя нитрида галлия и влиянием излучения нитрида галлия на условия
возбуждения в сапфировой подложке. В связи с этим следует заметить, что спек-
тры возбуждения ионов хрома в сапфире являются селективными (рис. 1.50) с
максимумами поглощения в синей и зеленой областях.
Условия возбуждения существенно влияют на степень проявления различных
резких линий указанной серии. В частности, излучение нитрида галлия за счет
эффекта переизлучения способно приводить к проявлению резкого линий толь-
ко в красной области спектра.
Отмеченные особенности оптических процессов в структурах нитрида галлия,
полученных на подложках сапфира, по-видимому, объясняют и особенности спек-
тров стандартных и ультратонких КНС-структур, в которых существенную роль
играет излучательная рекомбинация в сапфировой подложке.
Литература
Мосс Т., Баррел, Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника./ Пер. с англ, под ред. С.А.Медведева.
- Мир. 1976. - 431 с.
Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. — М.: Радио и связь. 1989. — 360 с.
Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники.- М.: Высшая школа.
1989.- 304 с.
Займан Д. Модели беспорядка / Пер. с англ, под ред. В.Л. Бонч-Бруевича.— М.: Мир, 1982. -
591 с.
Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ, под ред. А. Э. Юновича: Мир, 1979. — 676 с.
Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знако-синтезирующие индикаторы. — М.: Радио и
связь, 1990. - 240 с.
Ермаков О.Н. Получение твердых растворов 1пг_х Gax Р, In, х Gax РГ_z Asz и многослойных структур
на их основе//Обз. по электрон, технике. Сер. 2. Вып. 5 (864). — М: ЦНИИ «Электроника», 1982.
- 56 с.
Ермаков О.Н. Локальные, структурные и композиционные эффекты в физике и технологии
оптоэлектронных приборов. Ч. 1.//Обз. по электрон, технике. Сер. 2. Вып. 5 (1358). — М.: ЦНИИ
«Электроника», 1988. - 65 с.
Ермаков О.Н. Локальные, структурные и композиционные эффекты в физике и технологии
оптоэлектронных приборов. Ч. П.//Обз. по электрон, технике. Сер. 2. Вып. 1 (1515). - М.: ЦНИИ
«Электроника», 1990. - 59 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные приборы на основе твердых растворов в системе In-Ga-P-As.
Ч. 1//Обз. по электрон, технике. Сер 2. Вып. 3 (1024).: М.: ЦНИИ «Электроника», 1984. — 64 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные приборы на основе твердых растворов в системе In-Ga-P-As.
Ч. II//000. По электрон, технике. Сер. 2. Вып. 5 (1032). М.: ЦНИИ «Электроника», 1984. - 67 с.
Библиографический список
1. Ермаков О.Н. //Физика и техника полупроводников. 1985.Т. 19. № 12. С. 2220 — 2223.
2. Ермаков О.Н.//Электрон, техника.. Сер. 2. 1992. Вып. 2 (215). С. 3—15.
3. Силин А.П. //Успехи физ. наук 1985. Т 147. Вып. 3. С. 485—521.
4. Ермаков О.Н., Игнаткина Р.С., Сушков В.П. // Электрон, техника. Сер. 2. 1977. Вып. 8 (118).
С. 26-30.
5. Thijs P.J.A. Tiemeijer L.F., Binsma J.J.M et al. // IEEE J. Quant. Elecctr. 1994. V. 30.N 2.P. 477—499.
6. Bour D.P., Geels R.S. Treat D. W. et al. // IEEE J. Quant. Electr. 1994. V. 30. N 2. P. 593—606.
7. Ермаков О.Н, Мартынов В. Н. //Материалы электрон, техники. 2001.Вып. 1. С. 55-64.
8. Ермаков О.Н. //Электрон, техника. Сер. 2. 1982. Вып. 4 (155). С. 11-15.
9. Голованов Ю.А.,Ермаков О.И,Сушков В.П. // Письма в ЖТФ. 1980. Т.6. Вып. 16. С. 1002-1003.
10. Ermakov O.N., Garba L.S., Golovanov Y.A. et al. //IEEE Trans. On Electron Dev. 1979. V. ED — 26,
N 8. P. 1190-1193.
11. Mashita M., Ishikawa H., Izumiya T, Hiraoka Y.S.//Jap. J. Appl. Phys. Pt. 1. 1997. V. 36.
N 7A. P.4230-4234.
12. Lee Ch.-Yi, Meng Ch. W., Lin BV/Joum. Cryst. Growth. 1999.V. 200. N3-4. P. 38-390.
13. Akasaki I., Amano H.//Jap. J. Appl. Phys. Pt. 1. 1997. V. 36. N 9A. P. 5393-5407.
14. Petalas J., Logothedis S., Boultatadakas S. et al. //Phys. Rev. B.1995.V. 52.N ll.P. 8082—8091.
15. Jain F, Huang B///IEEE J. Quant. Electron. 1996.V. 32.N5.P. 859-864.
16. Manareh M.O. // Phys. Rev. B. 1996. V.53. N 24. P. 16425-16428.
17. Gil B.,Briot O., Aulombard R.L. // Phys. Rev. B.1995. V. 52. N 17028-17031.
18. ImJ.S., Moritz F, Steuber F. etal.//Npp\. Phys. Lett. 1997. V. 70. N 5. P. 631-633.
19. Nakamura S. // Mater. Sci. Engineer. 1997. V. В 43. P. 258—264.
20. Pearton S.J., Zolper J.C., Shut R.J., Ren F. //Joum. Appl. Phys. 1999. V. 86. N 1. P. 1—78.
21. Ermakov O.N. // Proceed. SP1E. 2000. V. 4340. P. 267-274.
22. Shmidt N.M., Lundin W. V., Sakharov A. V. et al. // Proceed. SPIE. 2000. V. 4340. P. 92-96.
23. Ермаков O.H., Каплунов М.Г., Белов М.Ю. и др.// Матер, электрон, техн. 2001. № 1. С. 65—69.
25. Guss W., Vestweber Н, Hopmeier М. et al. // Synthetic Metals. 1996. V. 83. P. 256—260.
26. Ermakov O.N., Kaplunov M.G., Efimov O.N. et al. // Microelectr. Engineer. 2003. V. 4153.
27. Логунов O.A., Поляков И.В. // Электрон, техника. Сер. 2.1991. № 4 (213). С. 94—102.
28. Johson N. М., Chiang A. //Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45. N 10. P. 1102-1104.
29. Chiang A., Johnson N.M. // IEDM. 1984. P. 548-551
30. Ermakov O. N., Matynov V. N. // Proceed. SPIE. 2000. V. 4340. P. 254 -260.
31. Явило R.//Mater. Sci. and Technol. 1997. V. 13. N 11/Р/965-970.
32. Chan R., Fauchet P.M. //Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75.N 2. P. 274-276.
33. Berger M. G., Dicker C., Thonissen M. etal. //J. Phys. D. 1994. V. 27.N 6. P. 1333—1336.
34. Yanagiya S., Kamimura S, Fuji M. etal. //Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71. N 10. P. 1409—1411.
35. Stiebig H., Thonissen M., Kruger M. et al//Tecnisches Messen. 1997. V. 64. N 4. P. 136-142.
36. Мильвидский M. Г, Громадин А. Л., Парфенов А.В. // Матер. Электрон. Техн. 1998. № 1.
С. 13-16.
37. А. Л. Громадин, Яркин Д.Г., Л. А. Балагуров и др. // Матер. Электрон. Техн. 1998. № 3.
С. 54-59.
38. Алмазы для высоких технологий:изделия на основе алмазов 2А- типа // Каталог продукции.-
ЗАО «УралАлмазинвест». 2000.
39. Буль А.Я. // Матер. Электрон. Техн. 1999. № 3. С. 4-7.
40. Ермаков О.Н., Мартынов В.Н. // Матер. Электрон. Техн. 2001. №1. С. 4—8.
41. Справочник по лазерной технике / Пер. с нем. под ред. А.П. Напартовича. - М.:
Энергоатомиздат. 1991. - 543 с.
ГЛАВА 2
ОПТИКА
И СХЕМОТЕХНИКА
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
2.1. Введение
При разработке систем с использованием оптоэлектронных приборов уже на ран-
ней стадии подбора по каталогам необходимых компонентов возникает ряд труд-
ностей, связанных с адекватностью выбора приборов по имеющимся справочным
данным. Это обусловлено расширением (по сравнению с другими микроэлектрон-
ными приборами) системы параметров из-за необходимости адекватного описа-
ния способности оптоэлектронного прибора генерировать или воспринимать оп-
тическое излучение, а также связано с использованием как радиометрической, так
и фотометрической системы единиц для этого типа приборов.
В общем случае система параметров оптоэлектронных приборов может вклю-
чать в себя эргономические (контраст, отношение контраста), радиометрические
(мощность и сила излучения), фотометрические (световой поток и сила света),
спектральные (спектральное распределение и длина волны в максимуме), цвето-
вые (доминирующая длина волны и координаты цветности) и пространственные
параметры (диаграмма направленности и угол излучения).
Кроме того, часто встречаются задачи, связанные с необходимостью управле-
ния и модификации оптических характеристик, оптимизации режимов функцио-
нирования и разработки схемотехнических решений.
Одновременно следует подчеркнуть, что круг вопросов, рассматриваемых в на-
стоящей главе (управление оптическими характеристиками оптоэлектронных при-
боров, выбор оптимальных режимов функционирования оптоэлектронных прибо-
ров с учетом их тепловых характеристик, особенностей протекания деградацион-
ных процессов) выходит за рамки только инженерной практики сегодняшнего дня.
Как мы увидим в главе 3, учет этих факторов обязателен для адекватного проекти-
рования и реализации сложных и перспективных оптоэлектронных систем типа
оптоэлектронных процессоров.
2.2. Модификация оптических характеристик
Безусловно, вопросы повышения эффективности и связанных с ней энергетических
характеристик оптоэлектронных приборов (в первую очередь, излучающих прибо-
ров) имеют первостепенное значение для оптоэлектроники и являются предметом
интенсивных исследований. К сожалению, ограниченный объем настоящей книги
не позволяет дать детальный анализ этой проблемы и путей ее решения. Следует
подчеркнуть, что во многом эта проблема решается на уровне проектирования при-
борных структур, которое должно проводиться в рамках многопараметрической моде-
ли с учетом целого ряда эффектов (эффектов зонной структуры [1], особенностей
примесного легирования и характера энергетического спектра носителей [2], специ-
фики рекомбинационных процессов [3], дислокационной структуры [4] и т.д.)
Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту даже дискретные оптоэлектрон-
ные приборы представляют из себя достаточно сложную оптическую систему, для
оптимального построения которой необходим учет специфики распространения
света через прозрачные среды, диффузного и зеркального отражения, эффекта фо-
кусировки корпусными и внешними линзами. Методологическую основу для пос-
ледовательного рассмотрения указанного круга вопросов дает геометрическая оп-
тика, прикладные аспекты которой достаточно хорошо разработаны.
2.2.1. Энергетические и пространственные характеристики
На этапе проектирования кристалла светоизлучающих приборов на первом месте
естественно стоит проблема увеличения коэффициента вывода генерируемого в
кристалле излучения.
Первым фактором, ограничивающим коэффициент вывода излучения, явля-
ются потери, вызванные полным внутренним отражением световых лучей, падаю-
щих на границу раздела полупроводникового материала и окружающей среды под
углом, большим критического угла, который в соответствии с законом Снелля да-
ется соотношением:
nrIsin. 02 = nr2 sin, (2.1)
где пг/, пг2— коэффициенты преломления полупроводникового материала и внеш-
ней среды, 0р (0) — угол падения (преломления). При в > 0кр = arcsin (пг]/пг^ пада-
ющий луч отражается обратно в объем полупроводникового кристалла.
Вторым фактором, ослабляющим выходящее из кристалла излучение, являются
потери, обусловленные зеркальным отражением от границы раздела. Для уменьше-
ния влияния указанного фактора, как правило, используются специальные покры-
тия. Коэффициент пропускания при нормальном падении световых лучей на грани-
цу раздела между полупроводником и просветляющим покрытием составляет:
7= 16 (2 +лJnAnJn )-[(2+n7/nAnJn)-1, (2.2)
где пг], пг2, пг3— соответственно коэффициенты преломления полупроводника, про-
межуточной среды (в качестве которой может использоваться компаунд) и воздуха.
Анализ выражения (2.2) показывает, что при пг2 = 1,84 можно добиться дополни-
тельного (до 18,5%) увеличения коэффициента пропускания.
В том случае, когда генерируемое излучение слабо поглощается в объеме крис-
талла, поямйется возможность оптимизацией топологии контактов добиться до-
полнительного увеличения коэффициента вывода за счет использования эффекта
многопроходное™ люминесценции. В этом случае возрастание коэффициента
вывода определяется соотношением:
= [ 1 + (Р + а 4 V/А) (пг/] Л (2.3)
гдеf — доля поверхности кристалла, прозрачной для света; Pg — вероятность погло-
щения на контакте при однократном прохождении, а — средний объемный коэф-
фициент поглощения в кристалле; Ии А — объем и площадь поверхности кристал-
ла. Анализ выражения (2.3) показывает, что при прочих одинаковых условиях
возрастает при уменьшении а (что реализуется по мере удаления длины волны
люминесценции в длинноволновую сторону от края фундаментальной полосы по-
глощения), уменьшения V/A (длины оптического пути при однократном прохож-
дении) и увеличении доли поверхности, не занятой контактами.
Оптимальная топологиия контактов выбирается исходя из учета двух противо-
положных факторов: с одной стороны, желательно уменьшение площади контак-
тов, непрозрачных для генерируемого излучения; с другой стороны, минимальная
площадь контактов определяется необходимостью обеспечения малого контакт-
ного сопротивления и хорошего растекания тока, уменьшения теплового сопро-
тивления прибора, согласования по размерам со сборочным инструментом. Комп-
ромисс между указанными противоположными факторами достигается за счет ис-
пользования отражающего тыльного контакта и распределенного верхнего контак-
та (как правило крестообразной формы). При формировании нижнего отражаю-
щего контакта принципиальным является нанесение металлической композиции
в топологически определенные области, занимающие не более 10... 15% тыльной
поверхности кристалла.
Использование корпусной или внешней оптики имеет очень важное значение
для модификации пространственных характеристик излучения как многоэлемент-
ных светоизлучающих приборов, так и дискретных одноэлементных излучателей.
В первом случае основным параметром является линейное увеличение изображе-
ния, а во втором — расходимость излучения, описываемая таким параметром, как
угол излучения.
В технологии излучающих приборов в настоящее время очень широко исполь-
зуются конструкции с иммерсионными корпусными линзами. По-видимому, наи-
более жесткие требования по конструированию приборов с корпусными линзами
накладываются именно в случае монолитных светоизлучающих индикаторов. Это
обусловлено тем, что в отличие от дискретных светоизлучающх диодов (СИД), где
использование линзы, в основном, позволяет только сформировать диаграмму
направленности излучения прибора, в многоэлементных приборах оптическая
система должна приводить к увеличению линейных размеров изображения при
сохранении его четкости и общей конфигурации. В этом случае накладываются
жесткие требования на стигматическое формирование изображения, т. е. оптичес-
кая система должна быть близкой к идеальной.
Использование основных положений геометрической оптики позволяет в слу-
чае иммерсйонной линзы сферического профиля с радиусом кривизны г устано-
вить связь между положением светящейся точки и ее изображением (рис. 2.1) О’:
пг3 / S '- пг2 / s= (пг3 - Пг2) / г+ пг2 А (г- s)/rs
(2.4)
где: Я = {cos [(сг+£)/2] - cos [ (сг + с )/2 } { cos [ (сг + с )/2}-1
Система со сферической преломляющей поверхностью является анаберрацион-
Рис. 2.1. Геометрия преломления действи-
тельного луча сферической поверхностью:
точки О и О' — положения светящегося
объекта и его изображения, удалённые от
границы сферической поверхности соответ-
ственно на расстояния s и s'; s, s' — соответ-
ственно углы между падающим и прелом-
лённым лучами и оптической осью; е и е —
соответственно углы между падающим и
преломлённым лучами и нормалью к сфе-
рической поверхности в точке преломления.
ной в трех парах сопряженных (аплана-
тических) точек. В плоскостях, проходя-
щих через эти точки, линейное увеличе-
ние р постоянно. Очевидно, что поло-
жение этих точек определяется из усло-
вия инвариантности А в формуле (2.4).
Каждой паре сопряженных точек соот-
ветствует определенное расположение
объекта и его изображения. В первом
случае объект и изображение располага-
ются на границе сферической поверхно-
сти, при этом р = 1. Во втором случае
объект и изображение располагаются в
центре сферы, при этом р = пг2 /пг3. В тре-
тьем случае, представляющем наиболь-
ший практический интерес, расстояния
определяющие положение объекта и
изображения даются соотношениями:
s = r (Пг2 + "г? Пг2 ~’>S' = г (пг2 + Пг3) пг~'. (2.5)
При этом достигается линейное увеличение изображения р = (пг2 /п^2.
Выражение для коэффициента увеличения в явном виде для произвольного рас-
положения объекта относительно сферической поверхности может быть получено в
приближении параксиальных лучей (предполагается, что углы в выражении (2.4) малы
и А = 0). В этом случае коэффициент линейного увеличения дается выражением:
P=\\-slr(\-nr3lnr)\~\ (2.6)
Достижение большого коэффициента линейного увеличения сопровождается
сужением диаграммы направленности излучения прибора и уменьшением угла
обзора, при этом важную роль в модификации пространственных характеристик
излучения играет параметр s/r. В общем случае зависимость угла излучения в от
основных параметров оптической системы дается соотношением:
в= a— arcsin [ n(s/r — 1) sin сг] + arcsin [ (s/r — 1) sin сг]. (2.7)
Из приведенной зависимости видно, что изменение параметра s/r позволяет
варьировать в широких пределах угол излучения вплоть до получения узконаправ-
ленных источников излучения при s/r ~ 2.
Управление диаграммой направленности, в свою очередь, позволяет изменять
в широких пределах и дифференциальные энергетические характеристики источ-
ников излучения (силу излучения / или силу света /). Используя аппроксимацию
диаграммы направленности прибора в виде / ~ / (cos# )л, можно установить связь
между мощностью (Ф) и силой (/) излучения:
Ф = 2л-/ [ (1g 0,5) / 1g (cosiS) + 1 ] -1.
(2.8)
Используя разложение в ряд при достаточно малых углах & из соотношения
(2.8) можно показать, что 1~ Фе 0~2, т.е сила излучения квадратично возрастает по
мере уменьшения угла обзора.
Фокусирующие возможности опти-
ческих систем ограничены дифракцион-
ными эффектами, что иллюстрируется
рис. 2.2[5].
Из рис. 2.2. видно, что в централь-
ной части дифракционной картины
(зоне Эйри) сосредоточено 83,9% всей
энергии излучения, при этом размер этой
зоны связан с фокусным расстоянием и
диаметром линзы соотношением
В=2,44 Л (f/D). Приведенное соотноше-
ние имеет важное значение для проекти-
рования высокоразрешающих тепловизи-
онных формирователей изображения.
Рис. 2.2. Энергетическое распределение от
точечного источника света.
2.2.2. Спектральные характеристики
Существует целый круг задач, связанных с необходимостью трансформации спект-
ральных характеристик оптоэлектронных приборов. Применительно к фотопри-
емникам к числу таких задач относится получение приборов с селективной спект-
ральной характеристикой (например УФ фотодиоды), приборов, чувствительных в
ИК-области спектра и обладающих слабой чувствительностью в видимой области
спектра, приборов со специализированной спектральной характеристикой, близ-
кой к кривой видности человеческого зрения и т.д.
Применительно к светоизлучающим приборам и системам визуального отображе-
ния информации на их основе учет спектральных характеристик как фонового излуче-
ния, так и излучения, генерируемого прибором, позволяет улучшать эргономические
характеристики, в частности, отношение контраста. Методологическую основу для вы-
бора модельных источников засветки и компьютерного расчета эргономических харак-
теристик систем отображения информации создает использование спектральных рас-
пределений, приводимых в ГОСТ 7721—76 «Источники света для измерения цвета».
Наиболее часто при использовании систем отображения информации в
бытовой технике встречается внешняя засветка от источников света накально-
го типа. Спектральное распределение таких источников близко к источнику
типа А, излучательные характеристики которого воспроизводят черное тело с
цветовой температурой 2856 К. Для этого спектрального распределения ха-
рактерно монотонное возрастание интенсивности во всей видимой области
спектра. Прямое солнечное освещение, реализующееся в ряде применений
(например в кабинах транспортных средств) может быть промоделировано
источником типа В с цветовой температурой 4870 К. Для указанного спект-
рального распределения характерно наличие максимума в видимой области
спектра при Л = 565 нм вблизи максимума спектральной чувствительности
человеческого зрения.
Условия освещенности рассеянным дневным светом могут быть промоде-
лированы источником типа С с цветовой температурой 6770 К, для которого
характерен существенный вклад излучения в коротковолновой области. В пер-
вом приближении условия освещения флуоресцентными лампами могут быть
промоделированы источником типа D65 с цветовой температурой 6500 К и
существенной составляющей в ближней УФ-области спектра.
В том, что касается спектров излучения полупроводниковых оптоэлект-
ронных приборов, то они в первом приближении могут быть аппроксимирова-
ны гауссовскими функциями вида:
/(Л)~ехр[-^(Л_-Л)75^х]. (2.9)
Требования к идеальному с эргономической точки зрения светофильтру
можно сформулировать следующим образом: он должен обладать максималь-
ным пропусканием при Лтах, а спектральная зависимость его пропускания т(Л)
должна быть близка к спектральному распределению (2.9).
В связи с различной полушириной спектров излучения приборов на осно-
ве различных полупроводниковых материалов следует несколько подробнее
остановиться на безразмерном коэффициенте /Зв выражении (2.9). При ис-
пользовании приборов красного и желтого цвета свечения на основе прямо-
зонных твердых растворов GaAsP, GaAlAs, InGaAlP, этот коэффициент должен
быть равен 4000. Существенно большая полуширина спектров излучения при-
боров желтого и зеленого цветов на основе непрямозонных материалов GaAsP:
TV и GaP:N приводит к тому, что в соотношении (2.9) необходимо использовать
соответственно р = 650 и р = 1000.
Для обеспечения лучшей контрастности отображаемой информации наи-
более целесообразно использование светофильтров из цветных стекол, к чис-
лу преимуществ которых относится более высокое качество, большая крутиз-
на спектральной зависимости г (Л), приближающаяся к крутизне спектраль-
ного распределения излучения приборов / (Л), а также больший коэффициент
пропускания в максимуме полосы излучения. Отечественной промышленно-
стью выпускается широкая гамма цветных стекол, спектральные зависимости
г (Л) для которых приведены в ГОСТ 9411—81 « Стекло оптическое цветное».
Сделанные предварительные замечания позволяют перейти к практичес-
ким рекомендациям по выбору светофильтров. При использовании в системах
отображения приборов красного цвета свечения на основе прямозонных мате-
риалов GaAsP, GaAlAs, InGaAlP в условиях фоновой засветки от слабого до сред-
него целесообразно применять красные светофильтры с коротковолновой гра-
ницей пропускания при Я = 570 — 580 нм и коэффициентом пропускания при
Лтах равным 0,8—0,9. В случае сильной засветки хорошие результаты могут быть
получены при использовании фильтров с большей оптической плотностью,
при этом коротковолновая граница пропускания располагается при
Я = 560 нм, а максимальное пропускание составляет 0,65.
В случае приборов желтого цвета свечения на основе InGaAlP, GaAsP.N в
условиях слабой засветки могут использоваться светофильтры с коротковол-
новой границей пропускания при X = 520 нм и коэффициентом пропускания
в желтой области спектра, составляющим 0,35—0,45. Для тех же приборов в
условиях среднего уровня фоновой засветки целесообразно использование све-
тофильтров с большей оптической плотностью, при этом коэффициент про-
пускания вблизи максимума полосы пропускания может составлять 0,25—0,35.
Наибольшую сложность представляет задача увеличения контрастности ин-
формации, отображаемой приборами желто-зеленого цвета свечения, в част-
ности на основе GaP.N. В этом случае в условиях слабого уровня засветки мож-
но рекомендовать использование фильтра с коротковолновой границей про-
пускания при X = 530 нм и коэффициентом пропускания вблизи X = 565 нм на
уровне 0,35 — 0,45.В случае среднего уровня фоновой засветки целесообразно
использование светофильтров с большей оптической плотностью, что приво-
дит к уменьшению коэффициента пропускания в максимуме полосы излуче-
ния до 0,15—0,30.
Таким образом задача выбора наилучшего светофильтра является далеко
нетривиальной. При этом результаты эргономических расчетов должны в обя-
зательном порядке корректироваться с учетом инженерно-психологических
экспериментов.
При экстремальных условиях внешней засветки, реализующихся, напри-
мер при прямом освещении солнечными лучами, целесообразно использова-
ние фильтров типа «жалюзи», блокирующих прямое попадание солнечных лу-
чей на индикаторную панель.
Для предотвращения возникновения бликов на индикаторной панели в
общем случае рекомендуется слабое матирование фронтальной поверхности
светофильтра для придания рассеянию диффузного характера, а также исполь-
зование поляризационных фильтров.
2.2.3. Цветовые характеристики
В настоящее время для объективной оценки цветовых характеристик лю-
минесценции широко используются система XYZ и цветовой график МКО
(рис. 2.3).
Координаты цветности излучения оптоэлектронных приборов могут быть оп-
ределены из соотношений:
х = (/х(Л)/(Л) dA) (f [х (А) + у(А) + z(A)]f(A) d А) (2.10)
> у = (ШЛЛ)ё2)(1[х(Л) + у(Л)+г(Л)]/(Л)ёЛ)-', (2.11)
Z = (fZ(A)Z(A> dA) (f [ х(А) + у(А) + z (A)]f(A) d A) (2.12)
где х(Л), у(Л), г(Л) — стандартные функции, протабулированные в ГОСТ 13088—67
«Колориметрия. Термины, буквенные
обозначения». Для точного определения
координат цветности обычно используют
компьютерное численное интегрирова-
ние по формулам (2.10) — (2.12). Важной
характеристикой цветового восприятия
излучения приборов является доминиру-
ющая длина волны определяемая как
длина волны монохроматического излу-
чения, которое при сложении в опреде-
ленных пропорциях со стандартным ах-
роматическим излучением дает цветовое
равенство с рассматриваемым излучени-
ем. На цветовом графике МКО (рис. 2.3)
Л^ соответствует пересечению прямой,
проведенной через точку Wи точку с ко-
ординатами цветности x,y,z с линией
спектрально чистых цветов (линия АВ).
Доминирующая длина волны светоизлучающих оптоэлектронных полупровод-
никовых приборов может быть определена из соотношения:
A^ = efSA)AdA)<Sfv(A)dA)-'.
(2.13)
где/, (Я) = /(Я) у (2).
Выражение (2.13) имеет ясный физический смысл: доминирующая длина вол-
ны соответствует «центру тяжести» спектрального распределения светового пото-
ка, генерируемого прибором.
Представляет интерес установление факторов, влияющих на отклонение Л^ от
длины волны в максимуме спектра излучения Л^.
С этой целью аппроксимируем в первом приближении спектральное распреде-
ление светового потока, генерируемого прибором функцией вида [6]:
f = ехр [ - (Я_ - А)г / 8г ] при 0 < А < А^, (2.14а)
fv= ех$\ —(А^ —А)г / Д2}щт А*^ А<<я. (2.146)
В этом случае из формулы (2.13) следует соотношение:
дом
— Ама = (Д — 8)/я.
Полученное выражение позволяет связать с различием ширины ко-
ротковолнового и длинноволнового склонов спектрального распределения излу-
чения, генерируемого приборами.
Правильность сделанного вывода подтверждают и результаты прямых измере-
ний Х^ и Х^ для приборов красного и желто-зеленого цвета свечения. В случае
приборов на основе GaAsP спектры излучения имеют затянутый коротковолновый
склон (5> А), при этом Х^ = 655 нм, а Хааи= 648 нм.
Приборы желто-зеленого цвета свечения на основе GaP.Nимеют спектры излу-
чения с затянутым длинноволновым склоном (5 < А). В этом случае следует ожи-
дать Хшах < Х^, что и подтверждается результатами измерений: Х^ = 572 нм,
a Х_ = 565 нм.
Представленный анализ показывает, что изменяя с помощью светофильтров
форму спектров излучения оптоэлектронных приборов даже при неизменной ве-
личине Х^ можно варьировать в определенных пределах величину Х^ Более точ-
ные выражения для цветовых характеристик излучающих приборов можно полу-
чить с использованием приближений более высокого порядка [6].
2.3. Характеристики и режимы функционирования
В предыдущем разделе было проведено рассмотрение оптических характеристик
оптоэлектронных приборов. Перейдем теперь к рассмотрению характеристик, име-
ющих важное значение с точки зрения задания оптимальных режимов функцио-
нирования.
2.3. L Характеристики и режимы
К числу типовых характеристик светоизлучающих приборов, обычно приводи-
мых в каталогах, относятся вольт-амперные (ВАХ) и люмен-амперные (ЛАХ) ха-
рактеристики. Вместе с тем, для более детального понимания физики процессов
в этом классе приборов полезными являются также вольт-яркостные (ВЯХ) ха-
рактеристики.
Как и у большинства полупроводниковых диодов ВАХ светоизлучающих при-
боров в широком диапазоне токов имеют сложный характер.
В области токов 10 ~9<1 <5 103 А ВАХ и ВЯХ могут быть аппроксимированы
соотношениями:
= /Лоехр [ (eU)/ (Р ,£7)]; В = Воexp [ (ell) / (Р2Л7)]. (2.15)
В промежуточной области токов I=2* 10-4 А происходит некоторое возрастание
крутизны ВАХ, что связано с возрастанием вклада диффузионной составляющей
полного тока через прибор, определяющий его свечение. Дальнейшее увеличение
тока через прибор сопровождается увеличением силы света, при этом выделяются
несколько участков с различным наклоном ЛАХ. Использование аппроксимации
В~1п позволяет выделить участки с п = 2; 1.5 и 1 соответственно в области малых,
промежуточных и больших токов.
С учетом особенностей ЛАХ, ВАХ и ВЯХ полный ток через прибор может быть
представлен в виде суперпозиции двух компонент:
/ = 4 + 4= 4„ ехр [(eto / (2&7)]+ 4>exp[(et7) / (кТ)]. (2.16)
Аналогично ВАХ светоизлучающего диода в общем случае можно записать в виде:
U= U + R.I+RJ5.
рп 1 2
(2.17)
где Up п — напряжение на ри-переходе, Rj — сопротивление объема полупроводника
и контактов металл - полупроводник, /^ — сопротивление, обусловленное модуля-
цией компенсированной области полупроводника.
Проведенный анализ основных характеристик светоизлучающих приборов в
статическом режиме позволяет перейти к рассмотрению импульсного режима ра-
боты этого класса приборов.
Практически неизменное значение прямого падения напряжения в рабочем
диапазоне токов, обусловленное большой крутизной ВАХ, позволяет использо-
вать в качестве критерия оценки эффективности работы прибора в импульсном
режиме зависимость средней по времени силы света I от среднего по времени
тока через прибор, что иллюстрируется рис. 2.4.
Рис. 2.4. ЛАХ для СИД насыщенного зелё-
ного цвета свечения на основе GaP при тем-
пературе — 60 (кривые 1,3, 5) и 25 °C (кри-
вые 2,4,6) в импульсном режиме при скваж-
ности 102 (кривые 1,2), 10 (кривые 3,4) и 1
(кривые 5,6).
ный или сублинейный) имеет ЛАХ. Если
Из сравнения представленных на
рис. 2.4 зависимостей, снятых при прак-
тически эквивалентных энергетических
условиях питания, видно, что импульс-
ный режим питания приводит к суще-
ственному выигрышу в средней по вре-
мени силе света по сравнению со стати-
ческим режимом, при этом преимуще-
ство указанного режима проявляется во
все большей степени по мере увеличе-
ния скважности.
Это, в свою очередь, дает еще одну
возможность снижения энергопотребле-
ния в многоэлементных экранах, по-
скольку позволяет при неизменной силе
света существенно уменьшить средний
ток при практически неизменном пря-
мом падении напряжения. Последнее
обстоятельство приобретает решающее
значение при проектировании систем с
автономным питанием.
В то же время указанный подход
имеет и свои ограничения, определяе-
мые тем, какой характер (суперлиней-
широком диапазоне рабочих токов ЛАХ
сублинейна, как это имеет место в СИД красного цвета свечения на основе GaP.Zn, О
или в СИД синего цвета свечения на основе GaN: Zn, то предпочтение следует
отдавать статическому режиму питания. В то же время в наиболее широко исполь-
зуемых в настоящее время структурах на основе GaAlAs, GaAsP,InGaAlP,InGaNв ши-
роком диапазоне токов ЛАХ суперлинейны и могут быть описаны зависимостями
вида Iv = k0In, где п> 1. С учетом этой зависимости можно показать, что средняя по
времени сила света может быть описана соотношением:
lg4p = lg^ + nlg/+ (п-l)lg0. (2.18)
Из приведенного соотношения видно, что в идеальном случае при обеспече-
нии изотермических условий эксплуатации выигрыш в средней силе света должен
составлять R=QЛ-1 и не должен зависеть от тока. Вместе с тем в реальных условиях
эксплуатации вследствие конечного теплового сопротивления прибора даже при
неизменной температуре окружающей среды происходит его разогрев. В общем
случае тепловое сопротивление прибора определяется как электрофизическими,
так и теплофизическими характеристиками (теплоемкость, теплопроводность) са-
мого светоизлучающего кристалла и конструкционных материалов, используемых
в приборе (токопроводящий клей, корпус и т. д.), а также особенностями монтажа
прибора на приборной плате.Тепловое сопротивление может варьироваться от
100 °С/Вт в дискретных СИД до 500 °С/Вт в цифрознаковых индикаторах.
Разогрев прибора соответственно приводит к уменьшению эффективности его
излучения. Таким образом реальные ЛАХ для большинства СИД в импульсном
режиме характеризуются уменьшением крутизны при увеличении скважности им-
пульсного тока. Исключение составляют специально сконструированные СИД с
высокой температурной стабильностью излучательных характеристик (рис. 2.4).
К числу параметров, непосредственно связанных с импульсным режимом пи-
тания излучающих приборов относятся также времена нарастания и спада импуль-
са излучения. В зависимости от типа некогерентного излучающего прибора эти
параметры могут варьироваться от единиц до десятков наносекунд.
Вторым ключевым типом приборов оптоэлектроники являются фотодиоды
(ФД). В отличие от светоизлучающих приборов они способны работать без прило-
жения внешнего смещения (фотовольтаический режим), так как ФД фактически
генерирует напряжение в нагрузку. В зависимости от сопротивления нагрузки этот
режим может быть линейным или логарифмическим. Логарифмический режим
имеет место в случае достаточно большой величины нагрузки (>1011 Ом). Линей-
ный режим реализуется, когда внешняя нагрузка меньше дифференциального со-
противления ФД. Верхний предел линейного фотовольтаического режима лежит
при напряжении на нагрузке =100 мВ и зависит от требований к линейности. Мак-
симальная практическая величина Rh лежит в диапазоне от 25 Мом для ФД боль-
шой площади до 550 МОм для приборов малой площади.
Режим работы ФД с обратным смещением называется фотодиодным. По срав-
нению с фотовольтаическим он обеспечивает большее быстродействие, более вы-
сокую стабильность и более широкий динамический диапазон и характеризуется
меньшим температурным коэффициентом и большей чувствительностью в длин-
новолновой и коротковолновой (УФ) областях спектра.
В то же время этот режим имеет свои ограничения, связанные с темновым то-
ком, протекающим даже в отсутствие внешней засветки, что отражает неидеаль-
ный характер обратной ветви ВАХ прибора. В свою очередь, темновой ток ФД со-
провождается избыточным шумом. К числу основных рабочих параметров ФД обыч-
но относят монохроматическую чувствительность или фоточувствительность, оп-
ределяемую соотношением:
5Л= 7(2/1240) = /ф/Ф (2.19)
гле г] — квантовая эффективность, 2 — длина волны (в нм), 1ф — фототок, Фе — поток
излучения.
К числу важных параметров, определяющих отношение сигнал/шум в ФД от-
носится эквивалентная шумовая мощность, определяемая соотношением:
NEP =/ш/(А/)1/2 5ф_1. (2.20)
И наконец, с величиной NEP непосредственно связан параметр, обобщенно
характеризующий качество ФД с площадью поверхности Аф, а именно — обнаружи-
тельная способность, задаваемая соотношением:
Р* = (Л^ / NEP),/2. (2.21)
2.3.2 Оптимизация режимов функционирования
Оптимизация режимов функционирования светоизлучающих приборов осуще-
ствляется с учетом основных электрических и фотометрических (радиометричес-
ких) характеристик (ВАХ, ЛАХ), также с учетом предельно допустимых режимов
эксплуатации, при этом основным критерием оптимальности выбора режимов
является сохранение высоких значений параметров в процессе длительной экс-
плуатации.
Указанные предельно допустимые режимы функционирования непосредствен-
но связаны с показателями надежности приборов. В результате многочисленных ис-
следований в настоящее время установлено, что распределение отказов этого класса
приборов подчиняется нормальному логарифмическому закону; при этом основны-
ми параметрами являются: медианный ресурс — время до наступления 50% отка-
зов и стандартное отклонение натурального логарифма времени сг= In — In t84 где
t84 — время наработки до наступления отказов 16% приборов. Наблюдаемые в про-
цессе эксплуатации отказы обусловлены процессами деградации, при этом для све-
тоизлучающих приборов, работающих при умеренных уровнях возбуждения харак-
терна постепенная (параметрическая) деградация, приводящая к плавному умень-
шению силы света (силы излучения) и очень слабому уменьшению прямого падения
напряжения. Более подробно деградационные явления мы рассмотрим в главе 8. В
качестве критерия отказа обычно используется превышение допустимого уменьше-
ния силы света (силы излучения), при этом конкретная величина допустимого умень-
шения устанавливается для каждого прибора и как правило составляет 50%. Прин-
ципиальное значение в этом случае имеет определение медианного (50%-го) ресур-
са. Экспериментальные исследования, проведенные в температурном диапазоне
25—170 °C, показывают, что стандартное отклонение составляет а= 1,4, при этом
медианный ресурс можно аппроксимировать соотношением:
^ = Лу-"ехр[£/(ЛТя)], (2.22)
где А — постоянная, Еа — энергия активации, j — плотность тока, Трп — температура
ри-перехода. Принципиальным моментом является то, что в выражение (2.22) вхо-
дит именно температура ри-перехода, которая связана с температурой окружаю-
щей среды соотношением:
Тр=^ + 1икг (2-23)
где RT — тепловое сопротивление, зависящее от тока через прибор. Эксперимен-
тальные данные для медианного ресурса СИД на основе GaPxopoiuo согласуются с
расчетными данными для Еа = 0,61 эВ.
Надежность работы полупроводниковых приборов характеризует также и та-
кой параметр как интенсивность отказов 2, который может быть определен из нор-
мального логарифмического закона при условии, что известны стандартное откло-
нение и медианный ресурс. Применительно к СИД на основе СаРбыло установле-
но, что а= 1,4 и t50 = 7 105 ч. При этом интенсивность отказов зависит от времени и
достигает своего максимального значения 1.4 10-6ч -I в момент времени 8’10 4ч.
Наряду с интенсивностью отказов для характеристики надежности оптоэлект-
ронных приборов широко используется 95 %-ный ресурс t95, т. е. время до наступ-
ления отказов 5 % приборов.
Использование экспериментальных данных по форсированным испытаниям
светоизлучающих приборов на основе других полупроводниковых материалов по-
зволило определить показатели надежности этих приборов. Было установлено, что
приборы на основе GaAsP при плотности тока 8 А/ см2 характеризуются следующи-
ми показателями надежности: t50 = 106 ч, t95 = 5-104 ч, 2 = 10 -6 ч -1.
Аналогичные параметры для приборов на основе GaAlAs в том же режиме соста-
вили: t50= 8*106ч, t95 = 8-10 4ч, 2 = 8-10_7ч-1.
Приведенные данные по оценке показателей надежности светоизлучающих
приборов позволяют определять величину предельно допустимого тока. Помимо
влияния на скорость протекания деградационных процессов непосредственно в
светоизлучающем кристалле прямой ток, начиная с некоторого достаточно боль-
шого значения, начинает влиять на характеристики компаунда, который часто ис-
пользуется как конструкционный материал для вывода излучения из прибора. При
этом в области умеренных токов, при которых температура компаунда, обусловлен-
ная разогревом прибора, не превышает 120 °C, наблюдается обратимое уменьше-
ние коэффициента пропускания (в диапазоне температур 60— 120 °C это уменьше-
ние может составлять 20 %). В то же время при достаточно больших токах (160 мА
для СИД на основе GaP) наблюдается структурное изменение компаунда. Таким
образом, в специальных случаях, требующих использование экстремально боль-
ших токов для сохранения автомодельности процесса деградации, позволяющей
рассчитывать показатели надежности, необходимо использование специальных
микрорадиаторов.
Фундаментально ограничивает снизу прямой ток преобладающая при малых
смещениях генерационно-рекомбинационная составляющая прямой ветви ВАХ
(как правило, область токов вблизи 1 мА). С другой стороны, минимальный рабо-
чий ток определяется спецификой применения и устанавливается специально в
каждом отдельном случае.
При анализе работы многоэлементных светоизлучающих приборов матрич-
ного типа с числом строк тс и числом столбцов пс в режиме АТ-адресации прин-
ципиально необходим учет влияния обратного смещения невключенного эле-
мента. При больших токах утечки в режиме небольшого смещения параллельно
с каждым прямо смещенным сегментом может быть включено тс цепочек из
двух прямо смещенных и одного обратно смещенного элемента. Верхняя грани-
ца обратного напряжения определяется пробоем обратно смещенного рл-пере-
хода. Как показывает анализ, в обратно смещенных/м-переходах, в общем слу-
чае может реализовываться лавинный, туннельный (зенеровский) или смешан-
ный пробой. При обратном смещении, большем пробивного напряжения на-
блюдается быстрое возрастание обратного тока со скоростью определяемой диф-
ференциальным сопротивлением 50—100 Ом. В большинстве светоизлучающих
приборов используются структуры, обеспечивающие достаточно высокое на-
пряжение пробоя (> 12 В), при этом обратный ток обычно не превышает 100 нА
при обратном смещении 10 В.
Понижение температуры окружающей среды в основном улучшает эксплуа-
тационные характеристики излучающего кристалла (увеличивается сила света,
сила излучения), замедляются процессы деградации, но одновременно с этим
происходит увеличение прямого напряжения со скоростью 1—4 мВ / °C. При
достаточно низких температурах может наблюдаться резкое возрастание пря-
мого напряжения из-за «вымораживания» носителей заряда на глубокие цент-
ры. Кроме того, при достаточно низких температурах различие коэффициентов
термического расширения полупроводникового кристалла и компаунда может
приводить к обрыву проволочных выводов. Многочисленными исследования-
ми установлено, что функционирование приборов при пониженных температу-
рах вплоть до —70 °C не приводит к необратимым изменениям характеристик
этого класса приборов.
В области повышенных температур ограничения, накладываемые на этот класс
приборов, связаны с критической температурой, при которой вследствие полиме-
ризации компаунда происходит необратимое изменение его свойств (стеклообра-
зование). Процесс стеклообразования компаунда при температуре, составляющей,
как правило, 120 °C, приводит к резкому увеличению коэффициента термического
расширения этого материала, что может вызвать катастрофический отказ прибора
из-за обрыва проволочных выводов.
Оптимизировать режим работы прибора без его перегрева позволяет такой па-
раметр, как предельно допустимая рассеиваемая мощность, который устанавлива-
ется из условия Г < &кр. Более подробно влияние температурных эффектов мы
рассмотрим в Главе 8.
Использование импульсного режима при мультиплексном управлении много-
элементными светоизлучающими приборами существенно расширяет систему
параметров, которые следует оптимизировать. Во- первых, встает вопрос о частоте
повторения импульсов. Верхняя граница этого параметра определяется инерцион-
ностью светоизлучающих сегментов. Последняя же может быть описана с помо-
щью таких параметров, как времена нарастания t и спада tcn импульса излучения,
которые определяются временами жизни неосновных носителей заряда в полупро-
водниках относительно безызлучательной и излучательной рекомбинации, Типич-
ные значения этих параметров не превышают 1 мкс. В случае многоэлементного
матричного светоизлучающего прибора с числом разрядов N для тактовой часто-
ты /должно выполняться неравенство tHap, tcn < N f.
Нетрудно убедиться, что при N = 20 величина/может составлять десятки ки-
логерц.
Нижняя граница частоты /определяется особенностями психо- физиологичес-
кого восприятия информации человеческим глазом с учетом его инерционности.
Для широкого диапазона скважностей (от 2 до 3000) частота импульсов, при кото-
рой не наблюдается мерцания изображения, изменяется в небольших пределах в
зависимости от интенсивности свечения. При средних уровнях свечения крити-
ческая частота составляет 30 — 35 Гц.
При оптимальном выборе импульсного прямого тока следует иметь в виду не-
сколько обстоятельств. Во-первых, должна быть обеспечена необходимая средняя
по времени сила света. Во-вторых, верхняя граница импульсного прямого тока дол-
жна соответствовать области, в которой ЛАХ еще имеет суперлинейный характер
(150—200 мА). В-третьих, следует иметь в виду, что даже при отсутствии перегрева
использование больших импульсных токов приводит к ускорению процесса дегра-
дации светоизлучающих сегментов.
Существенным различием статического и импульсного режимов питания яв-
ляется то, что в последнем случае рабочий диапазон среднего по времени тока
может быть существенно сдвинут в область меньших значений, поскольку на шкале
среднего по времени тока преобладанию безызлучательной генерационно-реком-
бинационной составляющей тока над его излучательной диффузионной компо-
нентой (прекращение свечения) будет соответствовать в Q раз меньшее значение
среднего по времени тока.
Оптимальному выбору амплитуды прямого импульсного тока соответствует его
величина, обеспечивающая медианный ресурс 105 ч при температуре окружающей
среды ~ 25 °C.
В совокупности, параметры предельно допустимых режимов импульсного пи-
тания (максимальное значение прямого импульсного тока, длительность импуль-
сов и их скважность, частота регенерации) должны обеспечивать условия, при ко-
торых максимальная температурами- перехода равна его максимальной температу-
ре в статическом режиме питания.
При этом следует иметь в виду, что равенство рассеиваемой электрической мощнос-
ти в статическом режиме средней рассеиваемой электрической мощности в импульсном
режиме еще не обеспечивает оптимальности последнего режима питания. Дело зак-
лючается в том, что процесс установления теплового режима характеризуется
достаточно большой инерционностью, характеризуемой временами порядка милли-
секунд. В связи с этим использование достаточно низких частот регенерации может
приводить к тому, что при сравнительно низкой средней температурерп -перехода воз-
можен импульсный перегрев светоизлучающих кристаллов. Указанное обстоятельство
делает целесообразным использование частот регенерации, превышающих 1 кГц.
Большая совокупность параметров, задающих режим работы многоэлемент-
ных светоизлучающих приборов в импульсном режиме эксплуатации, помимо оче-
видных трудностей, связанных с необходимостью выработки оптимальных усло-
вий работы прибора, дает разработчику также и существенно большие возможнос-
ти гибкого управления системами отображения информации. В частности, очень
перспективен метод широтно-импульсной модуляции, при котором изменяя дли-
тельность импульсов питания в широких пределах, можно варьировать интенсив-
ность свечения приборов. Преимущества такого метода модуляции интенсивнос-
ти излучения особенно очевидны при использовании систем визуального отобра-
жения информации в условиях, когда уровень внешней засветки может изменяться
в широких пределах. Например, в транспортных средствах уровень окружающей
освещенности может варьироваться в пределах двух порядков. Использование по-
стоянного уровня свечения в таких условиях может приводить к быстрой утомляе-
мости человеческого зрения.
Иллюстрируя сказанное выше рассмотрим, например, предельно допустимые
режимы эксплуатации полупроводниковых знако-синтезирующих индикаторов на
принципе рассеяния света (АЛС324, АЛС326, АЛС332, АЛСЗЗЗ, АЛС337, АЛС334,
АЛС342, АЛС321, АЛС338, АЛС327, АЛС335). Максимально допустимое обрат-
ное напряжение на сегментах индикаторов составляет 5 В. Постоянный прямой
ток в температурном диапазоне от —60 до +35 °C составляет 25 мА, а в диапазоне
температур 35—70 °C он снижается с увеличением температуры в соответствии с
соотношением / = 25 — 0,5 (Т— 35) мА.
При эксплуатации в импульсном режиме необходимо, чтобы пиковое значе-
ние импульсного тока не превышало предельно допустимое, которое составляет
200 мА в температурном диапазоне от -60 °C до +35 °C. С увеличением температу-
ры в диапазоне температур 35—70 °C предельно допустимый пиковый ток должен
снижаться в соответствии с соотношением / = 200 — 4(Т- 35) мА.
Менее жесткие эксплуатационные условия, в которых используются фотопри-
емники, позволяют предполагать их более высокие ресурсные характеристики. В
то же время проведенные исследования показывают, что этот класс оптоэлектрон-
ных приборов также подвержен плавной параметрической деградации, сопровож-
дающейся увеличением темнового тока и уровня шумов. Следует подчеркнуть, что
зачастую именно уровень шумов определяет оптимальный выбор режима работы
фотоприемников.
Фотодиоды в высокочувствительных системах могут быть использованы в двух
режимах; в режиме, ограниченном шумами детектора, и в режиме, ограниченном
фотонным дробовым шумом. При малых уровнях засветки чувствительность
прибора ограничивается собственным шумом детектирующей системы. По мере
увеличения уровня засветки начинает доминировать фотонный дробовой шум,
обусловленный статистическими флуктуациями фототока, при этом его величина
дается соотношением:
I = (2е/.)1/2. (2.24)
ш.ф. др х ф' х z
Дробовой шум, связанный с темновым током ФД, определяется аналогтчным
соотношением:
I Л = (2е/),/2. (2.25)
ш. т. др. v т' х 7
В фотовольтаическом режиме ФД генерируют тепловой шум (называемый джон-
соновским шумом) обладающий практически неселективной спектральной харак-
теристикой вплоть до частоты отсечки ФД, при этом данный тип шума является
функцией шунтирующего сопротивления Яш в соответствии с соотношением:
1шм=^кТ/Яш^. (2.26)
Кремниевые ФД, как правило, обладают наибольшей величиной Яш и по этому
параметру превосходят ФД на основе германия и InGaAs. Следует отметить, что
шунтирующее сопротивление возрастает по мере охлаждения ФД, что приводит к
снижению теплового шума [7].
Тот факт, что в фотовольтаическом режиме не проявляется низкочастотный
(1//) и избыточный шумы делает фотовольтаический режим очень привлекатель-
ным в тех случаях, когда отсутствует необходимость в большой ширине полосы
фотоприемного устройства.
2.4. Схемотехника одноэлементных приборов
2.4.1. Схемы включения СИД
Существует несколько схем включения светоизлучающих диодов, учитываю-
щих резкий характер прямой ветви их ВАХ. В простейшем случае используют-
ся схемы с резистивным ограничением. В этом случае рабочий режим светоди-
ода определяется пересечением ВАХ и нагрузочной линии в соответствии с
соотношением:
I =(иип- и )/Я, (2.27)
где СИП — напряжение источника питания, / И — прямой ток через светодиод и
прямое падение напряжения на нем, R — сопротивление токоограничивающего
резистора.
Помимо функции ограничения тока схемы с резисторами позволяют решать и
другие задачи. Известно, что большинство светоизлучающих диодов характеризу-
ются существенной температурной зависимостью излучательных характеристики,
(силы света / силы излучения / и т. д.). Благодаря оптимизации резисторных схем
включения СИД можно добиться их температурной компенсации. В схеме темпе-
ратурной компенсации цепочка из СИД и параллельно соединенного резистора R
подключается через последовательно соединенный резистор Rv к стабилизирован-
ному источнику питания. В этом случае оптимальная величина параметра R дает-
ся выражением [8]:
- Я ={[(/dt//d7)(/ d//d 7) _| - Я,] _| - Я, '} "'• (2.28)
Рис. 2.5. Примеры однотранзисторной (а) и
двухтранзисторной (б) схем регуляторов тока.
где — дифференциальное сопротивле-
ние СИД.
Следует подчеркнуть, что опти-
мальное построение такой схемы со ста-
билизацией излучательных характери-
стик требует достаточно кропотливого
определения температурных коэффи-
циентов прямого тока и напряжения.
В некоторых случаях может быть
желательным запитывание СИД от ис-
точника тока, который может исполь-
зоваться для задания тока через свето-
диод независимо от изменения напря-
жения питания или разброса прямого
напряжения у различных СИД. При-
меры таких простых источников тока
на основе прп-транзисторов приведены
на рис. 2.5.
2.4.2. Высокочувствительные ФПУ
Современные фотодиоды обеспечивают возможность построения высокочувстви-
тельных фотоприемных устройств (ФПУ). Практические применения, как пра-
вило используют преобразование фототока в сигнал напряжения для его после-
дующей обработки. Такое преобразование может быть осуществлено двумя путя-
ми: либо за счет использования сигнала с нагрузочного сопротивления Rh, подсо-
единенного к ФД, либо за счет использования трансимпедансного усилителя с
резистором обратной связи (ОС) R^. Хотя схема с нагрузочным сопротивлением
и является более простой, чем схема с предусилителем, она обеспечивает намно-
го меньшую ширину полосы ФПУ, чем схема с трансимпедансным усилителем.
Кроме того, в этом случае может возникнуть масса проблем по согласованию с
последующими цепями, если нагрузочный резистор обладает очень большим со-
противлением.
Каждый из перечисленных выше схемных вариантов привносит дополнитель-
ный шум, который необходимо учитывать при схемотехническом проектировании,
так как даже при использовании идеального фотоприемника с нулевым уровнем
шумов, ФПУ будет обладать шумовыми характеристиками [8]. В самом деле, рези-
стор нагрузки или ОС неизбежно будет источником теплового шума точно так же,
как это имеет место в случае ФД в фотовольтаическом режиме. В связи с этим по
аналогии с соотношением (2.26) можно получить выражение для амплитуды шу-
мового сигнала, связанного с сигналом напряжения:
Усилитель также привносит дополнительный дробовой шум из-за входного тока
утечки усилителя а также из- за входного шумового напряжения усилителя
(I/ ) так, что полный шумовой сигнал, привносимый усилителем может быть опи-
сан соотношением:
U z, = (/ , Лпг) + I 1 + (1 + (Rnc/^ ) ] t/ .
ш(у) х ш(у) ОС' L v х ОС ’ ш' 1 ш
(2.30)
Поскольку все шумовые компоненты ФПУ, включая детектор, резистор и уси-
литель хаотичны и взаимно нескоррелированы, интегральная амплитуда шумового
сигнала ФПУ может быть представлена в виде:
В настоящее время имеются два ос-
новныех подхода к построению высо-
кочувствительных ФПУ: аналоговое
детектирование и режим счета фото-
нов.
Рис. 2.6 иллюстрирует классичес-
кую схему с трансимпедансным усили-
телем, принятую при аналоговом изме-
рении слабых сигналов с использовани-
ем pin ФД.
Если пренебречь низкочастотным
шумом 1 //, то выражение для входного
шумового тока может быть представле-
но в виде:
Рис. 2.6. Типичная схема трансимпеданс-
ного усилителя (а) и его эквивалентная схе-
ма с шумовыми источниками.
1ш = <4 кТ/ RJ + 2 elz + 2 е/, (2.32)
где /2 — полный ток ФД, включая ток утечки, ток за счет фоновых фотонов и фототок,
/5-ток входного транзистора с обратно смещенным затвором. Последним членом в
приведенном выражении можно пренебречь, если эксперименты проводятся
при пониженных температурах (в этом случае ток этого входного транзистора
может составлять величину менее 10 фА). В то же время тепловой шум резистора
ОС с номиналом в 1 ГОм эквивалентен дробовому шуму ФД амплитудой 13 пА.
Таким образом, при детектировании очень слабых сигналов, когда ток, связан-
ный с утечкой и фоновыми фотонами (излучение черного тела при температуре
300 К) имеет амплитуду менее 10 пА, доминирующим фактором являются теп-
ловые шумы резистора ОС. Таким образом, при аналоговом детектировании
отсутствует необходимость в снижении диаметра активной площади ФД до раз-
мера менее 4,5 мм.
2.43. Сравнение высокочувствительных систем детектирования
В настоящее время очень велика потребность в высокочувствительных ФПУ, кото-
рые применяются в широком классе систем: в лазерной дальномерии, в фотопри-
емных терминалах волоконно-оптических линий передачи информации (ВОЛПИ),
в флуоресцентной спектроскопии, позитронно-эмиссионной томографии, цито-
метрии, электрофорезе, хроматографии, дефектоскопии, детектировании рентге-
новских и g-лучей и т.д.
Для детектирования света от диффузных источников в спектральном диапазо-
не от 350 до 1060 нм в настоящее время, в основном, используются три подхода:
кремниевые рш-ФД, лавинные ФД (ЛФД) большой площади и ФЭУ [10].
В суммарном виде в таблице 2.1. приведены сравнительные характеристики,
реализуемые в каждом из перечисленных выше подходов.
Таблица 2.1. Сравнительные характеристики альтернативных систем
детектирования.
Тип прибора ФЭУ фирмы «Hamamatsu» ОРТО-8 pin ФД фирмы «Hamamatsu» S1723—04 ЛФД фирмы «Advanced Photonics» 394—70—7Х—501
Размер диаметр 8 мм 10x10мм2 диаметр 10 мм
Смещение,В -1000 -30 -2350
Умножение ЗхЮ5 1 300
SA, А. Вт 2 = 675 нм 7000 0,5 135
2 = 840 нм - 0,6 160
NEP, Вт/Гц12 3,7-10-|8 5,510- 14 2,610 -,4
Казалось бы, что из таблицы 2.1 следует, что ФЭУ является наиболее предпоч-
тительным типом фотоприемника, пригодным для всех применений. Вместе с тем,
это не совсем так. ФЭУ обладают ограниченным динамическим диапазоном (как
правило, не более 2 порядков величины) и в этом смысле существенно уступают
кремниевым ФД. В связи с этим ФЭУ не могут использоваться для детектирования
сигналов с большим перепадом амплитуды.
Кроме того, с практической точки зрения ФЭУ обладают недостаточной меха-
нической прочностью из-за своего стеклянного тубуса. Возникают проблемы с на-
чальной стадией выхода на рабочий режим (гистерезис). И, наконец, из-за особен-
ностей своей конструкции ФЭУ не могут использоваться в условиях достаточно
сильных магнитных полей.
Немного обескураживающим выводом из табл. 2.1 является то, что по величи-
не NEPЛФД почти вдвое уступаютрш-ФД, хотя казалось бы, что в 300 раз больший
коэффициент умножения должен был бы привести к соответствующему улучше-
нию NEP. Все дело в том, что в ЛФД вместе с полезным сигналом умножение испы-
тывает и дробовой шум.
Если принимать в рассмотрение не только различные типы детекторов, но де-
тектирующую систему в целом, то оказывается, что для ширины полосы менее 10
кГцр/л-ФД, оптимизированный по критерию малых шумов, окажется достаточно
быстродействующим и не будет обладать большим темновым током, при этом его
чувствительность будет во всяком случае не хуже, чем у ЛФД с большой поверхнос-
тью и коэффициентом умножения 300. К тому же и существенно меньшая сто-
имость делает этот тип прибора предпочтительным.
При ширине полосы более 10 кГц возникают проблемы с шумами предусили-
теля в системах с рш-ФД и требуется больший уровень сигнала для преодоления
этих шумов. Преимущество ЛФД передрш-ФД становится еще больше при ширине
полосы 1 МГц и более. Таким образом ЛФД следует использовать при ширине по-
лосы более 10 кГц, что соответствует длительности импульсов не более 50 мкс.
При очень малых уровнях светового сигнала предпочтителен ФЭУ благодаря
своему большому коэффициенту умножения. В то же время характеристики ЛФД
неуклонно улучшаются по мере того, как увеличивается количество регистрируе-
мых фотонов, что связано с существенно большей квантовой эффективностью
этих твердотельных приборов. При уровне сигнала порядка 500 фотонов в им-
пульсе характеристики 2 типов фотоприемников становятся равными и, нако-
нец, при еще больших уровнях сигнала ЛФД приобретает лучшие характеристики
детектирования.
Типичный ФЭУ обладает квантовой эффективностью около 14%.Это означает,
что он в лучшем случае способен зарегистрировать около 1 или 2 из каждых 10
падающих фотонов, которые он в действительности усиливает очень эффективно,
что обеспечивается малым уровнем собственных избыточных шумов.
ЛФД большой площади не способен четко зарегистрировать одиночные фото-
ны вследствие недостаточного коэффициента умножения и большого уровня из-
быточных шумов. В то же время эти приборы обладают квантовой эффективностью
т|, превышающей 80%. Уровень шумов в потоке из п фотонов составляет (п/ ц) 1/2.
При достаточно большом числе фотонов фактор квантовой эффективности начи-
нает превалировать над избыточным шумом и ЛФД начинает превосходить ФЭУ
В результате, в том случае, когда в импульсе имеется, по крайней мере 500
фотонов, ЛФД становится лучшим фотоприемником для счета фотонов при усло-
вии, что длительность импульса лежит в диапазоне 50—1000 нс. При более корот-
ких импульсах преимущества остаются за ФЭУ.
И наконец, если энергии импульсов перекрывают очень широкий динамичес-
кий диапазон, это может быть фактором, исключающим использование ФЭУ в этих
применениях. В этом случае ЛФД или рш-ФД будут способны обеспечить доста-
точную линейность в динамическом диапазоне в пределах 7 порядков величины.
Современные ЛФД способны составить конкуренцию ФЭУ также и в такой об-
ласти, каку- и рентгеновская спектроскопия. Традиционная схема детекторов для
этих применений подразумевает использование сцинцилляторов для преобразо-
вания падающего жесткого излучения в фотоны УФ или видимого диапазона спек-
тра, что представляет собой вариацию рассмотренной выше схемы счета фотонов.
Одним из требований, предъявляемых к детекторам для указанного применения,
является то, что они должны соответствовать по форме и размерам используемому
сцинциллятору. Кроме того желательно, чтобы квантовая эффективность детекто-
ра была близка к аналогичному параметру сцинциллятора. Эксперименты показа-
ли, что как ФЭУ, так и ЛФД способны выполнить эту функцию. Установлено, что
кристалл CsI смонтированнный на ЛФД большой площади способен обеспечить
энергетическое разрешение » 9 %, аналогичное другой измерительной схеме с кри-
сталлом Nai, смонтированным на ФЭУ В этом случае ЛФД помимо близких к ФЭУ
характеристик по энергетическому разрешению обеспечивает существенно боль-
шую механическую прочность. Многоэлементные фотоэлектрические формирова-
тели изображения, используемые для аналогичных целей мы рассмотрим в главе 6.
2.4.4. Системы счета одиночных фотонов
Большие возможности использования твердотельной оптоэлектроники и, в част-
ности, возможности ЛФД, иллюстрируют системы счета одиночных фотонов. Про-
гресс в области технологии и схемотехники использования этого класса приборов
привел к тому, что появилась возможность разработки систем счета одиночных
фотонов.
При этом, как было установлено, ЛФД малой площади способны успешно кон-
курировать и даже превосходить ФЭУ Временное разрешение на уровне 20 пс [ 11 ],
реализованное с помощью ЛФД, близко к лучшим результатам, достигнутым с ис-
пользованием ФЭУ
Следует еще раз подчеркнуть несколько различий между ЛФД и ФЭУ. Во-пер-
вых, ФЭУ намного более пригодны для регистрации сигналов в коротковолновой
области (Л<400 нм). При увеличении длины волны фоточувствительность ФЭУ
ухудшается. В то же время в случае ЛФД прозрачность используемых полупровод-
никовых материалов падает по мере уменьшения длины волны. При длинах волн
менее 550 нм эффективность прибора существенно падает. Напротив, в длинно-
волновой области квантовая эффективность ЛФД становится выше, чем у ФЭУ. В
качестве примера можно отметить, что у ЛФД с диаметром активной области 200
мкм квантовая эффективность кремниевых приборов составляет 70 и 50 % на дли-
нах волн 830 и 633 нм соответственно.
Вторым существенным отличием является то, что коэффициент умножения
ЛФД в предпороговом режиме намного меньше, чем у ФЭУ. В то же время, в режиме
однофотонного счета ситуация может быть изменена на обратную: возможны ре-
жимы, когда коэффициент умножения ЛФД начинает намного превосходить ана-
логичный коэффициент умножения в ФЭУ.
В-третьих, намного большая активная поверхность ФЭУ безусловно является
преимуществом, обеспечивающим достижение большей фоточувствительности.
ЛФД с большой площадью активной поверхности в настоящее время уже разрабо-
таны, но они еще не обладают характеристиками, необходимыми для использо-
вания в системах счета одиночных фотонов. Основные экспериментальные дан-
ные по ЛФД для счета единичных фотонов (SPAD) относятся к приборам малой
площади.
Рассмотрим на примере германиевых ЛФД основные аспекты разработки и
функционирования систем счета одиночных фотонов. Германиевые ФД, охлаж-
денные до 77 К обычно используются для детектирования слабого квазинепре-
рывного излучения в спектральном диапазоне от 1 до 1,6 мкм. Среди промыш-
ленно выпускаемых приборов только ФЭУ с охлаждаемым катодом типа S1 обла-
дают однофотонной чувствительностью на длинах волн вплоть до 1,3 мкм, но их
квантовая эффективность в рассматриваемом диапазоне очень невелика (~106).
Еще в 60-х годах прошлого века интенсивные исследования физики лавинного
пробоя показали, что ЛФД способны детектировать одиночные фотоны, когда
они работают в т. н. режиме Гейгера, когда их напряжение смещения слегка пре-
вышает пробивное напряжение Ub. Такие ЛФД, работающие в режиме Гейгера в
настоящее время получили название однофотонных ЛФД (ОФЛФД). Кремние-
вые ОФЛФД нашли применение в фотонно-корреляционной спектроскопии,
системах измерения скорости, нестационарной оптической рефлектометрии,
лазерной дальномерии, астрономии, системах детектирования мягких рентгено-
вских лучей а также в экспериментальных исследованиях новых квантово-меха-
нических интерференционных явлений. Использование германиевых ОФЛФД [9]
позволяет расширить спектральный диапазон за пределы диапазона чувствитель-
ности кремниевых ОФЛФД, при этом есть основания ожидать, что временное
разрешение этих приборов может быть столь же высоким, как и в случае кремни-
евых ОФЛФД.
Особенностью ОФЛФД является то, что они не обеспечивают линейное усиле-
ние оптического сигнала. Напротив, они работают скорее как триггеры или как счет-
чики Гейгера, запускаемые первым носителем заряда, генерированным в фоточув-
ствительной области прибора. В связи с этим само понятие коэффициента умноже-
ния применительно к ОФЛФД теряет смысл. В процессе функционирования прибо-
ра соответствующая внешняя электронная цепь обеспечивает обратное смещение
прибора слегка выше пробивного напряжения, при этом, как только в фоточувстви-
тельной области генерируется носитель заряда, запускается неконтролируемый про-
цесс лавинного умножения, при этом ток прибора быстро возрастает до величины
макроскопического порядка (мА-диапазона). Именно этот большой сигнал и регис-
трируется внешней схемой, которая регистрирует событие и гасит лавинный про-
цесс, смещая прибор до напряжения слегка ниже пробивного напряжения. После
фотогенерации первого носителя заряда фронт нарастания импульса тока дает от-
счет моменту времени поглощения фотона. После некоторого времени выдержки
напряжение смещения вновь восстанавливается до уровня, ненамного превышаю-
щего пробивное напряжение, делая возможным регистрацию второго фотона.
В настоящее время промышленно выпускаются несколько типов германиевых
ЛФД, способных работать в режиме ОФЛФД, например ЛФД фирмы «Fujitsu»
(FPD13R31) с диаметром активной области 30 мкм, ЛФД фирмы «Judson» (J16A) с
диаметром активной области 100 мкм. Эти приборы выполнены по планарной тех-
нологии и обладают пробивным напряжением при комнатной температуре в диа-
пазоне 31, 5-33,5 В.
Поскольку функционирование прибора в режиме Гейгера происходит в непос-
редственной близости к Ub принципиальное значение имеет выявление факторов,
влияющих на величину Ub в процессе протекания тока. Экспериментальными ис-
следованиями было установлено, что двумя важными факторами являются: захват
свободных носителей ловушками, расположенными в области обеднения, а также
возрастание температуры перехода за счет рассеяния электрической мощности.
Проведенный анализ показывает, что относительное изменение пробивного на-
пряжения за счет присутствия заполненных ловушек (при их общем количестве
Nd) составляет:
AUb/Ub = N^/Nd. (2.33)
При этом соответствующее уменьшение лавинного тока составляет:
J/ = (^/A)(^/AD). (2.34)
Носители заряда, захваченные в процессе импульса лавины, начинают осво-
бождаться после его завершения и пробивное напряжение восстанавливает свое
исходное значение с постоянной времени, зависящей от времени жизни процесса
эмиссии захваченных носителей заряда. Экспериментально установлено, что для
полного освобождения ловушек необходимо время порядка 5 мкс.
Мощность, рассеиваемая в переходе, также приводит к изменению пробивного
напряжения, при этом соответствующее изменение тока может быть описано соот-
ношением:
ЛI = (d UJd 7) {ЛТ/ R) = rpd/(RmR), (2.35)
где Р — мощность рассеяния, Rm — тепловое сопротивление перехода, у = d Ub I d T.
В экспериментах по счету фотонов сигнал генерируется детектируемыми фото-
нами, в то время как шум генерируется за счет статистических флуктуаций, что
соответствует суммарному процессу регистрации как сигнальных фотонов, так и
вклада носителей заряда, генерируемых другими факторами в объеме детектора
(так называемые темновые отсчеты). В том случае, когда последний фактор доми-
нирует, минимальная детектируемая оптическая мощность может быть описана
соотношением:
Pm = (NEP)(2T)-^2. (2.36)
Темновые отсчеты могут быть вызваны тремя факторами: носителями, эмитти-
руемыми из ловушечных уровней, заселенных во время предыдущих лавинных им-
пульсов, носителями термически генерируемыми в активной области структуры и
носителями, появляющимися в процессе межзонного туннелирования.
Присутствие ловушечных центров зависит от качества материала, из которого
изготовлен ЛФД и необходима специальная оптимизация технологии для мини-
мизации этого фактора. Аналогичные проблемы возникали ранее и в кремниевых
ЛФД. Решение этих проблем позволило разработать ОФЛФД на кремнии, работа-
ющие при комнатной температуре и содержащие ничтожную концентрацию лову-
шечных центров.
При счете сигнальных фотонов принципиально важную роль играет электрон-
ная схема задания режима, которая должна выполнять следующие операции: «по-
чувствовать» начало лавинного процесса, генерировать выходной сигнал, синхрон-
ный с лавцной, сбросить напряжение смещения до уровня ниже Ub так быстро, как
это возможно и, наконец, восстановить первоначальное смещение после хорошо
управляемого времени задержки с тем, чтобы диод был готов детектировать другой
фотон.
На ранней стадии исследований ра-
боты ЛФД в режиме Гейгера использо-
вались схемы с пассивным гашением.
Однако позже стало ясно, что необхо-
димы специализированные схемы, ко-
торые смогли бы в полной мере реали-
зовать возможности ОФЛФД. Таким об-
разом была начата разработка схем с ак-
тивным гашением лавины. Упрощенная
блок-схема с активным гашением пред-
ставлена на рис. 2.7.
Благодаря симметрии схемы в ней
может быть использован быстродей-
ствующий компаратор с низким поро-
говым уровнем, требуемым для регист-
рации лавинного процесса, который в
то же самое время нечувствителен к им-
пульсам гашения. Импульс лавинного
Рис. 2.7. Упрощённая блок-схема системы
с активным гашением.
процесса прикладывается асимметрично (только к неинвертирующему входу ком-
паратора). Благодаря этому компаратор запускается дифференциальным сигна-
лом. С другой стороны импульс гашения подается на оба входа компаратора, что
и предотвращает срабатывание компаратора от импульса гашения. Во избежание
повторных срабатываний компаратора необходимо поддерживать симметрию пе-
реходных процессов, включая возможные отражения в цепях, выбросы и эховые
сигналы. Особое внимание должно быть уделено сохранению симметрии схемы
при соединении ЛФД и согласованной нагрузки к коаксиальным кабелям СС 1 и
СС 2 одной и той же длины. Кабели подсоединены к входам схемы через резисто-
ры R0J и R02. Лавинный сигнал проходит через диод D1 и транзистор Л, включен-
ный по схеме с общей базой, и поступает на вход компаратора. Транзистор вы-
полняет две функции: во-первых, он обеспечивает условия низкого входного со-
противления и, во-вторых, усиливает сигнал напряжения, поступающий на ком-
паратор. В стационарном состоянии диоды D1 и D2 включены в прямом направ-
лении, в то время как диоды D3 и D4 — в обратном. В момент начала лавинного
процесса ток регистрируется компаратором и запускает мультивибратор М, кото-
рый точно устанавливает время выдержки.
Амплитуда сигнала гашения задается 2 драйверными каскадами DRX/DR2. Когда
сигнал гашения подается от DRX/DR2, включаются диоды D3 и D4 (они переходят
в проводящее состояние) и импульс гашения поступает на ЛФД. В то же самое
время диоды D 1 и D 2 включаются в состояние с обратным смещением, что предот-
вращает подачу импульса достаточно высокого напряжения (вплоть до 40 В) на
транзисторы Л и 72.
Проведенные эксперименты показали, что рассмотренная схема детектирова-
ния обеспечивает временное разрешение на уровне 85 пс, при этом величина NEP
составляет 7,5 10-16 Вт/Гц 1/2
В заключение отметим, что высокочувствительные ФПУ, способные регистри-
ровать одиночные фотоны могут быть использованы и при анализе изображений с
чрезвычайно низким контрастом [12] (смотрите главу 6).
2.5. Схемотехника оптронов
Оптроны являются следующим шагом (по сравнению с одноэлементными прибора-
ми) в увеличении степени интеграции оптоэлектронных приборов.Сочетая в себе 2
основных элемента оптоэлектроники — излучатель и фотоприемник, разделенные
прозрачной диэлектрической средой, оптроны открывают очень широкие возмож-
ности для схемного проектирования недостижимые с использованием обычных мик-
роэлектронных средств. В простейшем случае в качестве излучателя может исполь-
зоваться лампочка накаливания или неоновая лампочка, а в качестве диэлектричес-
кой среды — воздух, стекло, пластмасса, волоконно-оптический световод. Однако, в
силу ряда причин наибольший интерес представляют оптроны с использованием
светоизлучающих кристаллов и различных типов фотоприемников.
2.5.1. Типы и характеристики оптронов
Оптроны получили широкое распространение при проектировании различных
систем благодаря тому, что они могут использоваться как элементы гальванической
развязки. В зависимости от типа используемых фотоприемников все многообра-
зие разработанных и выпускаемых приборов этого типа можно классифицировать
следующим образом: диодные, транзисторные, резисторные, тиристорные, диф-
ференциальные оптроны и оптроны с составным транзистором.
Диодные и транзисторные оптроны, использующие в качестве фотоприемни-
ков соответственно ФД и фототранзисторы, нашли свое применение, в основном, в
цифровых схемах передачи информационных каналов. В системах бесконтактного
управления удобно использовать транзисторные оптроны, в то время, как при оп-
тической коммутации высоковольтных и сильноточных цепей — тиристорные опт-
роны. В резисторных оптронах в качестве фотоприемников используются фоторе-
зисторы, которые в отличие от других фотоприемников характеризуются высокой
линейностью и симметрией ВАХ. Выходное сопротивление таких приборов в зави-
симости от режима входной цепи может варьироваться в очень широких пределах
(в 106 — 107 раз). Указанные особенности обусловили широкое использование этого
типа приборов в аналоговых схемах. Одновременно с этим в качестве недостатка
резисторных оптронов следует отметить их недостаточно высокое быстродействие.
В качестве важного альтернативного варианта прибора для применения в ана-
логовых схемах, устраняющего недостатки резисторных оптронов, могут быть ис-
пользованы дифференциальные оптроны. Этот тип оптрона построен по трехэле-
ментной схеме и содержит один излучатель и два фотоприемника, что обеспечива-
ет двухканальную оптическую связь. В приборе используется подобие выходных
характеристик обоих каналов, при этом один канал (информационный) использу-
ется непосредственно для неискаженной передачи аналоговых сигналов, в то время
как другой (опорный) необходим для реализации цепи отрицательной ОС, благо-
даря которой осуществляется коррекция температурных, деградационных измене-
ний мощности излучателя.
Особенности функционального ис-
пользования оптронов во многом опре-
деляют и их систему параметров, кото-
рая иллюстрируется рис. 2.8 и включает
в себя: развязку (способность подавлять
паразитный сигнал), изоляцию (напря-
жение пробоя), быстродействие (частот-
ный диапазон, задержку распростране-
ния сигнала), обратную связь (помеха по
цепи заземления) и прямую связь (ко-
эффициент передачи по току, нагрузоч-
ная способность)
Для аналоговых сигналов коэффи-
Рис. 2.8. Схема, иллюстрирующая парамет-
ры оптронов.
циент развязки оценивается по относительному воздействию на выходной ток /
полезного сигнала ег и помехи еп„ в соответствии с соотношением:
/ им
К =(д! / епи).
разе. v к ' Г' ' v к ' ПМ'
(2.37)
Отношение фототока к току СИД и емкость развязки С являются собствен-
ными свойствами оптрона, в то время, как коэффициент развязки можно повы-
шать, уменьшая Rs и d исд / d/^.Следует отметить также, что этот параметр снижа-
ется с увеличением частоты синусоидального сигнала в цепи развязки.
В связи с тем, что на коэффициент развязки влияют параметры внешних цепей
для корректного задания этого параметра необходимо оговаривать значения 1СЛ, Rs
и fpa3e .
При оценке характеристик электрической изоляции оптрона следует учиты-
вать такое явление как коронный разряд, характеризуемое таким параметром, как
напряжение коронного разряда U . Функционирование прибора при напряже-
нии выше U приводит к увеличению скорости деградации изоляции.
Важной характеристикой гальванической развязки является сопротивление
утечки, составляющее для многих оптронов величину 1012 Ом и определяемое при
высоком напряжении порядка 3000 В.
При использовании оптронов в аналоговом и цифровом режимах быстродей-
ствие приборов существенно зависит от схемы включения. Быстродействие можно
повысить введением ОС и форсированием переходных процессов.
В аналоговых схемах выходной транзистор оптрона должен функционировать в
активной области, не попадая в области насыщения и отсечки. Соответственно
амплитуду входного сигнала и номинал резисторов на рис. 2.8 следует выбирать с
учетом диапазона изменения тока СИД так, чтобы всегда в пределах изменения
тока СИД выполнялись неравенства 0 Uk иип.
Быстродействие оптронов обычно не ограничивается исключительно быстро-
действием СИД. Тем не менее, этот фактор играет важную роль. Многочисленны-
ми исследованиями установлено, что параметры, улучшающие мощностные ха-
рактеристики СИД, одновременно снижают его быстродействие. В том случае, когда
СИД лимитирует быстродействие схемы, оно может быть улучшено за счет форси-
рования переходных процессов.
В цифровом режиме оптрон должен переключаться из одного логического состоя-
ния в другое, при этом в состоянии низкого уровня ток СИД должен быть достаточно
большим с тем, чтобы напряжение Uk смогло превысить пороговый уровень. Таким обра-
зом, быстродействие оптрона будет определяться временем, в течение которого Uk дос-
тигнет порогового уровня, и, как следствие, быстродействие будет характеризоваться
задержкой распространения или уменьшением скорости передачи данных. На величи-
ну времени задержки оказывают влияние основные параметры оптрона, в том числе
коэффициент передачи по току, емкости схемы на рис. 2.8. К уменьшению времени
задержки включения приводит увеличение тока СИД, увеличение Ян, но одновременно
с этим увеличение Rh сопровождается возрастанием времени задержки выключения.
Оптроны практически исключают связь контуров заземления по постоянному
току, так как обладают сопротивлением гальванической развязки на уровне 1012 Ом,
но, тем не менее, они допускают прохождение переменного тока в цепи заземле-
ния из-за внутренней емкости между входной и выходной цепями. Эта емкость не
столь мала как С (« 0,07 пФ) и составляет величину порядка 1 пФ. При этой
величине емкости ток контура заземления от источника переменного напряжения
220 В с промышленной частотой составляет величину порядка 120 нА.
Наиболее широко используемым параметром оптрона, в значительной степени оп-
ределяющим его потребительские характеристики, является коэффициент передачи тока
Кt. В аналоговых применениях этот параметр определяется как соотношение выходного
и входного токов и обычно выражается в процентах. Если аналоговый оптрон применя-
ется в цифровой схеме, то этот коэффициент указывается для минимального коллектор-
ного напряжения. Коэффициент передачи тока не является постоянным для всех уров-
ней входного тока. Частично это связано с нелинейностью ЛАХ СИД, хотя главным
образом он связан с изменением коэффициента усиления выходного усилителя.
Коэффициент передачи тока является характеристикой, наиболее подвержен-
ной влиянию деградации.
2.5.2. Оптроны в аналоговых схемах
Связь между выходным током диодного или транзисторного оптрона в достаточно
широком диапазоне токов может быть выражена зависимостью вида 1вых= К 1СИ£.
Если п = 1, то передаточная характеристика оптрона линейна, однако в большинстве
случаев п и варьируется в диапазоне от 1 до 2. Существует несколько способов
передачи аналоговых сигналов с использованием оптронов. В серво-и дифферен-
циальных усилителях постоянного тока для улучшения температурной стабильно-
сти и линейности используются 2 оптрона.
Схема сервоусилителя приведена рис. 2.9.
В этом устройстве входной ток одного оптрона отслеживает входной ток друго-
го оптрона по принципу серводействия. Если показатели степени передаточных
характеристик близки во всем диапазоне токов, то возможна компенсация нели-
нейных факторов, что приводит к линеаризации характеристики усилителя.
Схема дифференциального усилителя постоянного тока с оптической развяз-
кой приведена на рис. 2.10.
В линейном дифференциальном усилителе при воздействии сигнала входной ток
одного оптрона увеличивается, в то время как входной ток другого оптрона уменьшает-
ся в той же степени во всем диапазоне токов. Если степенные показатели передаточ-
ных характеристик обоих оптронов близки, то повышение коэффициента передачи
тока первого оптрона будет, по крайней мере частично, компенсировать снижение
коэффициента передачи тока второго оптрона, что приводит к линеаризации интег-
ральной характеристики усилителя.
Схема развязывающего усилителя переменного тока приведена на рис. 2.11.
В этой схеме достаточная степень линейности может быть получена с исполь-
зованием одного оптрона. В схеме используется режим высокого уровня входного
тока СИД, при котором отношение изменений токов ФД и СИД почти постоянно.
Входной ток оптрона модулируется входным сигналом, а переменная составляю-
щая фототока детектируется и усиливается.
Рис. 2.10. Схема дифференциального усилителя с оптической развязкой
Сравнительные характеристики различных аналоговых схем с использованием
оптронов приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Сравнительные характеристики различных аналоговых схем с
использованием оптронов.
Сервоусилитель Параметр Дифференциальный усилитель Усилитель со связью по пере- менному току
Линейность, % 0,5 1 1
Диапазон токов, мА 2—4 2-4 15-25
Широкополосность, МГц 0,1 1 10
Температурный коэффициент, % °C-1 0,01 0.04 -
Температурный дрейф усиления, % °C-1 -0,03 -0,4 -0,5
Подавление синфазного сигнала, дБ >46 >70 >22
(f = 1 кГц) (Г = 1 кГц) (Г= 1 МГц)
2.5.3. Оптроны в цифровых схемах
Цифровые схемы с использованием оптронов многочисленны и разнообраз-
ны, а их схемотехническое проектирование является далеко нетривиальным.
Тем не менее при расчете входной цепи оптронов в цифровых схемах можно
выделить ряд общих моментов:
• в выключенном состоянии ток излучателя очень мал или имеет отрицатель-
ное значение (СИД смещен в обратном направлении);
• во включенном состоянии прямой ток излучателя фиксирован на постоян-
ном уровне, соответствующем заданным требованиям:
• в пороговом состоянии ток излучателя имеет промежуточное значение.
Ограничимся лишь несколькими примерами использования оптронов в
цифровых схемах.
Благодаря возможности подавления помех очень большое практическое
значение получило использование оптронов в системах связи, обеспечивая,
например, качественно новый уровень телефонной связи.
При передаче цифровых сигналов на значительное расстояние возможно
возникновение «паразитных» электрических сигналов по цепям заземления,
которые могут быть уменьшены за счет использования оптронов. В этом слу-
чае возможны различные варианты схем, включая цепи с резистивными и ак-
тивными оконечными нагрузками. В отличие от резистивных оконечных на-
грузок использование активных нагрузок позволяет четко фиксировать вход-
ной ток оптрона, уменьшить порог устройства и обеспечить поглощение вто-
ричных отражений во входной цепи.
Активные оконечные нагрузки способны выполнять функцию несложных
регуляторов тока и делятся на 2 класса: регуляторы с фиксированным током,
допускающие повышение выходного напряжения и регуляторы с фиксирован-
ным напряжением, допускающие повышение выходного тока.
Важной задачей систем связи является подавление паразитных сигналов в
цепях развязки. Такие паразитные воздействия являются синфазными и отно-
сительно заземления оказывают совместное воздействие на оба входа оптро-
на,что иллюстрируется рис. 2.12.
Напряжение помехи еПМпроявля-
ется в виде реактивной е; и активной
^составляющих. В некоторых случа-
ях напряжение е2 внутренне присуще
системе, например, это — паразитные
сигналы, проникающие через межвит-
ковую область силового трансформа-
тора. Помеха е2 возникает как напря-
жение между линией передачи и
Генератор
Рис. 2.12. Схема воздействия паразитных
сигналов в цепях развязки.
S)
Рис. 2.13. Базовая (а) и модифицированная
(б) схемы нейтрализации паразитных сиг-
налов.
заземлением или между линией пере-
дачи и некоторым параллельным про-
водником. Напряжение е7 может ин-
дуцироваться магнитным потоком.
Если уровень е7 заметно выше на од-
ной стороне линии, чем на другой, то
это может привести к существенному
различию напряжений между двумя ли-
ниями. Для компенсации помех исполь-
зуются попарно скрученные линии, а эк-
ранирование скрученной пары линий
помогает скомпенсировать реактивные
помехи. Даже если напряжение е7 сба-
лансировано, оно может присутствовать
на обоих зажимах приемника и в соче-
тании с напряжением е2 создавать напря-
жение помехи еПМ, воздействующее по
емкостному каналу на выходной усили-
тель оптрона. Существует ряд методов борьбы с помехой е[]м, в том числе нейтрали-
зация, сбалансированное дифференциальное усиление, уменьшение чувствитель-
ности усилителя, использование триггера с селективным входом, применение при-
боров с высокими показателями гальванической развязки. Нейтрализацию можно
ввести для оптронов с однотранзисторными усилителями, работающими по схеме
с общим эмиттером.Она эффективна, пока транзистор действует в активном режи-
ме (вне режимов насыщения и отсечки). Однако напряжение епм представляет боль-
шую опасность, если транзистор работает в активном режиме. Два варианта схем
нейтрализации приведены на рис. 2.13.
Суть метода нейтрализации достаточно проста: в схеме на рис. 2.1 За конденса-
тор нейтрализации CN является источником тока CN (d епм/ d t), направление кото-
рого противоположно направлению коллекторного тока, вызванного помехой. Если
CN = ВС^, то эти встречные токи компенсируются, и помеха не будет влиять на
коллекторное напряжение.
Представляет интерес рассмотреть блок-схему линии передачи информации
общего пользования с использованием оптронов (рис. 2.14).
Если в линии на передачу работает лишь одно устройство, в то время как ос-
тальные устройства работают на прием, то такая система называется симплексной.
Если в системе 2 устройства могут работать как передатчик, то система называется
дуплексной. Широкое распространение получили мультиплексные системы, в ко-
торых любое устройство может работать и как приемник и как передатчик. В схеме
на рис. 2.14 можно одновременно передавать как тактовые, так и информационные
сигналы по одной и той же линии.При этом, чтобы избежать искажение тактовых
ввод данных
импульсов, информационные сигналы следует передавать в паузах между тактовы-
ми сигналами. За счет использования выходных оптронов с большим коэффициен-
том усиления можно исключить из схемы буферные инверторы.
Помимо функции гальванической развязки и подавления помех в системах
связи использование оптронов позволяет организовать систематическую реге-
нерацию сигналов. В свою очередь, такие схемы могут быть использованы для
построения оптоэлектронных триггеров и генераторов различного назначения.
Известным фактом является то, что электронное устройство, охваченное доста-
точно глубокой положительной ОС об-
ладает ВАХ с падающим участком (об-
ласть отрицательного дифференциаль-
ного сопротивления). Наличие такого
участка отражает способность устрой-
ства усиливать сигналы. Простые при-
меры реализации таких схем приведе-
ны на рис. 2.15. Во входной цепи кас-
када действуют излучатель и резистор.
В цепь положительной ОС включены
фотоприемник, взаимодействующий с
излучателем по оптическому каналу, а
также усилитель фототока. В рассмат-
риваемом случае ток обратной связи 1
ж = KfKy 1св зависит от коэффициента
передачи диодного оптрона и коэффи-
циента усиления усилителя. Разность
входных потенциалов распределяется
между СИД и резистором, причем
Рис. 2.15. Варианты оптронных схем с от-
рицательным дифференциональным сопро-
тивлением.
падение напряжения на резисторе U^. = (1 — К^К) 1вх существенно зависит от
тока обратной связи. При достаточно глубокой ОС (KtKy > 1) разность потенци-
алов становится отрицательной.
Сравнительно несложные методы могут быть использованы для реализации с
использованием оптронов основных логических функций цифровой техники. Циф-
ровые элементы на основе транзисторных оптронов способны моделировать основ-
ные логически функции двух независимых переменных хр х2, при этом, если пере-
менная х принимает значение 0, то соответствующий фототранзистор не освещен и
закрыт. В состоянии с х = 1, фототранзистор освещен и находится в насыщенном
состоянии. Если выходной потенциал оптоэлектронного ключа находится в состоя-
нии низкого уровня, то логическая функция у двух переменных равна 0, при относи-
тельно высоком выходном потенциале функция у имеет значение равное 1.
Рис. 2.16. Схемные ва-
рианты реализации с по-
мощью оптронов логи-
ческих функций конъ-
юнкции, И (а), штриха
Шеффера, И-НЕ
(б),дизъюнкции, ИЛИ
(в), стрелки Пирса,
ИЛИ-HE (г), штриха
Шеффера, И-НЕ (д),
импликации (е), запре-
та (ж), стрелки Пирса,
ИЛИ-НЕ(з).
Схемная реализация основных логических функций с использованием оптро-
нов иллюстрируется рис. 2.16.
Достаточно обширным и разнообразным подклассом цифровых устройств с
использованием оптронов являются оптоэлектронные переключатели. В частно-
сти, оптоэлектронные переключатели эффективно используются в управляемых
источниках питания переменного тока. Один из примеров схемной реализации
такого устройства приведен на рис. 2.17.
Представленная схема содержит стандартный набор элементов, включая мощ-
ный выходной переключатель-триак, мостовой диодный преобразователь и управ-
ляющий тиристор малой или средней мощности. В качестве входного элемента
гальванической развязки используется транзисторный оптрон. По своим техни-
ческим характеристикам устройства такого типа успешно конкурируют с электро-
магнитными реле, превосходя их по надежности, долговечности и помехозащи-
щенности.
2.5.4. Оптимизация оптронных схем
Рассмотренные выше примеры использования оптронов в цифровых и аналоговых
схемах, безусловно, не исчерпывают всего многообразия применения оптронов, а
скорее иллюстрируют те большие возможности, которые предоставляет этот класс
приборов для схемотехнического проектирования. В основе такого проектирова-
ния, естественно, лежат основные характеристики и параметры компонентов опт-
ронов (излучателей, фотоприемников и усилительных элементов).
Адекватное проектирование оптронных схем подразумевает использование
моделирования с применением расчетных методов, которые мы рассмотрим более
подробно применительно к двум основным проблемам оптронной техники, а имен-
но к задачам повышения быстродействия и помехозащищенности [13].
Анализ параметров и разновидностей оптронов показывает, что их основные
функциональные характеристики, представляющие наибольший интерес для раз-
работчиков сточки зрения гальванической развязки электрических цепей, повы-
шения помехозащищенности каналов усиления передачи сигналов к периферий-
ным устройствам цифровой аппаратуры, определяются эффективностью
и быстродействием излучателя и фотоприемника, качеством их взаимного оптичес-
кого согласования, а также качеством электрического согласования оптрона с эле-
ментами усиления сигнала, генерируемого оптроном.
В связи с необходимостью повышения скорости передачи информации через
оптронные цепи возникает задача оптимизации схемотехники оптронов со схемами
усиления выходного сигнала до цифрового уровня.
Особенности схемотехники оптронов определяются источником электрического
сигнала, генерируемого на их выходе. В этих приборах имеет место двукратное преобра-
зование энергии: входной электрической — в энергию излучения СИД с последующим
преобразованием энергии излучения, попадающего нафоточувствительную поверхность
фотоприемника, вновь в электрический выходной сигнал 7^. Процесс преобразования
энергии сопровождается потерями. В результате этого выходной сигнал оптрона без
внутреннего усиления оказывается меньше входного, в то время как в оптроне с усилени-
ем он может превышать входной ток. Как уже упоминалось выше, такой процесс преоб-
разования в оптроне описывается коэффициентом передачи по току.
Со схемотехнической точки зрения представляет интерес рассмотрение трех типов
оптронов: диодных, транзисторных и диодно-транзисторных. У диодных оптронов К/=
102, в то время как у транзисторных и диодно-транзисторных оптронов этот параметр
составляет 0,5—3,0. Посколькутипичное значение входного тока оптронов составляет 10
мА, это означает, что величина выходного тока диодных и транзисторных, диодно-тран-
зисторных оптронов составляет соответственно 100—200 мкА и 5—50 мА.
Характеристики инерционности этих трех основных типов оптронов различны и
определяются схемами использования приборов. В диодных оптронах наиболее инер-
ционным элементом является СИД, что и определяет импульсные параметры этого
типа оптронов: время включения и выключения t^. Как правило, для разрабо-
танных и выпускаемых оптронов этого типа величина указанных параметров состав-
ляет 15—100 нс.
В транзисторном оптроне наиболее инерционным элементом является фототран-
зистор, при этом увеличение площади фоточувствительной поверхности базы сопро-
вождается возрастанием емкости между коллектором и базой что вследствие эф-
фекта Миллера вызывает рост времени нарастания и спада выходного тока. В случае
диодных оптронов времена нарастания и спада описываются соотношениями:
(2.38)
(2.39)
где: Ссд (Сфд) — емкость СИД (ФД), Un (/J — входное напряжение (входной ток),
(тр) — эффективное время жизни (подвижность) носителей, Rh — сопротивление
нагрузки, Un — напряжение питания, W- ширина базы.
В случае диодно-транзисторного оптрона аналогичные выражения имеют вид:
где: (£/р — емкость (напряжение) между эмиттером и базой, K'f — внутренний
коэффициент передачи (без усиления), Скб — емкость между коллектором и базой
транзистора, р— коэффициент усиления транзистора по току.
В ключевом режиме работы диодно-транзисторного оптрона второй член в выра-
жении (2.40) при К /Р приобретает вид:
t
drk
СсдЦвв (Ссд +C^J.
(2.42)
+ ^c^)lg
Здесь t6 - время жизни носителей в базе.
Выражения (2.40—2.42) справедливы и в случае транзисторного оптрона при
условии, что Сфд = 0, a Kj = Pt Sp где Р1 — мощность, падающая на фоточувстви-
тельную поверхность фототранзистора, a Sl — фоточувствительность базы 0,5
А/Вт).
В связи с тем, что у фототранзистора Скб« 15-20 пФ, а у транзистора этот же
параметр может составлять 0,5 — 1 пФ, быстродействие диодно-транзисторного
оптрона может существенно превышать быстродействие транзисторного оптрона.
В формулах (2.38), (2.40—2.42) первый член в квадратных скобках выражает соот-
ветственно времена задержки включения t3deicjt и выключения 1здвыкл. Влияние этого
члена может быть уменьшено подачей небольшого тока смещения на светодиод
(ниже порога срабатывания оптрона), а также оптимальным выбором рабочей точ-
ки транзистора диодно-транзисторного оптрона.
5—2735
Диодный оптрон является базовым элементом связи входной и выходной це-
пей гибридных оптоэлектронных ИС (ОЭИС) логических переключателей типа
К24ЛП1А—В, рассматриваемых в главе 3 (рис. 3.1). В этих ОЭИС > 200 нс
ограничивается не только инерционностью используемых в них оптронов, но так-
же и задержкой нарастания и спада напряжения в схемах усилителей сигнала опт-
ронов —, t3dyiQ. Схема на рис. 3.1а не оптимальна для обеспечения минимальных
задержек, так как заряд емкости на входе усилителя до порогового напряжения
включения 2 U36 = 1,4 В осуществляется небольшим выходным током оптрона
Kf 1вх® 0,1 мА, при этом часть заряда стекает через резистор Rv
Кроме того, сказывается влияние емкости Скб, усиленное эффектом Миллера:
Су = ^у1п 1-
2U36
+ (^+^2CK^)ln 1-
ип -шзб
i6Ri
(2.43)
где: texy = Rx Свх.
При Л. = 30 кОм, С =10 пФ (г = 300 нс), С =1,5 пФ, Я, = 4 кОм, В= 50 и К,
/^ = 0,1 мА расчет по формуле (2.43) дает значение f 10 = 275 нс, а при ^/^ = 0,15
мА = 123 нс.
Задержка выключения усилителя f определяется временем рассасывания за-
ряда в базе насыщенного транзистора Т1 (рассасывание заряда в Т4 происходит
быстрей, чем в 77), временем разряда С^до напряжения U < 2 а также време-
нем увеличения потенциала коллектора от U* + U3kh до 4 Uj6'.
,01 — т 1П_______________________
s° 6 2(ТТ и -(u 6+u )
эб | n \ ЭО КЭН /
1? Rj
+ (г6+Я2Скб^)1п
(2.44)
Расчет по формуле (2.44) при указанных выше параметрах схемы приводит к
значениям t А 01 = 82 и 90 нс соответственно при К. I = 0,1 и 0,15 мА.
Оптимизация рассматриваемой логической схемы показывает, что величина
задержки может быть уменьшена до 8—10 нс [13].
Анализ показывает, что для достижения оптимального быстродействия в схеме
оптрона с усилителем входной импеданс усилителя должен быть минимален, при
этом следует нейтрализовать влияние емкости С усиливающего транзистора схе-
мы, а сами транзисторы не должны работать в режиме глубокого насыщения.
Как уже отмечалось выше, основное назначение оптронов в радиоэлектронной
аппаратуре состоит в обеспечении развязки электрических цепей, между которы-
ми передается сигнал, от посторонних потенциалов и их изменений. В этом смыс-
ле неидеальцость оптрона как элемента развязки можно охарактеризовать двумя
параметрами, а именно сопротивлением изоляции Ru3 и проходной емкостью Сиз.
Величина сопротивления изоляции важна, в первую очередь, с точки зре-
ния изоляции цепей от постоянных и медленно меняющихся потенциалов, в то
время как влияние емкости существенно при быстрых изменениях напряжения
изоляции и входного сигнала. Влияние указанных параметров на работу оптро-
на можно оценить с учетом коэффициентов передачи диодного оптрона(Л"7) и уси-
лителя фототока (К
Если допустимый относительный уровень напряжения помехи на выходе опт-
рона составляет а= UJ U , то минимально допустимое значение сопротивления
изоляции при заданном напряжении изоляции ию определяется по формуле:
и3 ^ивых
(2.45)
При aUebix=Q,2 В, К”1= Ю2, U=3 103Ви/?н= 1 кОм из формулы (2.45) получаем
Ru3> 1,5 Ю9Ом. Поскольку у современных оптронов Ru~ 1010— 1012Ом,то макси-
мальнодопустимое напряжение изоляции ограничивается не схемотехническими
требованиями статической помехоустойчивости, а электрической прочностью ма-
териалов и компонентов, используемых при изготовлении оптронов.
При быстрых изменениях U в цепи емкости С ток помехи I = С (d<7 /d/),
который при усилении создает на нагрузке динамическую помеху с напряжением
Увыхпд • Максимально допустимая скорость изменения напряжения изоляции в этом
случае определяется выражением:
. аи™
I dt Cu,RHK’i ’
(2.46)
При Сиз = 2 пФ и тех же исходных условиях расчет по формуле (2.46) дает значе-
ние (dUuJdt)max< 106 В/с.
В быстродействующих оптронах при возбуждении СИД быстро нарастающим
фронтом входного тока с г , tc = 2 нс на светодиоде возникает скачок напряжения
Uex = 1,5 В с tyh = 3-5 нс, при этом (dUJdt)max = (3-5) 108 В/с.
Обусловленный этим импульс тока длительностью t на входе усилителя опт-
рона, опережающий нарастание тока прибора, при использовании усилителя с
t КрОП создает на его выходе импульс динамической помехи, предшествующий
основному сигналу.
Для исключения этого эффекта усилитель фототока оптрона следует проекти-
ровать без излишнего запаса по быстродействию по сравнению с быстродействием
оптрона, при этом длительность фронта входного тока следует выбирать из условия
/ - tHP on можно также иным способом уменьшить (d /6f), для чего СИД оптрона
следует подавать небольшой ток смещения 1вхсм < 0,2 1вх пор9 при этом Д17* = 5 ^и
скорость нарастания входного тока составит:
dU^ _ 5(рТ
<247>
ф
Из формулы (2.47) следует, что в рассматриваемом случае (d U^/dt) уменьшает-
ся в 20 раз; используя при этом t s t , можно исключить появление на выходе
усилителя импульса, предшествующего сигналу. В заключении этого раздела сле-
дует отметить, что мы вновь вернемся к рассмотрению этого класса приборов в
связи с анализом перспективных областяей применения (глава 7).
2.6 Схемотехника многоэлементных
оптоэлектронных приборов
Современной оптоэлектроникой успешно освоены различные типы многоэлемент-
ных оптоэлектронных приборов, ориентированных как на регистрацию изображе-
ний (например многоэлементные фотоприемные матрицы различных спектраль-
ных диапазонов, включая тепловизионный диапазон спектра), так и его генерацию
(многоэлементные экраны). В связи с тем, что наиболее объемный сектор рынка
оптоэлектронной продукции ориентирован именно на системы визуального ото-
бражения информации, проиллюстрируем возможности современной схемотех-
ники многоэлементных оптоэлектронных приборов на примере полупроводнико-
вых знако-синтезирующих индикаторов (ПЗСИ). Другие альтернативы типов сис-
тем визуального отображения будут рассмотрены позже (глава 5).
Этот класс оптоэлектронных приборов включает в себя дискретные СИД, зна-
ковые индикаторы, модули шкал, модули экрана.
Одним из достоинств ПЗСИ является низкий уровень напряжения питания,
типичный и для других полупроводниковых приборов, что значительно облегчает
решение проблемы управления их режимами работы, поскольку позволяет широ-
ко использовать полупроводниковые интегральные микросхемы.
Все многообразие схем включения ПЗСИ можно свести к трем:
• схема параллельного (поразрядного) управления сегментными индикаторами на
постоянном токе;
• схема мультиплексного управления сегментными и матричными индикаторами;
• схема мультиплексного управления сегментными и матричными индикаторами
с памятью.
Выбор конкретной схемы включения определяется рядом факторов (характе-
ром подаваемой на схему цифровой информации, особенностями работы ПЗСИ в
импульсном режиме и т. д.). Подробный анализ указанных факторов позволил ус-
тановить преимущественные области применения каждого из перечисленных выше
типов управления.
2.6.1. Схемы параллельного управления
Поразрядную схему управления целесообразно применять, когда цифровая ин-
формация подается на вход системы в виде набора независимых параллельных
сигналов, например, от набора десятичных счетчиков с параллельным выхо-
дом (схемы частотомеров, лазерных дальномеров, цифровых вольтметров и т.
д.), от регистров памяти с параллельным выходом от каждого разряда. В этом
случае поразрядная схема управления позволяет избежать использования до-
полнительных сложных микросхем для преобразования параллельного кода в
последовательно-параллельный, необходимый для мультиплексного управле-
ния. К преимуществам такого управления относятся сравнительно малые ам-
плитуды токов питания. Мультиплексный же режим управления вызывает не-
обходимость создания схем с мощными выходными транзисторами, которые
трудно реализовать в монолитном интегральном исполнении. В дополнение к
сказанному следует отметить, что в ряде случаев мультиплексный режим уп-
равления принципиально невыгодно использовать, например в случае субли-
нейности ЛАХ ПЗСИ.
Структурная схема параллельного управления ПЗСИ представлена на рис. 2.18.
В рассматриваемом случае каждый разряд дисплея состоит из сегментного
индикатора и дешифратора. Дешифратор преобразует информацию, поступаю-
щую в разряд из двоичного кода (ДК) в десятичный (код цифры). Каждый выход
дешифратора управляет через соответствующий ключ определенным сегментом
(а - g). Резисторы Ra—Rg обеспечивают заданный ток через сегмент. Очевидно,
что ДК — информация должна поступать из статического источника — на рис.
2.18 из памяти, входящей в состав дешифратора. В память разряда информация
вводится по команде соответствующего адреса А— А3.
Рис. 2.18. Параллельное управ-
ление ПЗСИ.
Принципиальная особенность схемы состоит в том, что при неизменной ДК-
информации через светоизлучающие сегменты всех индикаторов течет постоян-
ный прямой ток.
Наибольшее распространение получили поразрядные монолитные микросхе-
мы управления ПЗСИ, состоящие из собственно дешифратора и формирователя.
Формирователь представляет собой последовательное соединение источника по-
стоянного напряжения, резистора, обеспечивающего заданный токовый режим, и
ключевого л/м-транзистора. Семь формирователей подключаются с одной сторо-
ны к семи выходам дешифратора, а с другой стороны — к семи сегментам индикато-
ра. С учетом неизбежного разброса характеристик различных сегментов для обес-
печения равномерности свечения прибора выходные характеристики формирова-
телей должны по возможности быть наиболее близки к характеристикам генерато-
ра тока. В связи с тем, что у различных типов ПЗСИ номинальный ток может варь-
ироваться в достаточно широких пределах, рабочий режим задают схемами управ-
ления с различными номиналами резисторов.
При разработке схем управления ПЗСИ первого поколения использовались
два подхода. Первый подход подразумевал интегрирование токозадающих резис-
торов в составе микросхемы управления (схема MSD101 фирмы «Монсанто», оте-
чественная микросхема К514ИД1). Недостатком указанного подхода является не-
обходимость изготовления отдельного типа микросхемы в зависимости от номи-
нального тока подключаемого индикатора.
Второй подход подразумевал изготовление управляющей микросхемы с набо-
ром навесных резисторов, при этом потребитель имеет возможность выбора их но-
минала в зависимости от требуемого тока питания. К такому типу микросхем отно-
сятся SN5447, SN54L47 фирмы «Тексас Инструменте», MSD047 фирмы «Монсанто»
и отечественная микросхема К514ИД2. К недостаткам этого подхода относится
необходимость подбора и установки внешних резисторов.
Общим недостатком, присущим перечисленным выше микросхемам, являют-
ся недостаточно стабилизирующие свойства используемых формирователей. Ана-
лиз показывает, что вследствие разброса ВАХ при изменении напряжения пита-
ния в пределах 5 В ±10% выходной ток изменяется в пределах 35%, что приводит (в
случае суперлинейного характера ВАХ) к еще большему разбросу по силе света. Для
стабилизации выходного тока формирователя можно включить в цепь эмиттера
выходного транзистора резистор и использовать его для образования отрицатель-
ной ОС между выходным током и током базы выходного транзистора.
Использование указанной схемы позволяет при варьировании напряжения
питания в пределах 5В±10% уменьшить примерно втрое разброс по току, что допу-
стимо для обеспечения равномерности свечения различных сегментов ПЗСИ. К
числу достоинств такой схемы относится возможность ее реализации в интеграль-
ном исполнении.
2.6.2. Схемы мультиплексного управления
С увеличением количества разрядов в дисплее параллельная схема управления ста-
новится громоздкой и неэкономичной. Количество дешифраторов и межэлемент-
ных соединений можно резко сократить, перейдя к мультиплексному управлению.
Мультиплексный режим целесообразно применять в тех случаях, когда входная
цифровая информация подается на схему в виде последовательно-параллельных
сигналов с последовательностью, задаваемой низкочастотным генератором.Типич-
ная структурная схема управления ПЗСИ в мультиплексном режиме представлена
на рис. 2.19.
В представленной схеме управления выводы одинаковых тс сегментов {a—g)
всех разрядов соединены между собой и с соответствующими выходами единствен-
ного ДДК-дешифратора через ключи сегментов и токоограничивающие резисторы
Rq—Rg. Общие катоды разрядов через ключи К1—КЗ поочередно подсоединяются к
питающему отрицательному потенциалу сканирующим устройством (СУ) с такто-
вой частотой f Таким образом, каждый из Nразрядов включен в течение времени
= N / f Информация определенного разряда хранится в соответствующей па-
мяти в двоичном коде (записана адресами A1—AN от общей ДК-магистрали). Од-
новременно с включением общего катода первого разряда СУ подключает его бу-
ферную память. ДК-информация по общей внутренней магистрали поступает на
вход дешифратора, преобразуется в десятичный код, усиливается и отображается
сегментами первого индикатора в течение времени teKji г В следующий промежуток
времени teKJ12no команде СУ на вход дешифратора поступает информация из буфер-
ной памяти второго разряда, которая и отображается сегментами второго индика-
тора, и т.д.
Универсальность и высокая экономическая эффективность мультиплексного уп-
равления позволили уже на ранних стадиях разработки ПЗСИ предположить, что
оптимальной коммутацией элементов в многоразрядных знаковых индикаторах яв-
ляется перекрестная: индивидуальные выводы одноименных сегментов всех разря-
дов соединяются параллельно и образуют набор из тс строк. Общие выводы N раз-
рядов образуют набор из пс столбцов. При этом общее число внешних выводов у
многоразрядных знаковых индикаторов резко сокращается и составляет пс + тс.
Мультиплексная схема управления реализована в отечественной микросхеме
К564ИК2, предназначенной для управления 5-разрядным сегментным индикато-
ром и способной синтезировать 16 различных символов. Схема содержит дешиф-
ратор двоичного кода, генератор тактовых импульсов, делитель частоты на 5 с пре-
образователем и дешифратором. Дешифратор двоичного кода преобразует вход-
ной двоичный сигнал в сигнал управления анодами индикатора. Делитель частоты
на 5 предназначен для преобразования в сигналы двоичной системы, используе-
мые для управления внешним демультиплексором; дешифратор предназначен для
подключения одного из 5 разрядов в соответствии с внутренним состоянием дели-
теля частоты.
2.6.3. Схема мультиплексного управления с памятью
Рассмотренная схема мультиплексного управления при всех ее достоинствах обла-
дает существенным недостатком: чем больше количество разрядов в дисплее, тем
больше должна быть величина пикового импульсного тока через сегмент индика-
тора. Поскольку каждый конкретный тип ПЗСИ характеризуется определенным
предельным значением пикового импульсного тока, то казалось бы существует прин-
ципиальное ограничение на максимальное количество разрядов в дисплее (или
столбцов в экране).
Тем не менее, существует схема мультиплексного управления с памятью (рис.
2.20), позволяющая снять указанные ограничения.
Эта схема управления обеспечивает возможность конструирования дисплеев,
табло и экраны на неограниченное число разрядов (столбцов).
Рассмотрим работу этой схемы на примере управления табло, собранного из
трех модулей экрана с количеством элементов в каждом модуле 8x8.
Работа схемы происходит в 8 циклов. В течение первого цикла сканирующее
устройство СУ выбирает первую строку и через ключ строк КС подключает соответ-
ствующие элементы табло. Одновременно с этим по команде СУпроизводится пос-
ледовательный выбор одного из трех запоминающих устройств с произвольной
выборкой (ЗУПВ) и информация, преобразованная в ДДК-дешифраторе ПЗУ через
сдвиговые регистры СР и ключи столбцов КС поступает на вход соответствующей
последовательности столбцов (Г — 8”, 1' — , 1 — 8).
В результате работы схемы в течение первого цикла длительностью teKji последо-
вательно высвечивается информация первой строки.
Рис. 2.20. Схема муль-
типлексного управле-
ния с памятью
В течение последующих семи циклов последовательно подключаются стро-
ки 2—7 и светятся соответствующие элементы табло. После высвечивания пос-
ледней строки вся последовательность циклов повторяется с частотой f = 100 Гц
(для исключения эффекта «мерцания»). В рассматриваемом случае продолжи-
тельность импульса свечения каждого элемента табло составляет teKji» (1/ mcf) —
пс где тс - число строк, пс - полное число столбцов в табло, t0 — тактовое время
перемещения информации между соседними ячейками сдвигового регистра. В
рассматриваемом случае импульсный прямой ток через элемент дается соотно-
шением:
I =(/ т )/(1 — т п Л).
пр.и х пр.ср. с' ' х с с (У
(2.48)
Для достижения средней силы света / > / мин и гарантированной однороднос-
ти свечения табло 8 / величина I ср выбирается потребителем в пределах 1пр мин / тс
< 1пр ср< Аф макс ® соответствии с выражением (2.36) разработчик должен обеспечить
работоспособность прибора при InpuMQKC 1прмакс и длительности импульсов тока не
менее 1/100 тс, а потребитель должен использовать сдвиговые регистры с t0
<£ 1 / (ncmcf). При выполнении этих двух условий светотехнические качества ПЗСИ
в составе дисплея или экрана не будут снижаться при сколь угодно большом коли-
честве элементов отображения в дисплее.
Разумеется, схемотехника многоэлементных оптоэлектронных приборов не
ограничивается только излучающими устройствами. Более подробно аналогичные
вопросы, относящиеся к фотоэлектрическим формирователям изображения будут
рассмотрены позже (Глава 6).
Литература
Носов Ю.Р. Оптоэлектроника.- М.: Радио и связь. 1989 - 360 с.
Применение оптоэлектронных приборов / пер. с англ, под ред. Ю.Р.Носова. - М.: Радио и связь.
1989. - 344 с. ”
Носов Ю.Р., Сидоров ФА.С. Оптроны и их применение. — М.: Радио и связь. 1981 — 279 с.
Ермаков О.Н, Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. - М.: Радио и
связь. 1990 — 240 с.
Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение. - М.: Радио и связь.
1988. - 79 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные приборы на основе твердых растворов в системе In-Ga-P-As III //
Обз. по электрон, техн. Сер. 2. Вып. 6 (111). — М.: ЦНИИ «Электроника». 1985. — 58 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные датчики. // Обз. по электрон, техн. Сер. 2. Вып. 3 (1642). —
М.: ЦНИИ «Электроника». 1991. - 58 с.
Ермаков О.Н. Влияние температурных эффектов на характеристики полупроводниковых источников
излучения. I. И Обз. по электрон, техн. Сер. 2. Вып. 5 (1193). — М.: ЦНИИ «Электроника». 1986. —
71 с.
Ермаков О.Н. Влияние температурных эффектов на характеристики полупроводниковых источников
излучения.II.// Обз. по электр. техн. Сер. 2. Вып. 1 (1254). — М.: ЦНИИ «Электроника». 1987. — 53 с.
Библиографический список
1. Ермаков О.Н. И Электрон, техн. Сер. 2.1988. Вып. 4 (195). С. 21-27.
2. Ермаков О. И, Сушков В.П. // Электр, техн. Сер. 2.1988. Вып. 4 (195). С. 28—37.
3. Ермаков О. И, Сушков В.П. // Электр, техн. Сер. 2. 1988. Вып. 2 (193). С. 14—26.
4. Ермаков О..Н., Сушков В.П. // Электрон, техн. Сер. 2. 1987. Вып. 4(190). С. 27—34.
5. Riedl MJ.// Lfsers and Optronics. 1997. V. 16.N 7. P. 24.
6. Ермаков О.Н. // Электрон, техн. Сер. 2. 1991. Вып. 4(213). С.3-9.
7. Melle S. // Laser focus world. 1994. V. 30. N 3. P. 22-26.
8. Keiner F.,Krause G.// Siemens Bauteile elementen Informationen. 1973.H. l.N 1. S. 14-15.
9. Lacaita A., Francese P.A., Zappa P.A., Cova S. // Appl. Optics. 1994. V. 33. N 30. P. 6902—6918.
10. Shawn F. U Lasers and Optronics. 1994. N 8. P. 23—24.
11. Lerner E.J. // Laser focus world. 1996. V. 32. N 10. P. 93—102.
12. SaafL. A., Morris G.M. Ц Appl. Optics. - 1995. V. 34. N 20. P. 3963-3970.
13. Гитцевич А. Б. // Электрон, техн. Сер. 2. 1986. Вып. 4. (183). — С. 42—49.
ГЛАВА 3
ИНТЕГРАЛЬНАЯ
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА
3.1. Введение
Проведенное выше рассмотрение возможностей инженерного проектирования,
оптики и схемотехники оптоэлектронных приборов свидетельствует о широких
возможностях использования оптоэлектронных приборов при разработке раз-
личных систем с использованием дискретных одноэлементных и многоэлемент-
ных оптоэлектронных компонентов.
Вместе с тем, по мере усложнения разрабатываемых систем и увеличения чис-
ла используемых оптоэлектронных компонентов неизбежно возникают трудно-
сти, связанные с необходимостью ужесточения допусков по геометрическому по-
ложению компонентов, юстировке оптических элементов и необходимостью обес-
печения высокой воспроизводимости их электрических и оптических характери-
стик.
Указанные проблемы представляются неразрешимыми при использовании
гибридного подхода в связи с требованиями по дальнейшей микроминиатюриза-
ции как самих компонентов, так и систем в целом.
Эти проблемы могут быть адекватно решены только в русле интегральной оп-
тоэлектроники.
Есть и другой, стратегический аспект проводимого в настоящей главе рас-
смотрения, который напрямую связан с решением одной из основных задач мик-
роэлектроники в целом, а именно: создание более производительных систем об-
работки информации.
Уникальные возможности оптики в задачах параллельной обработки инфор-
мации привели к разработке концепции оптических вычислений. В качестве про-
стого примера можно привести тот факт, что оптическая линза способна осуще-
ствлять преобразование Фурье двумерного комплексного распределения ампли-
туды, что имеет большое значение для обработки изображений. Даже при ис-
пользовании быстрых алгоритмов преобразования Фурье цифровая обработка с
использованием компьютеров сопряжена с большим объемом вычислений. Раз-
витие концепции оптических вычислений привело к практической реализации
оптоэлектронных процессоров.
В этой связи достаточно отметить, что в середине прошлого века в СССР в
рамках программы «Основные направления фундаментальных исследований и
разработок по созданию оптической сверхвысокопроизводительной машины
Академии наук» (ОСВМ РАН) начались работы по разработке новой архитекту-
ры ЭВМ. *
В связи с этим представляется логичным рассмотреть и проанализировать те
подходы, которые предлагает современная оптоэлектроника для разработки высо-
копроизводительных систем обработки информации в виде оптоэлектронных про-
цессоров и интерфейсов.
3.2. Гибридные оптоэлектронные ИС
Конструктивная и электрическая совместимость полупроводниковых оптоэлект-
ронных приборов с кремниевыми интегральными микросхемами наряду с необхо-
димостью разработки микросхем с более широкими (по сравнению со стандартны-
ми) функциональными возможностями явились основой для того, чтобы сделать
первый шаг на пути к интегральной оптоэлектронике в виде гибридных оптоэлек-
тронных микросхем.
3.2.1. Переключательные оптоэлектронные микросхемы
Первые приборы этого типа были разработаны более 20 лет назад и использовали
оптроны и кристаллы стандартных ИС, при этом наибольшее распространение
получили переключательные оптоэлектронные микросхемы. Была разработана се-
рия приборов, включающая микросхемы К249ЛП1, К293ЛП, К249ЛПЗ, К262КП1
(таблица 3.1)
Таблица 3.1. Параметры оптоэлектронных микросхем.
Норма для типов
Параметр К249ЛП1 К293ЛП1 К249ЛПЗ К265КП1
Входное напряжение при
/ = 10 мА, и , В вх 7 вх7 1,1-1, 1 1,5 1,0- 1,7 0,95- 1,7
Выходное напряжение логического нуля Ц° , В 0,3 0,4 0,4 0,3
Выходное напряжение логической единицы U!ew^ В 2,3 2,4 2,4 2,3
Максимально допустимое напряжение между входом и выходом U 100 100 100 100
Сопротивление гальванической развязки R , Ом Г оазв7 10’ 10’ 10’ 5 108
Норма для типов
Параметр К249ЛП1 К293ЛП1 К249ЛПЗ К265КП1
Проходная емкость С разе., пФ 2 2 2 5
Максимально допустимое обратное
входное напряжение U вх , В 3,5 3,5 3,5 3,5
Максимально допустимый
входной ток I ,мА Максимально допустимый 20 20 20 15
импульсный входной ток и макс, мА 100 100 100 50
Максимально допустимый выходной
вытекающий ток Р вых, мА 1,5 1,2 0,8 1,0
Максимально допустимый выходной
втекающий ток 1° ,мА 1,8 18 16 10
Потребляемая мощность Рпотр, мВт Максимально допустимая длительность фронтов нарастания и спада 30 5 100 50
импульсов t ( , мкс 5000 J нар (сп) макс7 Максимально допустимая скорость нарастания напряжения между входом 5000 1 1
и выходом (d UnjnB / d t), B/c 108 108 108 5 107
Схемы приборов типа К249ЛП1 и
К249ЛПЗ приведены на рис. 3.1.
В более простой, но наиболее распро-
страненной микросхеме серии К249ЛП1
бескорпусной диодный оптрон гибридно
интегрирован с одним из вентилей базо-
вого кристалла ИС стандартной серии,
при этом из схемы вентиля исключен вход-
ной многоэмиттерный транзистор.
Уменьшение порогового тока включения
до десятков мкА удается добиться за счет
использования высокоомного (десятки
кОм) резистора в базовой цепи транзис-
тора Т1, благодаря чему достигается со-
вместимость вентиля с ФД оптрона. Вы-
ходная цепь базового кристалла остается
Рис. 3.1. Оптоэлектронные микросхемы се-
рий К249ЛП1 (а) и К249ЛПЗ (б).
неизменной, благодаря чему достигается совместимость выхода оптоэлектрон-
ной ИС с последующими логическими устройствами. При использовании мик-
росхемы рекомендуется включение конденсатора между базой транзистора пер-
вого каскада, специально выведенной на внешний вывод, и общей шиной выход-
ного усилителя. Благодаря этому при емкости конденсатора 100—200 пФ удается
добиться увеличения (dt/fl3e/d t)MaK(3& 5—10 раз, при этом следует иметь в виду, что
одновременно несколько возрастают времена переключения ИС из одного состо-
яния в другое.
Существенное повышение быстродействия в оптоэлектронной ИС типа
К249ЛПЗ реализовано за счет исключения высокоомного резистора во входном
каскаде и использования более сложных согласующих устройств, включающих ли-
нейный блок с значительным коэффициентом усиления.
3.2.2. Оптоэлектронные реле
Для коммутации силовых цепей могут быть использованы оптронные устройства
различных типов, включая и дискретные оптроны с различными (транзисторные,
тиристорные, резисторные).
Рис. 3.2. Оптоэлектронные реле постоян-
ного тока серии К295 КТ1
В отличие от таких сравнительно
простых устройств оптоэлектронные
реле обеспечивают большую функцио-
нальную гибкость, способны коммути-
ровать электрические цепи в широком
диапазоне напряжений и токов, при
этом они четко согласованы по входу со
стандартными ИС. Схема оптоэлект-
ронного реле иллюстрируется рис. 3.2.
Основные параметры оптоэлект-
ронных реле серии К295КТ1 приведе-
ны в таблице 3.2.
Таблица 3.2. Основные параметры оптоэлектронных реле серии К295КТ1.
Параметры Норма
Напряжение включения (выключения) U , . , В г . вкл (выкл) мин* Ток включения (выключения) 1вкл(выкл), мА Остаточное напряжение U В Ток утечки на выходе I , мкА J ут вых' Максимально допустимое напряжение между входом и выходом, U ,В ’ разе макс' Сопротивление гальванической развязки R , Ом Г Г разе’ 3,6 20 2,5 30 100 108
Параметры Норма
Максимально допустимое напряжение включения (выключения) U z В v ' вкл (выкл)7 5,25
Максимально допустимое напряжение помехи включения (выключения) U z k , В v ' пом вкл (выкл) макс7 Максимально допустимая амплитуда импульсов тока / ,А вых макс Максимально допустимая частота/*^, Гц Максимально допустимая скорость нарастания напряжения (dUn / d/)^c, В/ мкс 1 0,5 400 50
Следует отметить, что серия К295 КТ1 содержит несколько групп (А—Г), при
этом для различных групп могут варьироваться напряжение источника питания
(12—100 В) и максимально допустимый выходной ток (50—100) мА.
3.3. Монолитные многоэлементные приборы
Как отмечалось ранее, многоэлементные оптоэлектронные приборы с большой сте-
пенью интеграции уже в настоящее время востребованы в различных областях науки
и техники. Это в равной мере относится и к излучающим приборам (многоэлемент-
ные светоизлучающие формирователи изображения, модули экранов) и фотоприем-
никам (матрицы фокальной плоскости, ФПЗС-матрицы). К числу обязательных тре-
бований для этого типа приборов относятся: малые размеры сегментов, возможность
варьирования их формы, высокая точность задания геометрии и высокая воспроиз-
водимость параметров в пределах рабочего поля. Все эти требования могут быть удов-
летворены только с использованием монолитной конструкции приборов.
3.3.1. Многоэлементные светоизлучающие приборы
Как отмечалось ранее,одним из требований, предъявляемых к многоэлементным
монолитным формирователям изображения является малый размер светоизлуча-
ющих элементов. Вторым важным требованием является обеспечение работоспо-
собности приборов при малых токах. Вместе с тем как показывают приведенные в
главе 2 данные на начальном участке ВАХ светоизлучающих приборов доминирует
безызлучательная компонента тока, описываемая зависимостью ехр (eU/1 кТ).
Проведенные ранее исследования позволили установить интересную связь меж-
ду вкладом этой безызлучательной компоненты и соотношением периметра и пло-
щади рл-перехода светоизлучающих сегментов, что иллюстрируется рис. 3.3.
Детальный анализ указанного эффекта показывает, что рассмотренный харак-
тер трансформации ВАХ может быть описан в рамках модели, основанной надопу-
щении, что неосновные неравновесные носители заряда, инжектированные рп-
переходом, диффундируют в узких обедненных приповерхностных слоях, где и ре-
комбинируют с основными носителями заряда.
Рис. 3.3. ВАХ планарного СИД на основе
GaAsP.Nпри различных отношениях перимет-
ра и площади рл-перехода l/A\ 1 — 419 см-1,
2 - 315 см-1, 3 - 215 см-1, 4 - 187 см"1,
5 — 150 см-’, 6- 119 см-1.
Не вдаваясь подробно в физику
этого эффекта, отметим лишь, что ре-
шающую роль в проявлении указан-
ного эффекта играет поверхностная
безызлучательная рекомбинация, ха-
рактеризуемая параметром 5 в той ча-
сти кристалла, где область простран-
ственного заряда (ОПЗ) выходит на
поверхность.
Проведенные экспериментальные
исследования позволили установить,
что вывод /щ-перехода на поверхность
в более широкозонной области (это
может быть реализовано в полупровод-
никовых гетероструктурах), позволя-
ет резко уменьшить вклад тока повер-
хностной рекомбинации в паразит-
ную безызлучательную компоненту и
тем самым продвинуть рабочий диа-
пазон светоизлучающих приборов в
область малых токов.
Многоэлементные светоизлучаю-
щие формирователи изображения по-
мимо функции чисто визуального ото-
бражения информации используют-
ся и для ее записи на фотоносители.
В связи с этим при практическом
проектировании таких устройств к
ним предъявляется ряд дополнительных требований помимо требований по
габаритным размерам и работоспособности при малых токах. К числу таких
требований относится необходимость обеспечения требуемой силы света при
малых токах. Кроме того, должна быть обеспечена достаточно хорошая опти-
ческая развязка элементов, расположенных с малым интервалом. И наконец,
при выборе полупроводниковых материалов для разработки таких формиро-
вателей изображения необходимо добиваться спектрального соответствия из-
лучения прибора и чувствительности фотоносителя.
Традиционно для изготовления формирователей изображения красного
цвета свечения используются структуры на основе прямозонных твердых ра-
створов GaAsP, изготовленные по планарной технологии с локальной диффу-
зией Zn.
Разрешающая способность регистратора на основе формирователей изоб-
ражения определяется как количеством излучателей в базовом кристалле, так
и технологическими возможностями расположения излучателей с минималь-
но возможным шагом (таблица 3.3).
Таблица 3.3. Основные характеристики многоэлементных формирователей
изображения.
Материал Число излучателей Размер излучателей излучателями Шаг между излучателями Вывод излучения Расположение контактных площадок
GaAsP 112 20х 100 50 Вверх С двух сторон от излучателя в 2 ряда
GaAsP 100 35x20 50 Вверх С одной стороны от излучателя в 2 ряда
GaAsP 32 60x60 200 В торец С одной стороны от кристалла излучателей
GaAlAs 32 60x60 200 В торец С одной стороны от излучателей
Конструктивно кристаллы формирователей изображения могут выполняться с
выводом излучения либо вверх, либо в торец кристалла. При разработке приборов
с конструкцией, обеспечивающей вывод излучения в торец кристалла, наиболее
широко используются эпитаксиальные гетероструктуры на основе GaAlAs. В этом
случае малое рассогласование постоянных решетки в близких к идеальным гетеро-
структурам GaAlAs обеспечивает высокий квантовый выход излучения.
Для обеспечения электрической изоляции элементов формирователя изобра-
жения в структурах на основе GaAlAs технологией предусматривается проведение
глубокой разделительной диффузии.
В связи с малыми топологическими размерами элементов формирователя изоб-
ражения вследствие их плотного размещения серьезную проблему представляет
предотвращение замыканий между токоведущими контактными дорожками. Для
устранения проблем, связанных с закорачиванием может быть использован метод
пережигания перемычек электрическим разрядом.
3.3.2. Фотоэлектрические интегральные схемы
По своей значимости, динамике развития и широте использования в различных
системах первое место среди многоэлементных монолитных фотоприемных уст-
ройств занимают многоэлементные сканируемые фотоприемники на основе крем-
ниевых фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС). Этот класс при-
боров настолько важен, что ему посвящены специальные монографии, многочис-
ленные обзоры и статьи. В контексте обзора перспективных оптоэлектронных тех-
нологий выделим лишь основные аспекты этого направления. Более подробно
фотоэлектрические формирователи мы рассмотрим в главе 6.
ФПЗС представляет собой фоточувствительную микросхему на основе структу-
ры металл/диэлектрик/полупроводник (МДП) с регулярно заданным расположе-
нием системы электродов на поверхности диэлектрика, отстоящих друг от друга
на столь малом расстоянии, которое обеспечивает их взаимовлияние за счет перекрытия
электрических полей соседних электродов внутри полупроводникового кристалла.
Гибкость и прецизионные возможности современной технологии обеспечива-
ют возможность реализации различных конфигураций (в том числе линейной и
матричной) расположения элементов ФПЗС с типичной длиной электродов 5 мкм
при их ширине 40 мкм и межэлементном зазоре, который может быть менее 1—2
мкм. Число электродов обычно составляет 5 102—2-103 в линейных и 104—106 в мат-
ричных формирователях изображения.
В качестве примера можно привести отечественную микросхему типа К120Щ1, пред-
ставляющую собой линейный формирователь изображения с числом элементов 1024,
имеющих размеры 500x13 мкм при межэлементном зазоре 13 мкм. Устройство обеспе-
чивает вывод данных с частотой 20 МГц при динамическом диапазоне 5000/1. Микро-
схема смонтирована в 24-выводном керамическом корпусе с размерами 32х 14,7 мм.
ФПЗС формирователь изображения реализует функции формирование растра
изображения, его поэлементного электронного считывания (сканирования) и фор-
мирования на выходе видеосигнала, адекватного отображаемой картине.
Одновременно с ФПЗС развиваются и другие разновидности многоэлемент-
ных сканируемых фотоприемников. К их числу относятся МДП-фотодиодные ми-
шени, сканисторы.
Первый из упомянутых выше типов многоэлементных фотоприемников представ-
ляет собой устройство, в котором каждый элемент является МДП-фототранзистором с
возбуждаемой истоковой областью. В рассматриваемом типе формирователя изобра-
жения также возможны линейная или мозаичная конфигурация расположения эле-
ментов. Основным отличием от ФПЗС является то, что в рассматриваемом случае к
каждой фоточувствительной ячейке, содержащей рл-ФД и МДП-транзистор, нужны
контакты, что неизбежно приводит к ухудшению разрешающей способности в 4—10 раз.
К числу недостатков этих микросхем относится и больший уровень собственных шу-
мов. Но наряду с этим имеется и ряд преимуществ: возможность работы как в режиме
накопления, так и в режиме мгновенного действия, большой динамический диапа-
зон, простота организации параллельной и последовательной выборки, большая од-
нородность и устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов.
По-видимому, перспективным развитием этого направления является исполь-
зование архитектуры с совмещением в одном кристалле фоточувствительных
МДП-ячеек и ПЗС-регистров горизонтального и вертикального переноса. Для
рассматриваемой конфигурации можно ожидать высокий динамический диа-
пазон (до 65 дБ), высокую линейность, большую частоту переноса с тактовой
частотой 50 МГц и малые потери (< 510 5).
В сканисторах используются трехслойные (рпр или прп) структуры, позволяю-
щие осуществлять как функции фоторегистрации, так и сканирования. Для данно-
го типа устройств также разработаны различные конфигурации расположения фо-
точувствительных элементов, включая строчную и ячеистую конфигурации. Ска-
нисторы являются приборами мгновенного действия и отличаются меньшей чув-
ствительностью по сравнению с другими типами многоэлементных фотоприемных
устройств.
Очень важным классом многоэлементных фотоприемников являются мно-
гоэлементные формирователи изображения тепловизионного диапазона [1]. С
практической точки зрения наибольший интерес представляют 2 поддиапазо-
на тепловизионного диапазона, а именно: 2=3 — 5 мкм (MW1R) и 2=8 — 12 мкм
(LWIR).
Ранняя история тепловизионных формирователей изображения была свя-
зана с охлаждаемыми многоэлементными фотоприемниками на основе трой-
ных соединений в системах кадмий—ртуть—теллур (КРТ) и свинец—олово—тел-
лур (СОТ). К середине 80-х годов были созданы устройства форматом 32x32,
64x64, 128x128 элементов.
В начале 90-х годов тепловизионные системы, для обозначения которых был
введен специальный термин —матрицы фокальной плоскости (FPA), стали за-
менять электромеханические системы сканирования [ 1 ]. Интенсивное исполь-
зование этих устройств началось с разработкой миниатюрных систем охлажде-
ния. Были разработаны камеры,способные измерять градации температуры в
пределах всего изображения и содержащие порядка 80 000 элементов разложе-
ния. По сравнению с 80-ми годами прошлого века помимо традиционных КРТ-
фотоприемников в настоящее время интенсивно прорабатывается альтернатив-
ный вариант создания тепловизионных матриц с использованием квантово- раз-
мерных фотоприемников (Q1VIP) [2].Оба подхода (с использованием КРТ и кван-
тово-размерных фотоприемников на основе соединений А3 В5 обеспечивают воз-
можность создания «многоцветных» устройств и имеют свои преимущества и
недостатки. Есть основания полагать, что квантово-размерные фотоприемники
легче изготавливать с большей однородностью, большим выходом годных и со-
ответственно с меньшими издержками и стоимостью.
С другой стороны, система КРТ обеспечивает большую квантовую эффектив-
ность, более высокую рабочую температуру (> 70 К) и потенциально лучшие фун-
кциональные характеристики. Окончательно этот вопрос до конца не решен и
продолжаются интенсивные исследования. Общим недостатком рассмотренных
выше тепловизионных формирователей изображения является то, что для нор-
мального функционирования с малым уровнем шумов и высокой четкостью изоб-
ражения они должны быть охлаждены до криогенных температур в диапазоне от
— 100 до — 196 °C. В связи с этим с середины 90-х годов прошлого века стала отчет-
ливо проявляться еще одна тенденция: поиск путей создания неохлаждаемых
многоэлементных тепловизионных формирователей изображения [1].
В 1996 г. было установлено, что новое поколение высоко разрешающей теп-
ловизионной техники может быть создано с помощью неохлаждаемых тепловых
приемников излучения.
По сравнению с охлаждаемыми формирователями изображения неохлажда-
емые устройства термоэлектрически стабилизируются на уровне температуры
окружающей среды.
В основе проектирования этих устройств лежит обязательная тепловая изо-
ляция детекторов излучения от окружающих источников тепла, в том числе и от
модуля обработки информации.
Для удовлетворения этого требования был предложен ряд подходов, в том числе
увеличение межэлементного интервала, конструктивное отделение модуля детекти-
рования от модуля обработки информации. И наконец, для предотвращения кон-
векционного охлаждения устройства вакуумируются в стеклянных корпусах.
Для реализации неохлаждаемых тепловизионных систем в настоящее время
используются, в основном, 2 типа тепловых детекторов, а именно: пироэлектри-
ческие и болометрические детекторы.
В основе работы пироэлектрических детекторов лежит изменение электрической
поляризации под действием изменения температуры. В качестве материала пироэлек-
трических детекторов используются 2 основных типа пироэлектрических керамик:
легированного цирконата-титаната свинца (PZT) и титаната бария -стронция.
В основе функционирования микроболометрических детекторов излучения
лежит изменение сопротивления прибора под действием излучения. Из- за малой
величины изменения сопротивления в этом случае необходима прецизионная тех-
ника для регистрации сигнала. Основным используемым материалом в этом случае
является оксид ванадия.
Продуктивность использованных подходов к разработке неохлаждаемых теп-
ловых детекторов продемонстрирована их успешным использованием в перенос-
ных тепловизионных системах. Предполагается, что в обозримом будущем такие
системы будут доминировать на рынке тепловизионной техники. В то же время
есть основания предполагать, что и охлаждаемые тепловизионные системы будут
продолжать развиваться, о чем свидетельствует достаточно широкая номенклатура
этого класса приборов [3]
Одно из перспективных направлений современной технологии создания ИС
основано на использовании структур кремния на сапфире (КНС). В связи с этим
представляет интерес рассмотреть возможности, которые предоставляет эта техно-
логия для разработки фотоэлектрических ИС.
Ранее уже отмечались интересные возможности, которые предоставляет архи-
тектура с пространственно разнесенными областями фотогенерации и ПЗС-регис-
трами. Один из примеров реализации такой архитектуры является тепловизион-
ный формирователь на основе КНС-структур [4].
В рассматриваемом случае для реализации фоточувствительности в ИК-диапа-
зоне используется примесная фотопроводимость в кремнии с использованием при-
меси индия. Конструкция устройства использует изолирующие свойства прозрач-
ной подложки, в частности сапфира. Благодаря пространственной разнесенности
областей ПЗС-регистров и областей фотогенерации достигается полная химичес-
кая изоляция в процессе диффузии примеси индия. Приборная структура в виде
островковых областей формируется с использованием зависящего от ориентации
процесса травления вплоть до изолирующей подложки. Благодаря использованию
структур КНС достигается необходимая межэлементная оптическая и электричес-
кая изоляция, что, в свою очередь, обеспечивает высокую плотность размещения
элементов на кристалле.
В качестве другого примера рассмотрим фотоэлектрическую ИС, выполнен-
ную по КНС-технологии[5].
Рассматриваемая фотоэлектрическая ИС содержит встроенный источник пи-
тания, обеспечивающий работу БИС ППЗУ с оптической накачкой от ИК-диода.
Микросхема способна выполнять функцию электронного замка с оптическим счи-
тыванием кода. Кристалл микросхемы площадью 2,3x2,3 мм2 содержит: фотоэнер-
гетический Модуль; формирователь тактовых сигналов из последовательности све-
товых импульсов; формирователь адресных сигналов — делитель частоты и дешиф-
ратор; ППЗУ на 256 бит с ключевым транзистором. Фотоэнергетический модуль
площадью 1,2х 1,2 мм2 обеспечивает питание 4 Вх2 мкА, что позволяет запитывать
все модули микросхемы.
3.4. Интегральные оптоэлектронные приборы
Основной целью интегральной оптоэлектроники является разработка оптоэлект-
ронных ИС (ОЭИС), способных осуществлять сбор, обработку, передачу, хранение
и визуализацию информации с использованием микроэлектронных и оптоэлект-
ронных компонентов, сформированных на одной подложке и в одном кристалле.
Если рассматривать современное состояние развития оптоэлектроники с этой точ-
ки зрения, то можно сделать вывод о том, что несмотря на значительные достиже-
ния в этом направлении сделаны лишь первые шаги.
Во многом это определяется очень жесткими и противоречивыми требования-
ми, предъявляемыми к оптоэлектронным средам, которые должны быть использо-
ваны для разработки ОЭИС, а также к материалу подложки, на которой должны
быть синтезированы приборные структуры. Если рассматривать проблемы интег-
ральной оптоэлектроники под этим углом зрения и учитывать как обязательное
требование технологичность (хотя бы в перспективе) изготовления приборов, то
можно сделать вывод о том, что по совокупности предъявляемых требований ни
один полупроводниковый материал не способен удовлетворить всей жесткой сово-
купности требований [6].
Например, кремний как базовый материал для изготовления ИС различной
степени интеграции и широкого круга фотоэлектрических приборов обладает очень
невысокой эффективностью излучательной рекомбинации из-за непрямого харак-
тера его зонной структуры, что резко ограничивает возможности формирования
эффективных излучающих приборов на его основе.
В то же время прямозонные соединения А3 В5 и в особенности гетероструктуры
на их основе обладают высокой эффективностью излучательной рекомбинации,
обеспечивающей изготовление высокоэффективных излучателей (ЛД и СИД), но
при этом возникают определенные проблемы с технологичностью изготовления
микросхем на основе этих материалов (хотя и в этом направлении наблюдается
значительный прогресс). Во многом указанные проблемы связаны с современным
уровнем технологии, и есть основания полагать, что по мере ее развития и совер-
шенствования многие проблемы будут решены.
Сама логика развития оптоэлектроники показала, что наиболее оптимальным
путем перерастания традиционной оптоэлектроники в интегральную является пос-
ледовательное решение ее текущих проблем (от более простых к более сложным),
ориентированных на конкретные применения. В настоящее время разработаны ин-
тегральные приборы, выполненные на одной подложке и способные выполнять не-
сколько функций [6,7]. Проиллюстрируем это несколькими примерами интеграль-
ных оптоэлектронных приборов, ориентированных в первую очередь на применение
в волоконно-оптических линиях передачи информации (ВОЛПИ) [7].
3.4.1. Интегральные излучающие терминалы
Ключевыми элементами интегральной оптоэлектроники являются микролазеры и
фотоприемники. При формировании микролазеров возникает задача формирова-
ния его торцевых зеркал в строго определенном месте кристалла без нарушения его
целостности. Существуют 2 варианта решения этой проблемы: использование се-
лективного травления и микроскалывание с использованием вибрации, позволяю-
щее добиться лучших результатов. Использование этого метода применительно к
лазерным гетероструктурам на основе InGaAsP/1пР позволило получить приборы,
излучающие надлине волны 1,3 мкм с дифференциальной квантовой эффективно-
стью 35—45%, что находится на уровне параметров ЛД, полученных стандартным
методом скалывания.
Поскольку оптическая информация в ОЭИС переносится световыми пучками
по оптическим волноводам, особый интерес представляют вопросы стыковки из-
лучателя и волновода.
Анализ альтернативных вариантов ЛД показывает предпочтительность исполь-
зования для этих целей ЛД с распределенной обратной связью (РОС-ЛД). Возмож-
ный вариант интеграции РОС-ЛД с оптическим волноводом схематически иллюс-
трируется рис. 3.4.
Практическая реализации интегрального прибора в соответствии с рис. 3.5 осу-
ществлялась с использованием гетероструктур InGaAsP/ InP, при этом длина внеш-
него волновода составила 1,5 мм, а оптические потери в нем были на уровне 6 см-1.
В альтернативном варианте конструкции интегрального прибора этого типа
используется обычный гетеролазер, а РОС реализуется за счет формирования гоф-
рированной поверхности внешнего волновода. В рассматриваемом случае область
РОС отделена от активной области интегрального прибора.
Наличие внешнего волновода позволяет решать задачи модуляции и ответвле-
ния излучения гетеролазера. Дальнейшим развитием этого подхода можно считать
конструкцию с двумя волноводами, сформированными по обе стороны от соб-
ственно активной части прибора.
Рис. 3.4. РОС-ЛД, интегри-
рованный с внешним вол-
новодом: 1 — активная об-
ласть, 2 — внешний волно-
вод, РОС- ЛД.
Рис. 3.5. Схема интегрального модуля, в
котором РОС-ЛД интегрирован с фотопри-
ёмником и «полевыми транзисторами» (ПТ):
1- Ti/Au, 2 - SiO2, 3 — р-InGaAsP, 4 - р-
InP, 5 — п-InP, 6 — InGaAsP, 7,9 — n-
Рис. 3.6. Интегральный излучающий мо-
дуль, включающий в себя 2 ЛД, 2 ФД и
драйверную схему: 1,2 — схемы управле-
ния; 3 — ЛД, 4 - ФД, 5 — подложка на осно-
ве полуизолирующего GaAs
InGaAsP, 8 — n-InP.
Для разработки широкополосных ВОЛ ПИ необходимы излучающие термина-
лы, в которых излучатели и фотоприемники были бы интегрированы со схемами
управления. Интегрированный фотоприемник может выполнять несколько фун-
кций. Во-первых он может использоваться для организации оптической ОС с це-
лью стабилизации излучательных характеристик ЛД. Во-вторых он может выпол-
нять и более активную функцию в том
случае, когда интегральный модуль ис-
пользуется в качестве ретранслятора и
работает в режиме приемника-передат-
чика.
Один из возможных вариантов реа-
лизации такого интегрального прибо-
ра иллюстрируется рис. 3.5.
Прибор в соответствии с конструк-
цией, приведенной на рис. 3.5. был ре-
ализован с использованием гетеро-
структур InGaAsP, полученных на полу-
изолирующей подложке InP. Порого-
вый ток ЛД, излучающего надлине вол-
ны 1,3 мкм, составил 53 мА при кванто-
вой эффективности 0,6 А/Вт. Входной
электрический сигнал подводился к
транзисторам полосковой линией на
керамической подложке, при этом ши-
рина полосы модуляции прибора соста-
вила 4 ГГц.
Более сложный вариант конструк-
ции интегрального прибора представ-
лен на рис. 3.6.
Рис. 3.7. Драйверная схема ЛД в интеграль-
ном модуле: R - резисторы, Q— транзисторы,
V — напряжение питания, J — ток накачки,
и Uo — напряжение на входе и опорное на-
пряжение.
В рассматриваемом случае для реализации интегрального прибора использова-
лись гетерострукгуры GaAlAs, выращенные на полуизолирующей подложке GaAs. Драй-
верные схемы (рис.3.7) ЛД реализованы с использованием ПТ с затвором Шотки и
резисторов были реализованы в том же кристалле методом ионной имплантации.
Драйвер ЛД содержит 10 ПТ и 3 резистора, при этом транзисторы Q— Q3 образуют
дифференциальную переключающую схему, а транзисторы Q4—QI0 образуют усили-
тель-формирователь входных импульсов.
Интегральные модули подобного же типа могут быть изготовлены не только с ис-
пользованием ЛД, но излучающих диодов.
3.4.2. Интегральные фотоприемные терминалы
Фотоприемные ИС как разновидность ОЭИС представляют большой практический
интерес с точки зрения разработки быстродействующих фотоприемных терминалов
для ВОЛ ПИ. Исследования в этом направлении начались с создания гибридных схем,
в которых отдельные модули или кристаллы соединялись методом проволочной раз-
водки. Позже, естественно, основное внимание стало уделяться монолитной интегра-
ции, обеспечивающей целый ряд преимуществ. При этом реализованные схемы ин-
тегральных фотоприемных модулей используют традиционные фотоприемники и пре-
дусилители на основе ПТ, транзисторов с модулированным легированием (MODFET),
транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), гетеро-ВТ. С учетом необ-
ходимости обеспечения высокого быстродействия в качестве фотоприемников, как
правило, используются фотоприемники на основе структур метал/полупроводник/
металл (МПМ),р/л-ФД или ЛФД.
Один из вариантов конструкции фотоприемного модуля на основер/л-ФД, интег-
рированного с плоскостным транзистором, иллюстрируется рис. 3.8.
Интегральный фотоприемный модуль в соответствии с рис. 3.8 был реализован с
использованием гетероструктур InGaAs на подложке 1пР. Плоскостной транзистор в
этой схеме должен обладать хорошими шумовыми характеристиками, так как не имеет
контакта полупроводник /диэлектрик, служащего источником дополнительных шу-
мов. В реальной схемер/л-ФД имел емкость 0,35 пФ при смещении 10 В, что обеспечи-
bv
Рис. 3.8. Конструкция фотоприемного мо-
дуля на основе pin- ФД, интегрированного
с плоскостным ПТ
вало высокое быстродействие при возбуж-
дении сигналами в спектральном диапа-
зоне 0,8-1,5 мкм.
Исходными для микросхемотехничес-
кого проектирования таких интегральных
устройств являются радиотехническая, ма-
лосигнальная эквивалентная и шумовая
схемы устройства с использованием МД П-
ГГТ, иллюстрируемые рис. 3.9 [8].
Оптимизация такой схемы является
далеко нетривиальной задачей, которая
решается методом компьютерного моде-
лирования.
Рис. 3.9. Радиотехническая (а),
малосигнальная эквивалентная
(б) и шумовая схемы (в) интег-
рального фотоприёмного модуля
на основе МДП-ПТ.
Sj
Основой рассматриваемой схемы является МДП-ПТ, выполняющий функции как
фотоприемника, так и предусилителя. Номинал сопротивления ОС Rf варьируется
таким образом, чтобы обеспечить наиболее равномерную частотную характеристику.
Результаты сравнительного анализа альтернативных схем интегральных фото-
приемных модулей показал, что чувствительность представленной на рис. 3.10 схе-
мы, реализованной с использованием гетероструктур InGaAsP/ 1пРкъ\ше, при этом
динамический диапазон модуля составляет 30, 0 дБ.
Альтернативный вариант интегрального модуля реализуется с использованием
МПМ-ФД и схемы усиления на транзисторах с высокой подвижностью электронов
(НЕМТ)[9].
В интегральном приборе МПМ-ФД
формировали с использованием гетеро-
структур InGaAs/AlGaAs/GaAs, что обес-
печивало спектральную чувствитель-
ность прибора надлине волны 1,3 мкм, в
то время,как транзисторы с высокой под-
вижностью электронов выполнялись на
основе гетероструктур AlGaAs/GaAs. По-
мимо МПМ-ФД кристалл интегрально-
го модуля размером 500x350 мкм2 содер-
жал трансимпедансный усилитель,вто-
рой усилительный каскад и двухкаскад-
ный дифференциальный усилитель. До-
статочно большая ширина полосы интег-
рального модуля (430 МГц) делает этот
прибор пригодным для использования в
ВОЛПИ со скоростью передачи данных
622 Мбит/с. Топологию кристалла ин-
тегральной ИС с pin-ФД и 3 ПТ на осно-
ве InGaAsP/InP иллюстрирует рис 3.10
Рис. 3.10. Фотография интегральной фото-
приемной ИС с pin-ФД и с тремя малошу-
мящими ПТ на основе InGaAs/InP.
3.5. Физико-технологические ограничения
интегральных приемо-передающих модулей
Несмотря на колоссальный прогресс традиционной микроэлектроники,исполь-
зующей исключительно электроны как носители информации и способной со-
здавать микросхемы, содержащие миллионы транзисторов в одном кристалле, в
ряде применений современная оптоэлектроника выступает как достойный кон-
курент традиционной микроэлектроники, предлагая свои пути решения проблем
высокопроизводительных ИС.
В связи с этим кратко остановимся на тех проблемах, с которыми на систем-
ном уровне и уровне элементной базы сталкиваются вычислительная техника и
микроэлектроника при разработке все более производительных систем обработ-
ки информации.
На системном уровне требования к производительным вычислительным сис-
темам уже давно превзошли физические возможности одного процессора, рабо-
тающего на принципе фон-Неймана [10 ]. Разработчиками высокопроизводи-
тельных комплексов (суперкомпьютеров) уже давно основана необходимость ис-
пользования обработки информации с массовым параллелизмом [10 ] и с исполь-
зованием суперкластерной архитектуры (отчественные комплексы типа ВС-1000,
суперкомпьютеры Cray (США) и SX-6 (Япония).
В соответствии с особенностями своей архитектуры современные суперком-
пьютеры могут быть отнесены к одному из двух классов:
• многопроцессорные комплексы с фиксированным по процессорам распределе-
нием памяти (системы с распределенной памятью);
• многопроцессорные комплексы с распределяемой в процессе памятью (систе-
мы с распределяемой памятью).
Считается, что объединение локальными сетями неограниченного числа пер-
сональных компьютеров (ПК) способно обеспечить практически любую произ-
водительность многомашинного комплекса. В то же время реальная производи-
тельность такого комплекса намного меньше максимальной.
В действительности, преимущества многопроцессорных комплексов справед-
ливы лишь для сравнительно малого числа процессоров N. При N > 32 возникают
проблемы, связанные с задержкой коммутатора (процессор-ОЗУ).
Вторая проблема связана с временным фактором (необходимостью синхро-
низации данных параллельных вычислительных процессов), и представляет очень
сложную задачу для программиста, работающего с суперкомпьютером.
В своих проектах по пентафлопным суперкомпьютерам в США используется
подход, основанный на сокращении длин линий связи между устройствами и
увеличении числа микропроцессоров за счет совершенствования их технологии.
Планируемый в США переход в 2008 г. на технологические нормы 0,05 мкм, в
3 раза меньшие современных (0,18—0,15 мкм), должен способствовать снижению
удельной энергии на одно логическое переключение, что, в свою очередь, может
позволить размещать на одном кристалле 32—64 микропроцессора.
В то же время и на уровне элементной базы имеется много проблем. Как отмечает-
ся в материалах последних международных конференций по твердотельным схемам
(ISSCC) [11], следование закону Мура (удвоение числа транзисторов в ИС за период в
18 месяцев) будет способствовать не только дальнейшему повышению уровня интегра-
ции, но и приведет к экспоненциальному росту мощности, потребляемой ИС.
Традиционным путем реализации СБИС со все большей степенью интеграции
является масштабирование, которое сопровождается своими проблемами.
Оценки показывают [11], что при неизменной длине канала ток, потребляе-
мый КМОП ИС с 0,09-мкм элементами и напряжением питания 1,2 В, на два по-
рядка выше, чем у микросхемы с 0,25-мкм топологией и напряжением питания 2,5
В. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о том, продолжится ли
дальнейшее масштабирование ИС.
Краткий обзор, приведенный выше позволяет перейти к рассмотрению тех
подходов, которые способна предложить современная оптоэлектроника для реше-
ния проблем создания высокопроизводительных систем обработки информации.
Оптоэлектроника предлагает пути своеобразного симбиоза микроэлектрони-
ки и оптоэлектроники. Очень продуктивной с точки зрения создания сложных
микроэлектронных систем является концепция межблочной оптической связи.
Специалистами в области компьютерной техники уже давно осознано, что по мере
увеличения частот и скорости обработки информации в компьютерах традицион-
ные проводниковые межсоединения во все большей степени будут вызывать серь-
езные проблемы, что имеет свою фундаментальную причину, так как носителями
информации являются электроны. В соответствии с уравнениями Максвелла пере-
нос электронов всегда характеризуется каким-либо конечным сопротивлением и
взаимодействием самих электронов. По мере увеличения частот даже в случае од-
ной ИС во все большей степени будут возрастать времена задержки и ухудшаться
шумовые характеристики устройства.
Эти проблемы связаны с фундаментальными характеристиками электронов и
их невозможно избежать. Оптические межсоединения в электронных системах спо-
собны решить эти проблемы, обусловленные фундаментальными ограничениями
электроники. Фотонная передача информации будет способна резко уменьшить
рассеиваемую мощность. Кроме того она полностью решает проблемы согласова-
ния импеданса в электронных цепях. Спектральное мультиплексирование (пере-
дача сигналов на различных длинах волн) очень полезно для многих перспектив-
ных систем, таких как системы с параллельной обработкой информации или ней-
ронные системы. Она делает возможными системы с трехмерной архитектурой,
очень перспективной для систем обработки ультрабольших массивов информации.
С этой точки зрения необходима интеграция микроэлектронных и оптоэлект-
ронных приборов в одном и том же приборном кристалле и на одной и той же
подложке. Поскольку электрооптическое преобразование должно осуществляться
в пределах малых расстояний порядка миллиметра все оптоэлектронные приборы
должны быть встроены в ИС.В связи с этим и их размеры должны быть минималь-
но возможными (не более 1 мкм). Кроме того встроенные оптоэлектронные прибо-
ры должны обладать большим быстродействием.
Возникает вопрос, каким образом можно транслировать оптический сигнал от
излучателя (например ЛД) в одной точке системы к фотоприемнику (ФП), распо-
ложенному в другой точке. Поверхность современных больших ИС (БИС) уже в
настоящее время перегружена сплетением контактных шин и шин передачи дан-
ных, которые даже образуют многослойную конфигурацию.
Эти проблемы могут быть решены в перспективных ОЭИС за счет использова-
ния сетей из оптических волноводов с шириной порядка мкм.
Одна из возможных архитектур интегрального оптоэлектронного микропро-
цессора иллюстрируется рис. 3.11 [12].
В соответствии с предлагаемой концепцией оптоэлектронного микропроцес-
сора оптическая плата со сформированной в ней конфигурацией оптических вол-
новодов располагается над схемной платой, перегруженной системными проводя-
щими шинами. Оптическая плата может находиться на расстоянии, намного пре-
вышающем 1 мкм и поэтому оптическая связь должна осуществляться через откры-
тое пространство. Поток излучения от ЛД, сформированного в системной плате
пересекает свободное пространство и входит в оптический волновод, где его на-
правление с помощью микрозеркал изменяется на 90°. К числу преимуществ рас-
смотренной архитектуры относятся [12]:
- отсутствие влияния оптической системы на перегруженную системную плату;
- возможность изготовления оптической платы независимо от системной платы;
- возможность одновременной юстировки многочисленных оптических входов и
выходов системы.
Положение оптических входов и выходов системы задается размещением соот-
ветствующих ЛД и ФП на системной плате. Субмикронная точность, необходимая
для позиционирования оптоэлектронных компонентов и формирования оптичес-
Оптическая плпта
Рис. 3.11. Архитектура микропроцессора с
интегрированными оптоэлектронными при-
борами.
ких компонентов уже сегодня достижи-
ма при использовании современных ли-
тографических методов. При этом фи-
нишное механическое позиционирова-
ние оптической платы обеспечивает оп-
тическую юстировку системы в целом.
- возможность замены как оптической,
так и системной плат, что обеспечи-
вает быстроту операций тестирова-
ния, возможной модификации или
замены;
- возможность использования общей
оптической платы в различных сис-
темах.
Альтернативным вариантом архитек-
туры межмодульных оптических меж-
соединений может быть так называемая
трехмерная геометрия, иллюстрируе-
мая рис. 3. 12.
В рассматриваемом случае исполь-
зуется многоярусная геометрия, в ко-
торой все системные платы имеют оп-
тические межсоединения во многих
точках.
С использованием указанной архи-
тектуры может быть реализована быст-
родействующая система, содержащая
большое количество межсоединений.
Микросхемы в этой конфигурации
представлены плоскостями. Набор из
нескольких микросхемных слоев может
быть реализован с помощью современ-
ной технологии БИС. В то же время
Микропроцессор
Рис. 3.12. Схематическое представление
трехмерной архитектуры микропроцессора
с ОЭИС.
увеличение числа таких слоев с высо-
кой плотностью проводящих межсое-
динений приводит к все возрастаю-
щим трудностям в их реализации. Эта
проблема по-видимому может быть адекватно решена только с использованием
оптических межсоединений.
Имеется несколько преимуществ 3D- систем, к числу которых относятся:
- возможность реализации систем с высокой плотностью компоновки;
- возможность реализации высокоскоростных систем благодаря малым межу-
ровневым зазорам ;
- возможность параллельной обработки больших массивов информации;
- возможность упрощения процедуры изготовления системы, поскольку воз-
можна разработка 3 D-систем с очень малым межярусным зазором и финиш-
ным механическим позиционированием, обеспечивающим необходимую юс-
тировку всей системы;
- возможность достижения большего выхода годных систем в производстве
и, как следствие, меньшая себестоимость и цена изделий, так как каждая
системная плата может быть проверена заранее (перед операцией сборки
системы);
- возможность демонтажа и замены неисправных системных плат на годные, а
также возможность гибкой перестройки конфигурации системы.
Дальнейшим развитием концепции гиперкуба является архитектура с об-
щими модулями памяти, расположенными в каждом углу гиперкуба (так назы-
ваемая геометрия обращенного гиперкуба). В этой архитектуре каждый модуль
общей памяти располагается отдельно в каждом ярусе системы, при этом межъя-
русная связь осуществляется в вертикальном направлении с использованием
световых пучков.
Вся система гиперкуба из 12 процессоров разделена на 3 яруса и связь осу-
ществляется чисто оптически, при этом нет необходимости в проводниковых
связях между ярусами. Схема обращенного гиперкуба может быть расширена
на более масштабную систему параллельной обработки информации с числом
процессоров п, определяемых в соответствии с соотношением:
п =N2N~\
(3.1)
где N — размерность гиперкуба.
С использованием 17-ярусной геометрии (А= 17) может быть разработана систе-
ма, содержащая 106 процессоров. Система с геометрией гиперкуба (рис. 3.13) разме-
рами 10x10x10 см3, содержащая 25000 процессоров, может быть реализована с ис-
пользованием 106 оптических межсоединений.
Для практической реализации таких систем с массовой параллельной обработ-
кой информации необходимы ОЭИС оптоэлектронными компонентами микрон-
ного размера, имеющими малую мощность потребления и интегрированными в мик-
росхемный кристалл на основе кремния.
С этой точки зрения традиционные излучатели, в частности ЛД, являются слиш-
ком большими приборами, так как для ОЭИС необходимы приборы с длиной резо-
натора в дбли мкм. Эти приборы должны обладать сильно отражающими зеркалами
(> 99%) с тем, чтобы обеспечить малые оптические потери и необходимое оптичес-
кое усиление. Кроме того ЛД должны обладать намного меньшими пороговыми то-
ками (в мкА — диапазоне).
Для реализации таких микролазеров технология их изготовления должна обес-
печивать:
- высокий коэффициент отражения зеркал;
- малые потери на боковых стенках, минимизацию безызлучательной рекомбина-
ции на гетерограницах между активной областью и эмиттерными слоями;
- прецизионный контроль габаритов прибора;
- возможность гетероэпитаксии на кремниевых подложках с рассогласованием по-
стоянных решетки при условии минимизации плотности дефектов;
- совместимость с технологией кремниевых БИС.
В настоящее время имеются определенные технологические предпосылки для
решения перечисленных выше проблем. Реализованы ЛД с пороговыми токами ме-
нее 1 мА на основе структур, выращенных например методом молекулярно-лучевой
эпитаксии. В то же время до конца нерешенной остается проблема формирования
микрорезонаторов в планарной структуре без разрушения ее целостности. «Сухое»
ионное травление оставляет незащищенными боковые стенки прибора, что делает
их подверженными воздействию окисления и загрязнения. Кроме того ионное трав-
ление привносит дефекты. Таким образом, боковые стенки прибора становятся об-
ластями стока инжектированных носителей заряда, что, в свою очередь, приводит к
увеличению порогового тока ЛД. В связи с этим необходима разработка новых мето-
дов травления, который бы не приводил к формированию нарушенных областей и
обеспечивал пассивацию в процессе травления.
Как альтернатива ЛД в ОЭИС могут использоваться СИД. Их технология суще-
ственно проще, ими легче управлять. В то же время им присущ ряд недостатков: они
обладают меньшим быстродействием и более широкой диаграммой направленности
по сравнению с ЛД.
С точки зрения использования в ОЭИС вероятно наиболее оптимальными из-
лучателями являются поверхностно-излучающие ЛД с микрорезонатором. Этот
тип прибора характеризуется сверхмалыми пороговыми токами, необходимой ди-
аграммой направленности излучения и высоким быстродействием.
Фотоприемники являются другим ключевым типом оптоэлектронных приборов
для использования в ОЭИС. Для использования в ОЭИС фотоприемники вместе с
интегрированными усилителями также должны удовлетворять ряду требований:
- они должны иметь малые размеры (не более нескольких мкм);
- должны обладать высокой эффективностью, быстродействием;
- иметь малую входную емкость вместе с усилителем;
- иметь малую потребляемую мощность;
- обеспечивать возможность интеграции в кремниевом кристалле.
- обладать спектрально селективными характеристиками.
Не вдаваясь в детальное рассмотрение перечисленных выше требований, отме-
тим лищь, что с точки зрения энергопотребления проблемы, связанные с фото-
приемниками (естественно со схемами усиления), являются не менее сложными,
чем в случае излучателей.
До конца нерешенной технологической проблемой ОЭИС является то, каким
образом можно формировать на одной подложке (предпочтительно кремниевой)
базовые эпитаксиальные слои для оптоэлектронных приборов.
В связи с этим следует отметить, что исследования процессов выращивания
эпитаксиальных слоев соединений А3 В5 проводятся уже на протяжении многих
лет. За это время, например, в случае Si удалось уменьшить плотность дефектов,
включая дислокации несоответствия, с 109 см-2 до 106 см 2. Этот уровень плотно-
сти дефектов все-таки еще достаточно высок, так как приводит к быстрой дегра-
дации ЛД на основе структур, выращенных на кремнии. Тем не менее, и здесь
имеются определенные технологические предпосылки для успешного решения
проблемы. Один из возможных подходов заключается в выращивании системы
буферных слоев различного состава, что приводит к локализации большей части
дислокаций в узких областях, при этом в других областях кристалла плотность
дислокаций может быть уменьшена до 105 см 2. Имеются и другие технологичес-
кие подходы, включая низкотемпературный синтез, введение в структуру актив-
ного водорода и т.д. Возможность управления плотностью дислокаций техноло-
гическими методами позволяет надеяться на то, что в конечном итоге эта пробле-
ма все-таки будет решена.
3.6. Микрооптика для оптических межсоединений
Как уже отмечалось выше, разработка новых концепций внутрикристальных и меж-
кристальных соединений является императивом для долгосрочного развития слож-
ных микроэлектронных систем ближайшего будущего.
Следует подчеркнуть, что совместимость микро- и оптоэлектроники в ОЭИС
будет реализована только при взаимной адаптации уровней миниатюризации как
микроэлектронных, так и оптоэлектронных компонентов.
В этой связи напрашивается переход от макрооптических к микрооптическим
межсоединениям. В этом контексте следует рассмотреть различные аспекты про-
блемы, так как правила проектирования микрооптических систем имеют свои осо-
бенности по сравнению с правилами проектирования макрооптических систем.
Кроме того необходимо представлять, какие типы оптических элементов могут быть
изготовлены с использованием современных технологических возможностей.
3.6.1. Концепции архитектуры
В общем случае возможны 3 типа архитектуры микрооптических систем: одномер-
ная, двумерная и трехмерная архитектуры. В том, что касается первых двух типов
архитектуры, то уже в настоящее время имеются достаточно продвинутые системы
такого типа. Например, одномерные оптические соединения между одиночными
источником и приемником излучения реализованы с использованием оптических
волокон (ВОЛПИ). Интегрально-оптические схемы могут соединять различные
компоненты и в одной плоскости с использованием оптических волноводов в этой
плоскости. При этом помимо простого каналирования излучения по оптическим
волноводам в этом случае могут быть реализованы и базисные оптические функ-
ции, такие как расщепление пучков, задержка фазы, суперпозиция пучков и т. д.
Если принять концепцию планарной двумерной архитектуры, то для проекти-
рования и изготовления таких схем можно использовать методы, разработанные
для микроэлектронных схем.
Однако полный потенциал возможностей микрооптических соединений с ин-
тенсивной параллельной обработкой информации может быть реализован с ис-
пользованием трехмерной архитектуры.
Проектирование трехмерных систем в значительной степени определяется гео-
метрией соединяемых компонентов. При этом в расчет следует принимать большой
набор таких параметров, как длина оптического соединения, межэлементный зазор,
пространственные ограничения. Кроме того, необходимо знать тип источников излу-
чения, их потребляемую мощность, длину волны, угол расходимости, тип фотоприем-
ников, их площадь и фоточувствительность. И наконец, необходимо знать полную
эффективность передачи и допустимый уровень перекрестного взаимодействия.
В том случае, когда длина оптической связи становится чрезмерно большой
для соединения через открытое пространство, по-видимому, необходимо трансли-
ровать излучение по волокнам или световодам. В то же время пространственная
оптика лучшим образом обеспечивает передачу сигнала на короткие расстояния. К
тому же для повышения эффективности и минимизации перекрестного взаимо-
действия световые пучки целесообразно фокусировать.
В случае малой длины оптического соединения (например, межкристальные
соединения) также имеются различные варианты проектирования в зависимости
от того расположены ли излучатели и фотоприемники копланарно или обращены
друг к другу. В случае копланарной геометрии следует иметь возможности для раз-
ворота световых пучков на 180°, что требует использования соответствующих опти-
ческих элементов. Во втором же случае такой проблемы не существует.
3.6.2. Классификация пассивных микрооптических элементов
Дискретные микрооптические элементы могут быть дифракционными, рефрактив-
ными или комбинированными. При этом выбор типа элемента зависит зачастую
от конкретных требований к проектируемой системе. Дифракционная оптика пред-
лагает широкую свободу проектирования, обеспечивая возможность прецизионно
управлять волновым фронтом излучения. К числу недостатков следует отнести ее
существенную зависимость от длины волны.
Элементы рефрактивной оптики, как правило, имеют большую эффективность
и меньший уровень рассеянного света. В то же время имеются проблемы с изготов-
лением рефрактивных элементов произвольной формы.
Элементы дифракционной оптики могут быть классифицированы по профилю
их поверхности: непрерывные, многоуровневые и бинарные структуры, что иллюс-
трируется рис. 3.13.
Элементы рефрактивной оптики, в свою очередь, подразделяются на структу-
ры с поверхностным рельефом и градиентные структуры, в которых преломление
света осуществляется при его прохождении через материал, имеющий градиент
коэффициента преломления. В рассматриваемом случае также возможны гибрид-
ные структуры, сочетающие наличие по-
верхностного рельефа и градиент коэф-
фициента преломления.
Для реализации рассмотренных
выше микрооптических элементов в пос-
ледние годы был разработан целый ряд
технологических методов.
Элементы дифракционной оптики
изготовляют преимущественно с ис-
пользованием т. н. технологии бинар-
ной оптики, использующей многоуров-
невые оптические структуры. В этом
случае многоступенчатые поверхност-
ные структуры формируют с использо-
ванием повторяющихся операций фото-
литографии и травления рельефа. Уни-
версальность метода заключается в том,
что нет принципиальных отличий в про-
цессе изготовления элементов с разной
функциональной ориентацией (фокуси-
ровка, отклонение или расщепление
пучков).
В противоположность этому суще-
ствует много методов изготовления эле-
ментов рефрактивной оптики, в особен-
ности для изготовления микролинз.
а)
бинарный
многоуровневый
blazed
Ь)
градиентный
с поверхностным профилем
Рис. 3.13. Элементы дифракционной (а) и
рефрактивной (б) оптики.
Очень распространенным методом для изменения коэффициента преломле-
ния в объеме материала является метод селективного ионного обмена в стекле.В
основе метода лежит погружение стеклянной подложки в резервуар, содержащий
соответствующую расплавленную соль. Ионы металла диффундируют из соли в
стекло, при этом процесс ионного обмена может быть ориентирован и усилен за
счет приложения электрического поля.
Один из простых методов формирования микролинз заключается в нанесении
капелек УФ-чувствительного лака на подложку, при этом линзообразная форма
капелек формируется силами поверхностного натяжения.
Микропризмы можно формировать глубоким травлением после литографии. В
этом случае используются толстые слои фоторезиста толщиной в несколько сотен
мкм. Перечисленные методы далеко не исчерпывают все методы формирования
микрооптических элементов, а дают лишь представление о разнообразии техноло-
гических подходов.
3.6.3. Микромеханические элементы
Помимо собственно микрооптических элементов при построении оптических мик-
росистем необходимы и микромеханические элементы, предназначенные для фик-
сации оптики, юстировки и т. д. В том случае, когда монолитная интеграция невоз-
можна, приходится использовать гибридную интеграцию.
Рис. 3.14. Примеры микромеханических элементов: микродержатели на Si-
подложке (а), литографические элементы совмещения в резисте
РММА (Ь), многослойная структура с К-образными канавками в Si
(с) и фиксатор оптических волокон с линзами, сформированный в
резисте РММА (d).
Некоторые примеры микромеханических элементов приведены на рис. 3.14.
Микрооптические компоненты (зеркала, линзы, призмы, расщепители пучка
могут быть изготовлены на 57-подножке методом поверхностной микромеханичес-
кой обработки. Селективным удалением т. н. «жертвенного» слоя эти элементы
могут получить определенные степени свободы (например, могут вращаться) и од-
новременно могут фиксироваться микрозажимами (рис. 3.14а).
Элементы совмещения могут быть сформированы с высокой точностью с ис-
пользованием глубокого травления в процессе литографии, глубокой протонной
литографией и обработкой эксимерным лазером (рис. 3.14b).
Анизотропия травления в кремнии (в частности, между (100)- и (111)- плоско-
стями используется для формирования И-образных канавок, размеры которых мо-
гут прецизионно контролироваться как по глубине, так и в боковом направлении с
точностью порядка 1 мкм. Эти элементы стали стандартными для использования
при юстировке и совмещении элементов (рис. 3.14с).
С использованием глубокой протонной литографии с высокой точностью (луч-
ше 1 мкм) могут изготавливаться также и двумерные фиксаторы оптических воло-
кон (рис. 3.14d). В этом случае могут быть также монолитно интегрированы и мик-
ролинзы.
3.6.4. Примеры трехмерных микрооптических соединений
Даже при наличии всех необходимых микрооптических элементов серьезной пробле-
мой все равно остается разработка самих многоканальных микрооптических соедине-
ний, которые должны удовлетворять жесткой совокупности требований по эффектив-
ности, перекрестному взаимодействию, потребляемой мощности, ширине полосы,
однородности, чувствительности и технологической совместимости со стандартными
ИС. Некоторые примеры реализации таких систем иллюстрируются рис. 3.15.
В первом примере межматричных оптических соединений (рис. 3.15а) использу-
ется набор оптических волокон (по одному на каждый канал). Фиксация торцов
волокон осуществляется с помощью набора прецизионно сформированных от-
верстий в пластиковой пластинке, при этом погрешность на задание диаметра
механически высверленных отверстий не превышает ±2 мкм при заданном разме-
ре волокон 125 ± 5 мкм. С учетом большой гибкости пластиковых волокон в рас-
сматриваемом случае возможен их изгиб на 90° и реализация микрооптических
соединений матриц излучателей и фотоприемников форматом 2x8 с шагом
250 мкм при длине связи 50 см.
Большой массив оптических данных может быть транслирован одновременно с
использованием т. н. отображающего волокна (рис. 3.15Ь), представляющего жгут из
многих волокон со сверхтонкой сердцевиной (диаметром 3-4 мкм) и зазором в 5
мкм. Все преимущества предыдущего подхода сохраняются и в рассматриваемом слу-
чае. Кроме того упрощается процедура подстыковки, т. к. нет необходимости фикси-
ровать индивидуальные волокна в крепежных отверстиях. В то же время сохраняются
проблемы, связанные с перекрестным взаимодействием, существенно зависящим от
расстояния между матрицей фотоприемников и торцом жгута.
Оптические межсоединения могут быть реализованы и через открытое про-
странство. Один из возможных подходов использует матрицы градиентных мик-
ролинз. Основное преимущество этого решения заключено в плоской поверхно-
сти матрицы микролинз, что упрощает проблемы юстировки многоярусной сис-
темы (рис. 3.15с).
В том случае, когда матрицы излучателей и фотоприемников располагаются в
одной плоскости могут быть использованы варианты геометрии, представленные
на рис. 3.15d и 3.15е.
Отображающее волокно
В рамках концепции планарной оп-
тики микрооптические элементы распо-
лагаются по обе стороны оптической плос-
кой поверхности (рис. 3.15d). Свет внутри
этой конструкции распространяется по
зигзагообразной траектории. В этом слу-
чае благодаря двумерному характеру кон-
фигурации расположения элементов для
изготовления плат могут быть напрямую
Ь)
d)
Матрица излучателей Матрица излучателей
Зеркало Зеркало
Рефрактивные линзы
Излучатели Фотоприемники | ж
мвв мем
использованы стандартные методы техно-
логии БИС. Кроме того, оптическая пла-
та может использоваться в качестве мате-
ринской платы для оптоэлектронных кри-
сталлов. К числу проблем этой геометрии
относятся внеосевые аберрации.
Микрооптическая связь может быть
реализована и с использованием реф-
рактивной микрооптики. Необходимая
коллимация и отклонение световых
пучков в рассматриваемом случае реа-
лизуются с помощью матриц микро-
линз и микрозеркал. Излучаемые све-
товые пучки сначала коллимируются с
помощью микролинз, после чего осуще-
ствляется их отклонение с помощью
микрозеркала, расположенного под уг-
лом 45°. Сколлимированные пучки рас-
пространяются параллельно плоскости
Рис. 3.15. Примеры трёхмерных микрооп-
тических соединений: соединения с набо-
ром оптических волокон (а), конфигурация
отображающего волокна (Ь), ярусная кон-
фигурация с микролинзами (с), планарная
конфигурация со связью в открытом про-
странстве (d), интеграция с рефрактивной
оптикой (е).
кристаллов вплоть до второго микрозер-
кала над матрицей ФП, которое направ-
ляет пучки на матрицу микролинз, пос-
ле чего сфокусированные пучки попа-
дают на фотоприемники. Оба зеркала и
два набора микролинз формируются и
интегрируются с использованием глу-
бокой протонной литографии в РММА.
3.7. Оптические процессоры и интерфейсы
В предыдущих разделах было проведено преимущественно концептуальное рас-
смотрение интегрально-оптических модулей для параллельной обработки инфор-
мации, а также необходимых для реализации таких систем компонентов.
Вместе с тем проектирование таких систем затрагивает и целый ряд других
аспектов. Рассмотрим более предметно вопросы проектирования таких систем. В
первую очередь следует отметить, что для успешного «встраивания» оптических
технологий в следующее поколение компьютеров с параллельной обработкой ин-
формации принципиальное значение имеют вопросы оптического компьютерно-
го моделирования, технологии интеграции оптоэлектронных и микроэлектрон-
ных компонентов, а также вопросы оптимальной компоновки таких систем.
Одним из ключевых моментов является физический объем системы, при этом
на параметры системы решающим образом влияют именно оптические элементы
независимо от ее архитектуры. В свою очередь характеристики дифракционной
оптики ограничиваются минимально возможными топологическими размерами
элемента, достижимыми при использовании современной технологии.
3.7.1. Архитектура и особенности проектирования
В связи с отмеченной выше зависимостью физического объема системы от исполь-
зуемой в ней оптики именно вопросы оптического проектирования выдвигаются
на первый план.
Схематически модель каскада оптоэлектронного процессора представлена на рис. 3.17.
В рассматриваемом случае световое поле генерируется матрицей пространствен-
ных модуляторов света (SLM), после чего световые пучки транслируются в зону
компьютерно-генерируемой голограммы (CGH) с матрицами микролинз на фрон-
тальной и тыльной сторонах и на финишной стадии регистрируются, матрицами
фотоприемников.
В рамках модели [ 14] предполагается, что дифракционные оптические элемен-
ты представляют из себя зонные френелевские пластинки с фазовой функцией ехр
(/ (х,у), гдеу(х,у) дается выражением:
(Р(*,У) =(2 я/2) {/- [Г+ (х- ЗхУ + (у-З)2 ]s},
(3.2)
гдеf — фокусное расстояние, / — длина волны, dxiAdy — относительные зазоры между
центром зонной пластины и центром апертуры.
Можно показать, что минимальный топологический размер,задаваемый ли-
тографическим шаблоном (/шдх)с наибольшей пространственной частотой, дается
соотношением:
Ar = r (i ) — (/ — 1),
х max' ' max '7
(3.3)
где:
г (0 = [(//Л) / (2Л /) + i2 (Л/2")2 ]s, (3.3а)
= К2’/Л) {[(D/2 + <5)2 +Л s~f}], (3.36)
<5=(<?2 + ^2)s. (З.Зв)
Отметим, что параметр ^связан с углом О, толщиной t и длиной связи d простым
соотношением:
i£(O) = S/f=d/l.
(3.4)
Из соотношения (3.3) следует, что Лг является монотонно спадающей функцией
£и т. о. 0. Таким образом, поскольку минимальный топологический размер задается
технологическими возможностями, то максимальный угол отклонения 0 может
быть рассчитан для заданного фокусного расстояния, что четко задает отношение d/
Рис. 3.16. Модель каскада оптоэлектронно-
го процессора с использованием дифрак-
ционных оптических элементов! 14]
I. Таким образом при заданной длине оп-
тической связи толщина t задается од-
нозначно. Можно сделать вывод и о том,
что именно толщина t задает рабочий
объем системы в рассматриваемом слу-
чае. Уменьшая длину оптической связи
можно уменьшить и t, поддерживая ту
же самую величину 0тах. Таким образом
именно величина d должна быть мини-
мизирована за счет оптимального разме-
щения оптоэлектронных компонентов.
Следующим этапом проектирования
является разработка физической и логи-
ческой моделей расположения компо-
Рис. 3.17. Физические модели процессора
в конфигурации пропускания (а) и отра-
жения (Ь).
нентов, которые строятся по принципу
задач на оптимизацию.
В общем случае физическая модель
оптического интерфейса подобно элек-
тронным схемам может включать не-
сколько каскадов и должна учитывать ре-
жимы работы (на просвет или на отра-
жение). Физические модели процессо-
ра иллюстрируются рис. 3.17.
В конфигурации пропускания (рис.
3.17а) в общем случае могут использо-
ваться несколько каскадов, содержащих
платы процессорных элементов (РЕ) или
в общем случае несколько процессорных
модулей, при этом каждый каскад стро-
ится по схеме, приведенной на рис. 3.15.
В конфигурации отражения также
может быть использована многокаскад-
ная схема, как это показано на рис. 3.17b.
Общим для обоих типов оптической
конфигурации является то, что по мере
увеличения числа каскадов резко возра-
стает сложность задача минимизации
длины оптической связи.
После формулировки логической модели с помощью итерационной процеду-
ры решается задача оптимизации размещения компонентов. Эта задача решается
компьютерными методами с использованием ряда альтернативных алгоритмов.
Следующая стадия проектирования заключается в определении оптимальной
конструкции дифракционных элементов, что также осуществляется с использова-
нием компьютерного проектирования.
Результаты компьютерного моделирования показывают, что при использова-
нии оптимальных алгоритмов проектирования френелевских линз с 32 фазовыми
уровнями их дифракционная эффективность и отношение сигнал / шум могут пре-
вышать соответственно 96% и 27 дБ.
3.7.2. Анализ функциональных возможностей
и достижимый уровень параметров
С целью выяснения достижимого уровня параметров проанализируем на примере
оптоэлектронного процессора для параллельной обработки информации их функ-
циональные характеристики этих устройств.
Рассмотрение начнем с важной составной части процессора, а именно с систе-
мы с перестраиваемой конфигурацией голографических межсоединений (рис. 3.18).
В рассматриваемой схеме входное оптическое поле (х) отображается на выход
системы (у) с помощью линз преобразования Фурье Lp L2, расщепителя пучка BS,
перестраиваемого фильтра Wb виде OASLM. Информация для записи компьютер-
но-генерируемой голограммы в OASLМ копируется из EASLM, при этом обновле-
ние информации в EASLМприводит к модификации оптических межсоединений.
Основной причиной использования двухкаскадной схемы с применением как
OASLM, так и EASLMявляется необходимость минимизации размеров элементов
голограммы. Современные EASLMхарактеризуются сравнительно большим разме-
ром сегментов (> 80 мкм), что приводит к голограммам с большим периодом. Ин-
тервал разрешения дифракционных порядков дается соотношением:
a = (fA)/d.
(3.5)
Здесь: f — фокусное расстояние, I — длина волны, d — период голограммы.
Из соотношения (3.5) следует, что для получения компактных систем необхо-
димо минимизировать фокусное расстояние и период голограммы, что решается
Рис. 3.18. Схема системы с пе-
рестраиваемой конфигурацией
голографических межсоедине-
ний: W— компьютерно генери-
руемая голограмма, OASLM —
оптически адресуемые про-
странственные модуляторы
света, EASLM — электрически
адресуемые пространственные
модуляторы света, BS — расще-
питель пучка.
Рис. 3.19. Полная схема оптоэлектронного
процессора.
введением в схему каскада редуцирова-
ния. В этом случае размер сегмента го-
лограммы определяется разрешением
OASLMи может составлять величину по-
рядка 5 мкм. Второй причиной является
то, что EASLM содержат неактивную
«мертвую зону», обусловленную присут-
ствием схем драйвера и управления, при-
водящих к тому же к дополнительным
шумам при реконструкции голограммы.
С одной стороны желательно, чтобы
в системах параллельной обработки ин-
формации элементы обработки (РЕ) мож-
но было бы модифицировать. С другой же
стороны, из соображений технологично-
сти они должны быть как можно проще.
В плате оптоэлектронной обработ-
ки может быть использована, например,
конфигурация форматом 64x64, при
этом каждый элемент обработки может иметь оптический вход в виде фотоприем-
ника, простую схему обработки и оптический выход в виде СИД.
Полная схема оптоэлектронного процессора, способного выполнять функции
обработки, распознавания образов и матрично-векторного умножения, представ-
лена на рис. 3.19 [15].
В рассматриваемом случае входное изображение* отображается матрицей СИД
и затем транслируется по петле с использованием линз преобразования Фурье L/ и
Ь2 на матрицу фотоприемников. Характер голографических межсоединений в этой
схеме определяется состоянием голографического модуля, при этом период голог-
раммы задается таким образом, чтобы он соответствовал элементам платы оптоэ-
лектронной обработки. Заштрихованные на этом рисунке линзы обеспечивают
уменьшение оптического пути и, тем самым, улучшают компактность системы.
Как отмечалось выше, одним из требований к системе является соответствие
периода голограммы периоду матрицы элементов обработки. Каждый период го-
лограммы содержит NxN6nHapHbix сегментов, которые обеспечивают МхМпоряд-
ков дифракции, при этом связь между Ми Nдается соотношением:
ЛР = М2/2г>. (3.6)
Где £— отклонение интенсивности каждого из М2 порядков от ожидаемой вели-
чины. Из приведенного соотношения следует, что ошибка реконструкции может
быть сделана сколь угодно малой при условии, что используется достаточно боль-
шое число элементов голограммы. На практике же неоднородность OASLMh шумы
системы приводят к увеличению ошибки реконструкции. Минимальный размер
каждого сегмента голограммы определяется разрешениемр и т.о. период голограм-
мы составляет d = Л^р.Из соотношений 3.5 и 3.6 следует:
M=[fA(2£)^]/ap.
(3.7)
Мощность излучения, регистрируемого фотоприемниками в рассматриваемой
схеме, дается соотношением:
Р Pt Lo LH Lf Le, (3.8)
Где: Pt — мощность излучения СИД, Lo — потери в оптической системе на сбор
излучения, LH — потери мощности излучения в голограмме, LF — потери на развет-
вление, Le — избыточные потери в системе.
Достаточно большая ширина диаграммы направленности СИД приводит к боль-
шой величине Lo, Апертура системы определяется размером голограммы и может
быть аппроксимирована кругом диаметром L. Если предположить, что каждый СИД
представляет собой идеальный ламбертовский источник излучения, то доля пото-
ка излучения, проходящего через апертуру, составляет rj = sin2 (L/2f).
Таким образом, потери на сбор излучения составляют Lo = 10 lg[sin2 (Z/2/)].
используя соотношение (3.7) и учитывая, что L «/, приходим к выражению для
L = 201g {[ JlAMp] / [ VFZX]}. (3.9)
Для бинарной голограммы величина потерь LH оценивается на уровне 7 дБ.
Величина потерь на разветвление дается соотношением ЬЕ = 20 IgA/. Величина LE
учитывает потери на поглощение и отражение в системе и оценивается на уровне 10
дБ.
Полное число сегментов в EASLM вдоль одной стороны равно NT= L /р. При
подстановке этого соотношения и выражения (3.9) в уравнение (3.8) получаем:
М = 10 (^/2)1/2 [^NT)/a]V\ (3.10)
Если ограничиться рассмотрением только оптической системы, то полное чис-
ло каналов определяется во входной матрице определяется ее площадью и двумер-
ным разрешением оптической системы. В случае точечной входной матрицы для
обеспечения разрешения на выходе необходимо выполнение условия на величину
межэлементного зазора:
a min > (2,44Д )М • (З.Н)
Где, как и выше, L — ширина голограммы. В этом случае максимальный формат
обеспечивает СхС каналов, где Сдается соотношением С ~ (£>£)/(2,44д/2Я^)/L , а
D есть апертура первой линзы системы.
На практике на максимальное число каналов будет влиять целый ряд факторов. В
частности, к деградации разрешения будут приводить аберрации оптической сис-
темы. В особенности это относится кточкам на периферии матрицы. СИД на входе
системы в процессе своей работы,естественно, генерируют тепло, что требует учета
рассеиваемой мощности.
Ранее предполагалось, что в системе используется матрица монохроматичес-
ких источников излучения. В то же время СИД характеризуются конечной шири-
ной полосы излучения А/, что должно приводить к уширению дифракционных
порядков и наиболее сильно сказываться при максимальном удалении от оси сис-
темы. Можно показать, что максимально допустимая ширина линии излучения
составляет:
(АЛ)/Л=1/М.
(3.12)
Проведенный выше анализ позволяет оценить пределы функциональных воз-
можностей процессора. Предположим, что процессор содержит матрицу дискрет-
ных СИД, расположенных с шагом 1 мм и излучающих надлине волны 660 нм. При
М = 22 предельное значение ширины линии излучения в соответствии с соотноше-
нием (3.12) составляет 20 нм. Максимальное разрешение современных OASLMсо-
ставляет 5 мкм. Для этого разрешения М = 18. Для имеющихся в настоящее время
EASLMпри размере сегмента 10 мкм апертура голограммы должна составить 5 мм,
при этом в соответствии с соотношением (3.11) минимальный шаг во вход ной
матрице должен составлять 0,6 мм.
Таким образом, шаг матрицы определяется шагом матрицы СИД, а не преде-
лом разрешения системы. При этом для данного набора параметров может быть
реализован процессор с числом каналов 64x64.
При использовании EASLM с NT= 600 скорость обработки по одному каналу
может составить 105 кадров в секунду, при этом полная скорость параллельной об-
работки для системы форматом 64x64 может составить 4 Гбит/ с.
Как следует из предыдущего рассмотрения, вопрос улучшения функциональ-
ных характеристик процессора ограничивается использованием дискретных СИД,
поскольку применение таких приборов определяет достаточно большой межэле-
ментный зазор матрицы. Кроме того, малый размер голограмм приводит к малой
относительной апертуре, которая, в свою очередь, сопровождается большими
потерями на ввод излучения. Эти обстоятельства усугубляются большим углом рас-
ходимости излучения СИД. Вдобавок к этому, применение дискретных СИД не
позволяет в полной мере реализовать компактность элементов обработки инфор-
мации. Перечисленные недостатки во-многом могут быть преодолены за счет ис-
Рис. 3.20. Концептуальная схема оптоэлек-
тронного процессора с использованием фо-
топриёмников (PD), элементов обработки
(РЕ), ЛД (LD), расщепителя пучка (BS), а
также компьютерно генерируемой диаграм-
мы (CGH).
пользования поверхностно-излучаю-
щих ЛД с вертикальным резонатором
(VCSEL). Рис. 3.20 иллюстрирует этот
подход.
Предварительный анализ показыва-
ет, что система форматом 128x128 мо-
жет иметь размеры диаметром 25 мм.
Если бы удалось достаточно жестко кон-
тролировать углы расходимости излуче-
ния в матрицах таких ЛД, то потери на
ввод излучения могли бы быть суще-
ственно уменьшены. В такой системе
форматом 128x128, использующей
VCSEL, полная скорость параллельной
обработки информации может соста-
вить 16 Гбит / с при реализации 4-1012
операций межсоединения в секунду.
Естественно, это далеко не единственная возможная схема построения опто-
электронного процессора. Может оказаться более выгодной замена матрицы VCSEL
модуляторной матрицей, освещаемой удаленным VCSEL. В этой схеме в значи-
тельной степени удалось бы решить проблемы, связанные с удалением выделяю-
щегося в процессе работы тепла.
Скорость реконфигурации процессора ограничивается скоростью переключе-
ния пространственных модуляторов света. В настоящее время OASLM работают с
кадровой частотой 1 кГц, при этом прогнозируется улучшение этого параметра до
10 кГц.
3.7.3. Конструкционные и технологические аспекты
Рассмотрение конструкционных и технологических аспектов разработки оптоэле-
ктронных систем параллельной обработки информации проведем на примере оп-
тоэлектронного интерфейса, реализуемого с использованием методов планарной
оптики (рис. 3.21).
В рассматриваемом случае используется трехуровневая конфигурация интер-
фейса. Верхний ярус системы образован оптоэлектронными приборами на основе
соединений А3 В5 (излучатели и фотоприемники). Нижний уровень представляет
собой пассивную оптическую плату, обеспечивающую реализацию высокоскорост-
ных параллельных оптических межсоединений. Средний же ярус системы выпол-
няется на основе кремниевой пластины и реализует несколько функций. Во-пер-
вых, в нем располагаются проводящие шины и микросхемы, например, драйверы
для излучателей. Во-вторых, этот ярус обеспечивает фиксированное расстояние
для оптимальной дифракции оптических пучков (расстояние между матрицей из-
лучателей и матрицей микролинз). В том случае, когда длина волны излучения
попадает в область поглощения кремния (Л< 1,1 мкм), в кремнии необходимо фор-
мировать окна для пропускания излучения. И наконец, в-третьих, с учетом хоро-
шей теплопроводности кремния этот ярус дает свой позитивный вклад в отвод
тепла, генерируемого в процессе работы оптоэлектронных приборов и управляю-
щей электроники.
Сформировать окна в кремнии можно с использованием анизотропного хими-
ческого травления. Установлено, что раствор КОН к воде (1:4) при температуре 80
°C вызывает быстрое травление поверхности кремния любой ориентации
за исключением ориентации (111). При использовании ориентации (100) типич-
ная скорость травления составляет 1 мкм/мин. Этот процесс обеспечивает форми-
рование окон с размерами, которые могут варьировать в пределах нескольких мкм
из-за вариации толщины кремния.
Для фиксации кремниевой пластины с оптической платой может быть исполь-
зован метод термического анодного соединения, основанный на присутствии в
стекле подвижного положительного заряда. Постоянное напряжение, приклады-
ваемое через границу раздела, вызывает формирование области пространственного
заряда с сильным электрическим полем. Процесс проводится при типичном на-
пряжении 200-500 В и температуре на несколько сотен градусов ниже температу-
ры плавления стекла.
Во избежание термического разрушения из-за различия коэффициентов тер-
мического расширения (Аа) в процессе охлаждения должно обязательно выпол-
няться условие (Аа)/(А7) < 10 4.
В том, что касается соединения оптоэлектронных кристаллов с кремнием, прак-
тически идеальным методом считается метод перевернутого монтажа.
Особого рассмотрения заслуживает вопрос обеспечения необходимого тепло-
отвода. При использовании матриц поверхностно-излучающих ЛД (VCSEL), ос-
новной проблемой является отвод избыточного тепла. Например, матрица ЛД фор-
матом 8x8 при рабочем токе через прибор порядка 10 мА вызывает выделение теп-
ловой мощности ~ 2,5 Вт в пределах области с площадью < 1 мм2.
Анализ альтернативных вариантов охлаждения показывает, что жидкостное и
термоэлектрическое охлаждение обеспечивают отвод тепла с плотностью мощности
в диапазоне 10—100 Вт/см2, в то время, как самые простые и дешевые способы охлаж-
дения (например, воздушное охлаждение и теплоотвод с использованием радиато-
ров) обеспечивают удаление тепла с плотностью мощности всего 0,1 Вт/ см2.Таким
образом, проблема сводится скорее не столько к отводу тепла, сколько к его распре-
делению по возможно большей площади.
Проблемы, связанные с тепловыми режимами, были рассмотрены ранее при-
менительно к полупроводниковым знакосинтезирующим индикаторам. Отме-
чалось, что недостаточный теплоотвод может приводить к перегреву активной
области оптоэлектронных приборов на величину АТ = Rm Ррасс. При этом под-
черкивалось, что величина такого перегрева не должна превышать определен-
ной величины, так как температура активной области ЛД не должна превышать
110 °C. При расчетах тепловых режимов важную роль играет такой параметр, как
тепловое сопротивление. Этот параметр применительно к очень малому объем-
ному элементу с длиной dine площадью поперечного сечения da дается выра-
жением:
Rm = dl/(kdd).
(3.13)
Где: к — коэффициент теплопроводности.
В таблице 3.4 приведены данные по величине коэффициента теплопроводнос-
ти для ряда конструкционных материалов.
Рис. 3.21. Схема оптоэлектронного интерфейса.
Таблица 3.4. Коэффициенты теплопроводности конструкционных
материалов.
Материал
Коэффициент теплопроводности к, Вт /мК
Алмаз
Си
Аи
Si
GaAs
SiO2
2000
400
300
135
44
1
В связи с данными, приведенными в этой таблице следует еще раз подчеркнуть
важность правильного выбора конструкционных материалов, так как коэффициент
теплопроводности может варьироваться в пределах нескольких порядков величины.
Очевидно, что стеклянная подложка не будет давать сколько-нибудь значительный
вклад в теплоотвод. С другой стороны, кремний обладает достаточно хорошей тепло-
проводностью (примерно втрое лучшей по сравнению с арсенидом галлия). И одно-
временно с этим еще на порядок большей теплопроводностью обладает алмаз. В на-
стоящее время уже разработана технология получения пленок толщиной 0,5 мм, что
делает этот материал потенциально важным для решения проблем, связанных с отво-
дом тепла.
Рассмотрим более подробно вопрос, связанный с природой теплового сопротив-
ления. Полное тепловое сопротивление содержит три компоненты.
Во-первых, с точки зрения проблем отвода тепла поверхностно-излучающие ЛД
обладают очень неблагоприятной геометрией. Поверхность, через которую в этом типе
приборов должно отводиться тепло от активной области, как правило, в 10 раз меньше,
чем в случае ЛД торцевой геометрии с полосковым резонатором. В предположении
полусферической геометрии интегрированием (3.13) можно показать, что R = 1/2 л кг.
В случае поверхностноизлучающего ЛД с радиусом активной области 5 мкм рассеива-
емая мощность составляет- 40 мВт, что должно приводить к перегреву активной обла-
сти на 29 °C. Проблемы, связанные с перегревом прибора частично могут быть решены
за счет уменьшения толщины подложки ЛД, либо непосредственным охлаждением
эпитаксиальной стороны кристалла, а не охлаждением через подложку.
Во-вторых, механический контакт между различными конструкционными мате-
риалами может приводить к дополнительному вкладу в тепловое сопротивление. В
таблице 3.5 приведены данные по величине этой компоненты теплового сопротив-
ления.
Таблица 3.5. Сравнение тепловых сопротивлений различных границ раздела.
Тип границы раздела Тепловое сопро- тивление, К см2/Вт Толщина, мкм
Тепловой контакт (BN) 1 100
Пластина GaAs 0,1 500
Припой AuSn 0,015 10
Из приведенных данных видно, что тепловое сопротивление границы с тепло-
вым контактным материалом на порядок выше, чем в случае слоя арсенида галлия
той же площади. Намного лучшие результаты дает метод перевернутого монтажа с
использованием припоя и слоя SiO2 для электрической изоляции.
Третья компонента теплового сопротивления обусловлена тепловым потоком в
пластине кремния. Впрочем, вклад этого фактора меньше по сравнению с рассмот-
ренными выше двумя компонентами.
С учетом проведенного рассмотрения можно предполагать, что с точки зрения
тепловых характеристик более предпочтителен вариант схемы, представленной на
рис. 3.22. В этой альтернативной схеме используются ЛД, излучающие через про-
зрачную подложку (тыльную сторону), при этом верхний ярус образован пластиной
кремния, на которую ЛД монтируются эпитаксиальной стороной, что должно суще-
ственно ослабить явления, связанные с перегревом активной области приборов.
Литература
Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. — М.: Радио и связь. 1989. —360 с Оптические вычисления / под
ред. Арратуна Р. — М.: Мир. 1993. — 433 с.
Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. — М.: Радио и связь. 1981. — 279 с.
Гончарский А.В., Попов В.В., Степанов В.В. Введение в компьютерную оптику. — М.: Изд-во МГУ.
1991. - 312 с.
Хауэс X. Волны и поля в оптоэлектронике / пер. с англ, под ред. К.Ф.Шипилова. — М.: Мир. 1988.— 239 с.
Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. — М.: Радио и
связь. 1990. - 239 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные приборы на основе на основе твердых растворов в системе 11//
Обз. по электрон, технике. - М.: ЦНИИ «Электроник». 1984. Вып. 5(1032). - 67 с.
Библиографический список
1. Culley М./ // Lasers and Optronics. 1997. V. 16.N 7. Р. 21-23.
2. Rogalski A. 11 Proceed. SP1E. 2000. V. 4340. P. 1-14.
3. Щербак H. 11 Электроника: НТВ. 2002. № 2. С. 52-55.
4. King G. J., Martino J.F. 11 US Patent. 1978. N 4,100,672.
5. Adonin A.S., Ermakov O.N. 11 Proceed. SP1E. 2001. V. 4761. P. 13-18.
6. Ermakov O. N. // Proceed. SPIE. 2001. V. 4751. P. 90-97.
7. Евтихиев H.H., Морозов B.H. // Квант, электрон. 1987. Т. 14. № 11. С. 2141-2155.
8. Chakbarati Р, Rajiamani V. // J. Lighywave Technol. 1999. V. 17. N 4. P. 659—668.
9. Шахнович И. 11 Электроника:НТВ. 2002. №2. С. 30-32.
10. Бурцев В. И Электроника: НТВ. 2002. № 2. С. 32-35.
11. Васильева Л. // Электроника: НТВ. 2002. № 2. С. 85-85.
12. Hayashi I. // Optoelectron. Devices and Technol. 1994. V. 9. N 1. P. 11-14.
13. Kufner M., Kufner S. 11 Int. J. Optoelectron. 1998. V. N 4. P. 119-126.
14. Zaleta D., Fan J., Kress B.C. et al. Ц Appl. Optics. 1994. V. 33. N 8. P. 1444-1456.
15. Kirk A., Tabata T., Ishikawa M. 11 Appl. Optics. 1994. V. 33. N 8. P. 1629-1639.
16. Acklin B., Jahn J. Ц Appl. Optics. 1994. V. 33. N 8. P. 1391-1397.
ГЛАВА 4
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ
4.1. Введение
В настоящее время интенсивно разрабатываются сенсорные устройства различно-
го типа, что связано с дальнейшим прогрессом в области микроэлектроники, по-
зволяющим создавать как сами датчики, так и системы обработки, передачи, хра-
нения и визуального отображения информации.
Разработка сенсорных устройств решает несколько основных задач. С одной
стороны, появление таких систем позволяет получать в реальном масштабе време-
ни большой объем информации о характере воздействия различных силовых по-
лей (механических, электромагнитных, акустических, тепловых и т.д.) на характе-
ристики различных контролируемых объектов с точностью, надежностью и быст-
родействием, недоступными для человеческих органов восприятия.
С другой стороны, могут быть предложены пути практического решения про-
блем бионики, а именно: воспроизведения с помощью оптоэлектронных устройств
человеческих органов восприятия. Техническая реализация подобных сенсорных
устройств имеет первостепенное значение для робототехники.
В широком смысле слова оптоэлектронные датчики — это микроэлектронные
приборы, осуществляющие с помощью оптоэлектронного преобразования функ-
ции детектирования внешнего воздействия, обработку полученной информации
и ее отображения. Большой объем научно-технической информации по данному
вопросу обусловливает необходимость ее систематизации. Кроме того, анализ
тенденций развития оптоэлектронных датчиков показывает, что дальнейший про-
гресс в этом направлении требует разработки соответствующей элементной базы,
а также ставит соответствующие задачи перед полупроводниковым материалове-
дением.
4.2. Классификация оптоэлектронных датчиков
Классификация оптоэлектронных датчиков может быть проведена по ряду отличи-
тельных признаков. Взяв за основу такие характеристики электромагнитного поля,
как амплитуду, поляризацию и фазу, можно условно разделить рассматриваемый класс
устройств на амплитудные, поляризационные и фазовые датчики. По виду детекти-
руемого воздействия определяем широкий круг датчиков механических (давления,
перемещения, угла поворота и т. д.), электромагнитных воздействий (тока, напря-
женности магнитного поля, напряжения и т.д.) температурных, колориметричес-
ких датчиков, датчиков содержания химических веществ, оптоэлектронных датчи-
ков ионизирующего излучения и т.д.
Исходя из специфического физического явления, определяющего эффект де-
тектирования, можно предложить следующую классификацию датчиков: приборы
на основе эффектов пропускания и отражения, эффектов Фарадея и Поккельса,
интерференции и т.д.
В то же время наибольшее распространение в настоящее время получила клас-
сификация по физико-конструкционным признакам, что позволяет разделить рас-
сматриваемые приборы на три большие группы: датчики оптронного типа с откры-
тым каналом, волоконно-оптические датчики (ВОД), интегрально-оптические дат-
чики (ИОД). При этом следует отметить, что внутри каждой из этих больших групп,
в свою очередь, возможна классификация по другим отличительным признакам,
упомянутым выше.
Ретроспективный анализ развития сенсорных систем на основе оптоэлектрон-
ных датчиков показывает, что использование амплитудной схемы детектирования
с использованием твердотельных источников излучения в оптронной геометрии с
открытым каналом позволило разработать широкий класс коммерческих сенсор-
ных систем 1-го поколения.
4.2.1. Датчики оптронного типа с открытым каналом
Анализ выпускаемой крупнейшими зарубежными оптоэлектронными фирмами
продукции показывает, что в настоящее время предложен достаточно широкий
класс сенсорных устройств, построенных в оптронной геометрии с открытым кана-
лом, для систем экологического контроля, медицины, измерительной техники,
торговли и учета продукции.
Например, фирма Du Pont (США) выпускает газоанализатор содержания NO,
N02 и S02. Система построена по амплитудному принципу детектирования. Свето-
вой поток от источника излучения, проходя через расщепитель, разделяется на де-
тектирующий и опорный световые потоки. Детектирующий пучок проходит через
камеру с газовой смесью, ослабляется вследствие селективного поглощения, попада-
ет на ФЭУ, усиливается логарифмическим усилителем и затем регистрируется. Ин-
тенсивность поглощения на молекулах N02 измеряется надлине волны 436 нм, в то
время как излучение по опорному каналу регистрируется на длине волны 578 нм.
На рынке сенсорных устройств широко представлены различные типы устройств
для детектирования товарных знаков. В частности, фирма National {Matsushita,
Япония) производит прибор NQ—VD2AR, принцип действия которого основан на
регистрации диффузно рассеянного излучения СИД красного цвета свечения. При-
бор может работать при окружающем освещении и расстоянии от декодируемого
объекта 2 ± 0,2 см. При этом скорость считывания информации составляет 1000
знаков в секунду. Информация может считываться и на цветном фоне. Данные при-
годности считывания сигнала и фона представлены в таблице 4.1.
Таблица 4.1. Условия считывания сигнала
Фон Черный Красный Оранжевый Цвет знака Желтый Зеленый Голубой Белый.
Черный 0 0 0 0
Красный 0 0 0
Оранжевый 0 0 0
Желтый 0 0 0
Зеленый 0 0 0 0
Голубой 0 0 0 0
Белый 0 0 0
Примечание: Символ «О» соответствует пригодности для детектирования сочетания цвета знака и
фона.
Фирма Hewlett Packard (США) выпускает целую серию аналогичных приборов
типа «световое перо»: HBCR 8100, HBCR8500, HBCR8100,HBCS400, HBCSA100,
HBCSA200.
Другая серия датчиков перемещения и угла поворота разработана фирмой RSF-
Electronics (Германия): DG116-DG182. Эти приборы обеспечивают измерение ско-
рости вращения до 1200 об/ мин, при этом точность измерения угла поворота со-
ставляет ±360/8 N, где N — число штрихов на вращающемся диске. Широкий вы-
пуск серии датчиков угла поворота заявлен также фирмой Hewlett Packard'. HEDS
5500, HEDS 2500, HEDS 6000, HEDS 7500.
Прецизионные датчики положения и перемещения выпускает фирма National
(Matsushita, Япония). В данном случае используется трехлучевая оптическая схема
с излучающим диодом ИК-диапазона спектра и двумя позиционно-чувствитель-
ными фотоприемниками. Приборы MQ-W3A, MQ-W20A, MQ70A, MQ-W30A обес-
печивают прецизионное измерение расстояний в диапазоне 1—1000 см.
4.2.2. Волоконно-оптические датчики
Значительный прогресс в области разработки сенсорных систем был достигнут бла-
годаря использованию достижений волоконной оптики. Волоконно-оптические
датчики (ВОД) делятся на две большие группы. К первой группе относятся прибо-
ры, в которых детектирование внешнего воздействия осуществляется с помощью
оптоэлектронного преобразователя, а в качестве линии связи с периферийными
устройствами сенсорной системы используется волоконная линия. Ко второй группе
относятся приборы, в которых волоконный световод используется в качестве ак-
тивного элемента, с помощью которого осуществляется детектирование внешних
воздействий.
Разработка ВОД поставила исследователей перед необходимостью широкого
использования различных физических эффектов, к числу которых, в первую очередь,
относятся эффекты Фарадея, Поккельса, Допплера, Саньяка, эффект фотоупругос-
ти. Поскольку основные параметры ВОД в значительной степени определяются
проявлением указанных эффектов в активном элементе датчика, рассмотрим их
более подробно.
Эффект Фарадея заключается в том, что при распространении световой волны,
происходит поворот ее плоскости поляризации в магнитном поле на угол, опреде-
ляемый соотношением:
VHL. (4.1)
где И — постоянная Верде, для которой в широком спектральном диапазоне спра-
ведливо выражение:
а ь
+ (4.2)
Л Л
Таким образом, используя эффект Фарадея, можно создавать датчики поляри-
зационного типа.
Эффект Поккельса или электрооптический эффект 1-го порядка состоит в том,
что под действием электрического поля происходит изменение коэффициента
преломления, пропорциональное величине напряженности электрического поля:
п\ = по~~пог},Е, (4.3)
1 1 3 Т'
п2=п0+-п0^Е9 (4.4)
где г. — электрооптический коэффициент, nQ — показатель преломления в отсут-
ствии электрического поля.
Эффект фотоупругости — проявление двойного лучепреломления при деформа-
ции упругого тела. Входящий в упруго деформированную среду линейно поляризо-
ванный свет приобретает на выходе круговую поляризацию. При этом для выходной
мощности излучения в зависимости от давления справедливо соотношение:
Р= P0(l + sin(fl7 /Тя). (4.5)
где Тк — Л / CL , а С — постоянная фотоупругости, для которой справедливо
соотношение:
С = —Ло(Рц - ^12 )(^11 (4.6)
где: Л и У — соответственно коэффициенты оптической деформации и упругости
вещества.
Эффект Допплера заключается в том, что при освещении движущегося объекта
лазерным лучом частота рассеянного света сдвигается относительно частоты пада-
ющего света.
Релятивистский эффект Саньяка состоит в том, что время распространения
света по каналу в направлении вращения больше, чем в случае распространения в
противоположном направлении. Этот эффект наиболее широко используется при
проектировании волоконно — оптических гироскопов. При вращении гироскопа
со скоростью /^различие времен распространения /1тприводит к регистрируемому
сдвигу интерференционных полос на величину:
bZ=2LR£l/Ac. (4.7)
Здесь L — длина волокна, R — радиус витка, Я — длина волны излучения. Пред-
полагая доминирование механизма дробового шума в фотоприемном блоке, мини-
мальный регистрируемый сигнал (сдвиг интерференционных линий) можно пред-
ставить соотношением:
AZ = В1/2 /2л (hv/tjP)ч2 (4.8)
Здесь: Р— мощность излучения на входе фотодиода (ФД), В — ширина полосы ФД,
h V— энергия фотона, tj— квантовый выход ФД.
С учетом приведенных соотношений оптимальная длина волокна составляет
Lmin^ 0,87а"1, где коэффициент затухания в волокне 2 выражен в децибелах.
Высокие оптические свойства волоконных световодов обусловили их исполь-
зование в качестве протяженных интерферометров Фабри—Перо. В наиболее ши-
роко используемой схеме ВОД с волокном в качестве активного элемента излуче-
ние от лазера вводится одновременно в основной канал, подвергающийся внешне-
му воздействию, а также в параллельный канал (канал сравнения). На выходе схемы
оптический сигнал каждого из каналов преобразуется в электрический сигнал с
помощью ФД. При отсутствии внешних воздействий интерференционные карти-
ны по каждому из каналов идентичны. В то же время внешние воздействия приво-
дят к различию интерференционных картин, при этом степень их отличия и явля-
ется мерой внешнего воздействия.
4.2.3. Интегрально-оптические датчики
Высокому уровню развития современной оптоэлектроники, по-видимому, соот-
ветствует одно из самых перспективных направлений разработки оптоэлектрон-
ных датчиков, а именно: интегрально-оптические датчики (ИОД). Оно тесно свя-
зано с исследованиями в области интегральной оптики, направленными на созда-
ние оптических и интегрально-оптических систем обработки, хранения и отобра-
жения информации. Уже в настоящее время применения ИОД, например в иссле-
дованиях физико-химических процессов, показали их несомненные преимуще-
ства по сравнению с ВОД [ 1 ].
Интегрально- оптические датчики можно классифицировать по физико-кон-
струкционному принципу: ИОД на основе планарных диэлектрических волново-
дов и ИОД на основе поверхностных или волноводных металлодиэлектрических
структур (ПЭВ-датчики)[11.
В ИОД с диэлектрическими волноводами фундаментальную роль играют ТЕ- и
ГЛ/-моды, характеризуемые эффективным показателем преломления для кото-
рых справедливо дисперсионное соотношение:
ko(n2 -12т)1>2^2 =arctg Е21
-11/2
+ arctg Е
Ут ~П3
23
1«22 ~Ут)]
-|1/2
+ тп
(4.9)
Здесь т — номер моды, а пр л2, п} — показатели преломления соответственно под-
ложки, волноводного слоя и внешней среды (рис. 4.1).
При использовании призменного ввода излучения в структуру gm можно опре-
делить из соотношения:
у v = пр sin Р + arcsin
sin 0,
пр
(4.Ю)
Рис. 4.1. Призменная геометрия ввода и вы-
вода излучения из планарного волновода [1]
где: ут — показатель преломления при-
змы, р~ угол призмы, 0т — угол падения
излучения на боковую грань призмы.
Внешнее воздействие, приводящее к из-
менению Ир л2, л3 или толщины волно-
вода dv вызывает изменение 0т. Мето-
дически задача определения п2 и d2 ре-
шается определением эффективных по-
казателей преломления ут и для мод
т и i с последующим определением п2 и
d2 из соотношений:
(/и+1)7,. -(/+i)Vm
(^+1)2_(/+1)2
d2 =
(4.П)
(4.12)
Наличие оптических потерь в планарном волноводе приводит к комплекснос-
ти эффективного показателя преломления волновода ут = ухт + iy™ , при этом
коэффициент оптических потерь ат связан с /т” соотношением ат = .
В ряде случаев информационным параметром является величина ат, которую
можно определить, используя двухпризменную оптическую схему (1-я призма ис-
пользуется для ввода излучения в волновод, а 2-я — для его вывода из волновода).
При этом интенсивность объемной волны, выходящей из второй призмы, описы-
вается соотношением:
/ = /07 ехр (-2атЛ).
(4.13)
где /0 — интенсивность волны, падающей на 1 -ю призму, т] — эффективность возбуж-
дения волноводной моды, R — расстояние между призмами.
В общем случае используя такую геометрию можно получить информацию об
оптических постоянных слоев, адсорбированных на поверхности волновода, а так-
же об их толщине.
В ПЭВ-датчиках поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) представля-
ют собой связанное состояниер — поляризованной электромагнитной волны с кол-
лективными возбуждениями волновода (плазмонами). Важной характеристикой
ПЭВ является глубина проникновения поля в каждую из двух граничащих сред,
определяемая соотношением:
( 2Г2
где 71 - £\ ~ kx
В качестве поверхностно-активных сред с малым проникновением электро-
магнитного поля обычно используются металлические пленки Au, Ag, Pt, Си, Al.
Характерным является уменьшение глубины проникновения ПЭВ в ме-
талл с возрастанием длины волны. Например, в случае системы медь / воздух
глубина проникновения в металл изменяется от 72 нм при 2 = 630 нм до 15 нм
при 2=5 мкм. В то же время в этом же спектральном диапазоне происходит
возрастание глубины проникновения ПЭВ в воздушную среду от 0,5 до 25 мкм.
Учет спектральной зависимости глубины проникновения ПЭВ принципиален
с точки зрения выбора оптимального оптоэлектронного обрамления ПЭВ-дат-
чика.
Использование ПЭВ позволяет определять оптические константы массив-
ных металлических образцов в видимом диапазоне спектра. Эксперименталь-
ное исследование угловой зависимости коэффициента отражения p-поляри-
зованного излучения показывает, что она характеризуется провалом при угле
ср 0 с полушириной (р 0 .
Используя коэффициент преломления призмы пр, а также параметры <pQ и <pQ 5,
можно определять действительную и мнимую части волнового вектора ПЭВ:
= kQnp sin ^0,
(4.15)
k'x =Q,5konp<Po.5COS<P<>-
(4.16)
Присутствие на поверхности металлического волновода адсорбированных сло-
ев приводит к изменению характеристик ПЭВ, что позволяет создавать датчики
адсорбированных веществ.
4.3. Датчики физических величин
4.3.1. Датчики температуры
В настоящее время предложен и реализован практически целый ряд датчиков тем-
пературы, построенных на использовании различных физических эффектов и пред-
назначенных для различных областей применения.
При дистанционном контроле высокотемпературных процессов, например в
металлургии, источником информации о температуре контролируемого объекта,
может быть тепло самого разогретого материала. С учетом излучательной способ-
ности разогретого материала его температуру можно определить из спектрального
положения максимума излучения в соответствии с соотношением:
4= 2,9103/Г, (4.17)
где: длина волны и температура Тизмеряются соответственно в мкм и К.
В рассматриваемом случае оптическая схема датчика содержит световодную
линию, транслирующую излучение нагретого тела в высокотемпературной области
к блоку регистрации, который состоит из системы селективных оптических филь-
тров (либо монохроматора), приемника излучения в видер/я-ФД и системы обра-
ботки информации. Нижняя температурная граница при этом ограничена недо-
статочным оптическим пропусканием оптических волокон в ИК-области, а также
обнаружительной способностью приемников излучения для данного температур-
ного диапазона. Вместе с тем ФД на основе Si, Ge или фотосопротивления на основе
PbS дают возможность обеспечить температурный контроль в диапазоне от 400 до
2000 °C.
Сильная температурная зависимость спектрального положения края оптичес-
кого поглощения позволяет построить оптическую схему температурного датчика
на принципе оптического поглощения. Активным элементом датчика в данном
случае является кристалл полупроводникового материала, например GaAs. По во-
локоннному световоду к активному элементу датчика подводятся два световых по-
тока от сигнального СИД, излучающего надлине волны 0,87 мкм, и опорного СИД,
излучающего надлине волны 1,3 мкм. Спектральное положение светового потока
сигнального СИД близко к краю оптического поглощения GaAs, поэтому такое
излучение сильно поглощается в зависимости от температуры.
В то же время излучение надлине волны 1,3 мкм проходит кристалл GaAs прак-
тически без поглощения, поскольку энергия квантов существенно меньше шири-
ны запрещенной зоны GaAs. С помощью указанного датчика можно определять
температуру в диапазоне 30-300 К с точностью ± 0,5 К.
На различной температурной зависимости интенсивности флуоресцентного
излучения в различных спектральных областях основана оптическая схема флу-
оресцентного дачика температуры. Под действием УФ-излучения слой
(GdQ99 EuQQ])2O2S, нанесенный на торец световода, излучает как в сине-зеленой
(Л = 520 нм), так и в красно-оранжевой (Л = 620 нм) области спектра. При этом
коротковолновое излучение сильно зависит от температуры, тогда как длинно-
волновое излучение характеризуется слабой температурной зависимостью и вы-
полняет функцию опорного канала.С помощью этого датчика можно измерять
температуру в диапазоне — 50—200 °C с точностью ±0,1 °C.
В отличие от других температурных датчиков, например термопар, темпе-
ратурные ВОД могут применяться в диатерапии, когда датчик должен регист-
рировать температуру различных участков тела без изменения ее величины. В
ВОД это достигается за счет плохой теплопроводности волокна. Безусловны-
ми достоинствами ВОД являются их химическая инертность и малая постоян-
ная времени.
Применение ВОД с волокном в качестве чувствительного элемента позво-
ляет существенно повысить температурную чувствительность датчика при од-
новременном осложнении аппаратурного обрамления. В рассматриваемом
случае используется интерферометрический принцип детектирования сиг-
нала в оптической схеме интерферометра Фабри—Перо, которая содержит
одномодовый волоконный световод, на торцы которого напылены полупроз-
рачные зеркальные покрытия с высоким коэффициентом отражения. Изме-
нение температур приводит к термическому расширению или сужению во-
локон и изменению их коэффициента преломления, а это, в свою очередь,
сопровождается изменением интерференционной картины со скоростью
100 рад/мК.
ВОД с жидкой сердцевиной на основе гексахлорбутадиена могут использо-
ваться в качестве распределенных температурных ВОД. Принцип работы та-
ких ВОД основан на анализе формы отраженного сигнала, прошедшего через
волокно (OTDR). Жидкий наполни-
тель сердцевины характеризуется
сильной температурной зависимос-
тью коэффициента преломления, что
приводит к сложному профилю коэф-
фициента преломления по волокну,
повторяющего профиль распределе-
ния температуры.
Измерять величину температур-
ных изменений можно с помощью
ИОД на основе планарных интерфе- Рис. 4.2. Интегрально-оптический интерфе-
рометров Маха-Цендера и Майкель- рОметр Маха-Цендера.
сона. В случае интерферометра Маха-
Цендера (рис.4.2) соотношение меж-
ду входным и выходным сигналами дается выражением:
Р =Р [1+ qcos (knb AZT+ Фп)],
вых вх 1 ч \ о o,j’
(4.18)
где: А£ - разность длин плеч интерферометра, b — коэффициент модуляции.
Анализ показывает, что температурный интервал работы ИОД может быть
расширен до 700 °C при погрешности измерения температуры ± 210-30С.
4.3.2. Датчики электрических и магнитных полей
В настоящее время предложены и реализованы оптоэлектронные датчики, пред-
назначенные для измерения напряжения, тока и напряженности магнитного поля.
В основе проектирования датчиков напряжения лежит использование эффекта
Поккельса. В схеме с продольной модуляцией световой поток от СИД подводится
к поляризатору, проходит через активный элемент в виде электрооптического кри-
сталла, например на основе BGO или BSO, затем через анализатор, после чего он
регистрируетсяр/л-ФД, включенным в цепь регистрации фототока. Предложенная
схема позволяет измерять напряжение амплитудой от нескольких вольт до 200 В с
нелинейностью, не превышающей 0,1 %.
В поперечной схеме датчика с кристаллом LiNbO3 световой поток от СИД рас-
пространяется в кристалле в направлении /001/, а электрическое поле приклады-
вается в направлении /100/. Возникающая при этом разность фаз пропорциональ-
на детектируемому напряжению, длине оптического пути в кристалле и обратно
пропорциональна толщине активного элемента в направлении приложения поля.
Датчик позволяет измерять напряжение в диапазоне 0—200 В с погрешностью ±1 %.
Оптоэлектронные датчики измерения тока и напряженности магнитного поля
основаны на использовании эффекта Фарадея.
Функциональная схема ВОД, применяемая для детектирования тока или на-
пряженности магнитного поля представлена на рис. 4.3.
В рассматриваемом случае линейно-
поляризованное излучение от источни-
ка излучения (СИД или ЛД), прошедшее
через поляризатор, вводится в одномо-
довое волокно, намотанное на провод-
ник, по которому протекает электричес-
кий ток. Под действием магнитного поля
направление поляризации светового
пучка изменяется и через
призму Волластона подается на вход фо-
топриемника. Схема обеспечивает изме-
рение при комнатной температуре токов
в диапазоне от 50 до 1200 А с погрешно-
стью, не превышающей 0,25%.
Специальные прокладки между
многомодовым оптическим волокном и
катушкой позволяют существенно уве-
личить чувствительность датчика. Например, при использовании прокладок на
основе Ni чувствительность датчика длиной 10 см составляет 10-7 А, а при исполь-
зовании прокладок на основе fe80 В20 чувствительность датчика составляет 10-9 А.
Альтернативный вариант датчика измерения напряженности магнитного поля
можно построить, используя в качестве активного элемента магнитооптический
ротатор Фарадея (рис. 4.4).
Рис. 4.3. Схема ВОД на основе эффекта
Фарадея: 1 - источник излучения, 2 — по-
ляризатор, 3 — четвертьволновая пластина;
4 —проводник; 5 — призма Волластона; 6 —
фотоприёмный терминал.
В рассматриваемом случае световой
поток от СИД на основе GaAlAs по мно-
гомодовому волокну направляется к де-
тектирующему модулю, содержащему
ротатор Фарадея, с выхода которого он
идет к фотоприемному блоку. Магнито-
Рис. 4.4. ВОД на основе магнитооптическо-
го ротатора Фарадея: 1 — источник излуче-
ния; 2 — световод; 3 —микролинза; 4 — ро-
татор Фарадея; 5 — ФД; 6 — предусилитель;
7 — усилитель постоянного тока; 8 — уси-
литель переменного сигнала; 9 — делитель;
10 — выходной сигнал.
ностью не выше 0,25% и отношением
оптическим ротатором может служить
свинцовое стекло с нанесенным на его
поверхность поляризатором и анализа-
тором на основе пленок SiO2 /ТЮ2. При-
менение такого ротатора позволяет из-
мерять с помощью активного элемента
длиной 20 мм напряженность магнитно-
го поля в диапазоне 10—500 Э с нелин
сигнал / шум не менее 40 дБ.
Для детектирования электромагнитных излучений в радиодиапазоне (вплоть
до 1012 Гц) с успехом могут использоваться ИОД на основе интерферометра Маха —
Цендера. Достоинством таких датчиков является их очень большая чувствитель-
ность (на уровне 1 мВ/м)
4.3.3. Датчики механических величин
Оптоэлектронные датчики позволяют с высокой точностью контролировать давле-
ние, амплитуду сдвига и колебаний, ускорение, звуковое давление и т.д.
Для измерения давления может быть использована схема отражательного типа;
в ней к тонкостенной мембране подходит волоконный жгут, в котором часть воло-
кон подводит световой поток к отражающей поверхности мембраны, а другая часть
- отводит отраженный световой поток. При этом коэффициент связи между пере-
дающими и принимающими волокнами зависит от стрелы прогиба мембраны, де-
формируемой под действием измеряемого давления. Таким образом, амплитуда
измеряемого светового сигнала является практически линейной функцией давле-
ния. Чувствительность такого датчика составляет 2,7* 104 Па, что дает возможность
применять его в медицине, например для измерения давления крови.
Использование аналогичной отражательной геометрии позволяет также изме-
рять амплитуду сдвига и колебаний. При этом в области рабочих температур от —75
до +150 °C возможно измерение сдвига в диапазоне менее 100 мкм с разрешающей
способностью не хуже 0,014 мкм и нелинейностью ±5%.
Для измерения ускорения может быть использована схема с механической инер-
ционной частью, перекрывающей оптический путь светового пучка, проводимого к
активному модулю с помощью волоконной линии от источника излучения (СИД или
ЛД). В стационарном состоянии заслонка перекрывает примерно половину светового
пучка. Система позволяет измерять амплитуду ускорения в диапазоне от 0,1g до 40 g с
погрешностью не более ±5 %. Могут использоваться ВОД и в качестве гидрофона, при
этом минимальное измеряемое звуковое давление составляет 6* 103 мкПа.
4.3.4. Колориметрические датчики
Объективный колориметрический контроль является одной из важных техничес-
ких проблем, связанных, например с разработкой робототехнических комплек-
сов различного назначения. Кроме того, адекватная реализация быстродейству-
ющих колориметрических приборов решает и одну из проблем бионики: реали-
зацию с помощью технических средств функций «цветного» человеческого зре-
ния.
Известно, что для адекватного параметрического описания цветовых харак-
теристик зрения необходимы три типа фотоприемников, воспроизводящих ко-
лориметрические кривые И, И и И.
Один из вариантов конструкции колориметрического датчика предусмат-
ривает формирование на одной подложке трех фотоприемников, каждый из
которых содержит один из трех типов светофильтров (красный, зеленый или
голубой).
При конструировании цветового дискриминатора может быть использова-
на схема с ячейкой жидких кристаллов (ЖК) [ 2], работающей на эффекте двой-
ного лучепреломления и используемой в качестве перестраиваемого светофиль-
тра, а также кремниевый р/я-ФД. Спектральная зависимость интенсивности све-
тового пучка, проникающего через ЖК-ячейку, может быть представлена соот-
ношением:
I (Л) = / sin2 2<р sin2 (R/Л), (4.19а)
R = (ne-no)d, (4.196)
где: /0 (Л) —интенсивность падающего светового пучка, 2 — длина волны, ср - угол
(как правило равный 45 °C) между проекцией оси ориентации молекул ЖК на
межэлектродное направление и направлением поляризатора и анализатора, R-
разность оптических путей необыкновенного и обыкновенного лучей, характери-
зуемых соответственно коэффициентами преломления nQ unc,d — толщина ячей-
ки ЖК. За счет изменения напряжения на ячейке ЖК предоставляется возмож-
ность управления спектральной характеристикой /0 (2).
В рассмотренном колориметрическом дискриминаторе напряжение на ячей-
ке ЖК амплитудой 6 В изменяется с частотой 10 кГц: в течение 500 мс оно возра-
стает, после чего экспоненциально убывает в течение 1,5 с. Выходной ток ФД
преобразуется с помощью 1/Vпреобразователя, усиливается, затем преобразует-
ся с помощью АЦП и обрабатывается на компьютере. Эффект цветоразличения
достигается путем сравнения с характеристиками стандартного образца.
Еще один вариант колориметрического датчика может быть разработан с ис-
пользованием ФД на основе структур аморфного гидрированного кремния, рас-
смотренных достаточно подробно в главе 1.
И наконец, использование ФД на основе соединений Л3 ГР позволяет создать
триаду ФД со спектральными характеристиками,близкими к стандартным кри-
вым И, V , К без использования светофильтров [3].
4.3.5. Датчики ионизирующих излучений
При проектировании оптоэлектронных
датчиков ионизирующих излучений мо-
гут использоваться как эффект увеличе-
ния оптических потерь в волокне ВОД
под действием излучения, так и эффект
возрастания интенсивности сцинцил-
ляционного излучения. В первом случае
волокно обычно легируют примесями
Та, Sb, что обеспечивает практически ли-
нейное возрастание с дозой облучения
коэффициента поглощения на длине
волны 0,85 мкм в диапазоне доз от 1 до
104 рад.
Во втором случае может быть ис-
пользована специальная сцинциллиру-
ющая керамика, при этом в качестве фо-
топриемника может быть использован
прибор на основе аморфного гидриро-
ванного кремния.
Преимущество этого подхода заключается в том, что оптическая связь между
сцинциллирующей керамикой и фотоприемником улучшена. Детектирующая
структура состоит из пластины керамики Gd2 О2 S: Рг, Се, Fс нанесенными на нее
слоями аморфного гидрированного кремния, образующими фотодиодную струк-
туру. Как видно из рис. 4.5, спектр фоточувствительности ФД на основе аморфного
кремния имеет более узкополосный характер по сравнению со спектром ФД на
основе монокристаллического кремния и практически перекрывает спектр излу-
чения сцинциллятора, при этом чувствительность прибора не уступает ксеноново-
му ионизационному детектору.
Рис. 4.5. Спектр излучения сцинциллятора
(кривая 1) и спектры фоточувствительности
ФД на основе аморфного гидрированного
(кривая 2) и монокристаллического кремния
(кривая 3).
4.4. Прецизионные оптоэлектронные
сенсорные системы
4.4.1. Системы для аналитической спектроскопии
Использование оптоэлектронных датчиков перспективно в прецизионной анали-
тической спектроскопии, фундаментальной оптике, ядерной физике. Вместе с тем
развитие в указанном направлении предъявляет особые требования к параметрам
элементной базы современной оптоэлектроники. В частности, выдвигаются очень
жесткие требования к полуширине линии излучения современных ЛД. Значение
этого параметра на уровне 200 МГц считается неудовлетворительным.
С использованием ЛД на основе InGaAlP может быть реализована система оп-
тического детектирования (рис. 4.6) [4].
Рис. 4.6. Схема экспериментальной уста-
новки для получения сверхузкополосного
стимулированного излучения на основе ЛД
(а) и спектр выходного излучения (б).
Рис. 4.7. Спектры оптогальванической спек-
троскопии паров Ы при токе разряда катод-
ной лампы 4 (кривая А), 7 (кривая В) и 10 мА
(кривая С)
В схеме используются серийно вы-
пускаемые ЛД на основе /лСаЛ/Ртипа
TOLD 9211 без антиотражающих по-
крытий с максимальной выходной
мощностью, длиной волны и полуши-
риной линии излучения 4 мВт, 670 нм
и 200 МГц соответственно. Темпера-
турные флуктуации радиатора ЛД под-
держиваются на уровне не более 1 мК.
Излучение ЛД с помощью призмен-
ного расщепителя луча направляется
по двум каналам: по первому — на вне-
шнюю дифракционную решетку ДР
(900 штр/ мм) с пьезопреобразовате-
лем PZT-G, по второму — на конфо-
кальный резонатор Фабри—Перо с
пьезопреобразователем PZT-C. Пред-
варительное уменьшение ширины ли-
нии излучения осуществляется путем
обратной оптической связи по пучку
первого порядка, дифрагирующему от
внешней дифракционной решетки.
Прецизионная перестройка дли-
ны волны излучения реализуется с по-
мощью пьезопреобразователя PZT-C,
в то время как прецизионное умень-
шение ширины линии излучения осу-
ществляется за счет оптической обрат-
ной связи от резонатора Фабри-
Перо, при этом стабильность обрат-
ной связи контролируется с помощью
пьезопреобразователя PZT-cp.
Ширина такого узкополосного ис-
точника излучения может быть изме-
рена гомодинным методом с использо-
ванием оптического волокна длиной 2
км, при этом разрешающая способ-
ность составляет 50 кГц. В рассматри-
ваемой схеме диапазон грубой пере-
стройки составляет 3,3 ТГц, что дости-
гается одновременным изменением
угла поворота дифракционной решет-
ки и температуры радиатора (в диапа-
зоне 10—20 °C), при этом полуширина
линии лазерного излучения уменьшается до 60 МГц. После прецизионного
уменьшения ширины линии излучения ее величина может быть уменьшена до
50 кГц (рис. 4.6 б).
На рис. 4.7 представлены результаты оптогальванической спектроскопии
паров Ы с использованием узкополосных источников излучения.
В спектрах паров катодной лампы присутствуют линии Dx и Dr Длины волн
указанных линий хорошо известны: 670, 791 и 776 нм. Их четкое проявление
свидетельствует о том, что спектры зарегистрированы с высоким разрешени-
ем. Спектральное расщепление, представленное кривыми В иС связано с вли-
янием эффекта Штарка на сверхтонкие уровни энергии основного и возбуж-
денного состояний. Расщепление линии Z>2 на кривой С составляет 3 ГГц.
При анализе объектов, содержащих области с различными металлами,
при контроле диэлектрических покрытий очень перспективна ПЭВ-спект-
роскопия, основанная на анализе картины отраженного от поверхности све-
та, падающего под определенным углом к поверхности исследуемого объек-
та. В этом случае контраст в регистрируемом растре определяется как резо-
нансным провалом, так и смещением его минимума на неоднородном участ-
ке структуры. Эффективность этого метода была продемонстрирована на при-
мере детектирования одного монослоя липида (2,5 нм) на поверхности се-
ребра.
Альтернативный метод микроскопии основан на детектировании с помо-
щью лазерного интерферометра микросмещений, индуцируемых лазерным из-
лучением [5].
В рассматриваемом случае полупроводниковый ЛД, излучающий надлине
волны 807 нм (Р = 50 мВт) используется в качестве источника излучения, ин-
тенсивность которого модулируется с частотой F. Лазерный пучок фокусирует-
ся на поверхность образца, которая периодически нагревается лазерным лу-
чом, что вследствие эффекта термоупругости приводит к смещению участков
поверхности образца. Это смещение измеряется с помощью лазерного интер-
ферометра гетеродинным методом.
В рассматриваемом случае в качестве «считывающего» луча используется
излучение Не—Ае-лазера, которое разделяется на два пучка. С помощью акус-
тооптического модулятора возбуждаются частоты Fx и Fx +Fb. Пучок с частотой
F} проходит через дихроическое зеркало, фокусируется на поверхность образ-
ца и отражается от нее. Второй пучок с частотой F} + Fb отражается от конт-
рольного зеркала. Зондирующий пучок с частотой, отличающейся от F} на ве-
личину допплеровского сдвига, вследствие колебаний поверхности интерфе-
рирует с опорным пучком и подается нарш-фотодиод. Детектируемая ампли-
туда колебаний поверхности образца в полосе частот 1 Гц составляет в рас-
сматриваемом случае 1 пм. С помощью указанного метода могут быть проана-
лизированы характеристики тонких металлических пленок. Кроме того, на
примере профилированной пленки SiO2, нанесенной на поверхность Si и
маскированной слоем А1, продемонстрированы «просвечивающие» возможно-
сти метода для анализа скрытых слоев.
Рис. 4.8. Зависимость четвертьволнового
напряжения Vp от зазора h в структурах на
основе KDP (кривая 1), Li Та О3 (кривая 2)
и LiNbO3 (кривая 3).
Разработка прецизионных бескон-
тактных измерительных систем, позво-
ляющих проводить анализ в различных
микроэлектронных приборах, играет
принципиальную роль и в современной
микроэлектронной технологии.
Один из чрезвычайно интересных и
высокоразрешающих методов для этих
целей основан на использовании элект-
рооптических материалов в качестве
датчика, а также быстродействующего
лазера в качестве источника возбужде-
ния [6]. С учетом использования быст-
родействующего лазера на красителях
материалу датчика предъявляются сле-
дующие требования: электрооптичес-
кий материал должен быть прозрачен
вблизи Л = 600 нм, обладать большим
электрооптическим коэффициентом, малой диэлектрической постоянной и ма-
лым коэффициентом преломления; одновременно с этим должно отсутствовать
поглощение в ИК-области; электрооптический коэффициент должен обладать сла-
бой температурной зависимостью и, наконец, материал должен обладать устойчи-
востью к воздействию оптического излучения. Наилучшим образом этим требова-
ниям удовлетворяют ЫТаО3
В соответствии с теоретическим анализом минимальное детектируемое напря-
жение определяется соотношением:
Рис. 4.9. Зависимости V (кривые 1,2) и I
(кривые Г, 2') от h в структурах на основе
KDP (кривые (1, Г) и LiNbO (кривые 2, 2 ).
<1ь
~ , (4.20)
lavg
где: Vn — полуволновое напряжение, i
— средний фототок, qn — заряд электро-
на. Типичные зависимости К,от зазора
между датчиком и поверхностью образ-
ца приведены на рис. 4.8.
На рис. 4.9 приведены зависимости
Vmin и амплитуды сигнала от h.
С учетом представленных зависимо-
стей и амплитуды сигнала от h осо-
бое внимание должно уделяться преци-
зионному позиционированию датчика
на расстоянии порядка 1 мкм, при этом в
оптимальном случае вольтовая чувстви-
тельность может составлять 1 мВ/ Гц1/2, а
временное разрешение 0,4 пс.
4.4.2. Многоэлементные сенсоры
В последнее время проявляется все большая потребность в различных системах
ИК-видения для таких областей, как слежение за движущимися объектами, кри-
миналистика, медицина,измерение температуры в условиях производства. Одним
из перспективных вариантов решения этой проблемы является использование ба-
рьеров Шотки [7].
Размер поля изображения таких тепловизионных матриц может составлять
13,6x10, 2 мм, при этом в матрице с числом элементов 324x427 размер элемента
изображения в горизонтальном и вертикальном направлении может быть равен со-
ответственно 42 и 21 мкм. В этом случаеях используется перекрестная коммутация,
при которой для обеспечения инжекции заряда верхняя и нижняя части вертикаль-
ных ПЗС-регистров соединены соответственно с верхним и нижним концами гори-
зонтальных ПЗС-регистров.При работе в телевизионном стандарте NTSC на сосед-
ние по вертикали диоды последовательно воздействует пространственно неодно-
родное световое поле. Одновременно с этим в неперекрестном режиме работы фото-
сигналы от двух соседних по вертикали ФД суммируются в вертикальном ПЗС-реги-
стре. В этом режиме, предназначенном для измерения температуры в реальном мас-
штабе времени, размер элемента изображения составляет 42x42 мкм.
ФД на основе барьера Шотки периодически подключается полевым транзис-
тором (ПТ) к вертикальному ПЗС-регистру. Поликремниевые затворы использу-
ются как затворы ПЗС, так и затворы ПТ. Генерируемый ИК-излучением заряд
такого диода хранится в емкости, соединенной параллельно с ФД. После периода
интеграции длительностью 33 мс заряд переносится через канал под затвором ПЗС-
регистра. ФД представляет собой диод Шотки на основе силицида платины, изго-
товленный путем испарения Pt с ее последующим вжиганием. Для увеличения эф-
фективности фотопреобразования толщина силицида выбирается равной 10 нм.
Нанесенная на верхнюю поверхность кристалла пленка А1 отражает прошедший
через него световой поток. При оптимальной толщине пленки SiO2 (1 мкм) эффект
многопроходности ИК-излучения в кристалле позволяет вдвое увеличить эффек-
тивность фотопреобразования.
Кристалл с фоточувствительной матрицей монтируется лицевой поверхнос-
тью на кремниевую монтажную площадку, краевая область которой используется
для разводки контактов. Это позволяет исключить термические напряжения, свя-
занные с различием коэффициентов температурного расширения сопрягающихся
материалов, а также обеспечивает лучший теплоотвод от кристалла.
Длинноволновый край спектральной чувствительности прибора располагается
при Л = 5,9 мкм и высоте барьера Шотки 0,32 эВ. Квантовая эффективность преоб-
разования составляет при Л = 3 и 5 мкм соответственно 0,8 и 0,01 %. При комнатной
температуре температурная чувствительность прибора равна 8,2 мВ/K. С учетом
среднеквадратичной амплитуды шума 1 мВ разрешающая способность прибора
составляет 0,1 К.
Интенсивная разработка различных типов многоэлементных сенсорных фор-
мирователей изображения привела к возможности реализации тепловизионных
изображений с высоким разрешением. Существенным шагом в этом направле-
нии явилась разработка биполярного матричного сенсора с хранением заряда в
базе (BASIS) и информационной емкостью 310 103 элементов [8]. Достоинством
такого прибора является внутреннее усиление сигнала за счет использования
биполярных фототранзисторов, а также за счет уменьшения уровня шума в каж-
дой ячейке.
Разработка высокочувствительных формирователей изображения связана пре-
одолением ряда трудностей: во-первых, в каждой ячейке должен присутствовать
р-канальный МОП ПТ; во-вторых, должны быть обеспечены условия антиблю-
минга, т. к. расплывание изображения, связанное с избытком накопленного за-
ряда, является одним из недостатков ПЗС-приборов. Расплывание изображения
в сенсорных формирователях изображения типа BASIS возникает в случае чрез-
мерно интенсивной световой засветки. Третьей трудностью является проявление
шума с селективной спектральной характеристикой. Преодоление перечислен-
ных выше трудностей позволило разработать многоэлементный сенсор с форма-
том 640x490 ячеек.
Альтернативный подход создания многоэлементных сенсоров основан на ис-
пользовании ПТ с ри-переходом (ПТП) [9]. В данном случае для улучшения фун-
кциональных характеристик устройства используется оригинальный метод сбро-
са заряда фотоячейки. Как показал анализ работы прибора, с увеличением уров-
ня сигнала уровень шумов также падает, что особенно важно при детектировании
слабых сигналов. Вместе с тем для предотвращения эффекта послесвечения необ-
ходима подача некоторого смещения. При этом величина заряда, возникающего
при смещении, выбирается на основе компромисса между влиянием послесвече-
ния и уровнем шумовых характеристик.
4.5. Оптоэлектронные датчики в системах химического,
биохимического и медицинского анализа
4.5.1. Оптоэлектронные датчики содержания химических веществ
Оптоэлектронные схемы, измеряющие ослабление светового пучка в оптически
прозрачных средах, могут быть использованы для создания датчиков, определяю-
щих как вид, так и концентрацию различных примесей, что имеет принципиаль-
ное значение для контроля различных технологических процессов и решения эко-
логических задач. Спектральный диапазон от 0,9 до 3 мкм чрезвычайно интересен
для прикладной спектроскопии, поскольку в этой области сосредоточено большое
количество специфических для химических соединений линий поглощения. Наи-
большего внимания, по-видимому, заслуживает диапазон от 1 до 1,7 мкм. В этой
области спектра в качестве излучателей могут быть использованы эффективные
излучающие диоды и гетеролазеры на основе твердых растворов InGaAsP, изопери-
одических InP, технология изготовления которых достаточно хорошо разработана.
Спектральное положение полос поглощения ряда химических веществ приведено
в таблице 4.2.
Таблица 4.2. Спектральное положение полос поглощения ряда химических
веществ.
Химическое вещество
Спектральный диапазон
селективного поглощения, мкм
Пары воды в атмосфере 1,10; 1,38
со2 1,4; 1,6
no2 1,25
1,26; 1,7
Вода в углеводородах 1,4
Вода в карболовых кислотах 1,4
Амины в углеводородах 1,5
Бензины в углеводородах 1,2
Олефины в углеводородах 1,62
Спирты в кислотах 1,4
Спирты в стекловолокне 1,24; 1,39
Спирты в углеводородах 1,4
Излучатели (ИД и ЛД) на основе InGaAsPмогут быть использованы для анализа
содержания паров воды, что представляет несомненный практический интерес, в
частности, для металлургии (например при получении АГ).
Элементная база на основе InGaAsP может быть также использована для разра-
ботки газоанализаторов содержания метана в атмосфере, что важно для обеспече-
ния безопасных условий работы во взрывоопасных газовых средах. Присутствие
СЯ4 приводит к появлению серии линий поглощения вблизи 2 = 1,3 мкм, причем
максимальное поглощение достигается при 2= 1,331 мкм. Использование такого
датчика позволяет измерять содержание метана с парциальным давлением 270 Па,
что в 20 раз меньше взрывоопасного уровня.
Широкие возможности для детектирования различных химических веществ
открывают ИОД. В этом случае на поверхность волноводного слоя ИОД наносится
тонкий слой химического вещества, вступающего в химическую реакцию с детек-
тирующим реагентом. Принцип действия такого ИОД основан на том, что контак-
тирование верхнего слоя с реагентом приводит к изменению эффективного показа-
теля преломления волновода. При этом информацию дает угол возбуждения вт
или длина распространения волноводной моды Rm. Дальнейшего повышения чув-
ствительности ИОД можно добиться, если чувствительным элементом сделать не
волноводный слой, а например, устройство ввода излучения в структуру. В частно-
сти, устройство ввода в виде дифракционной решетки, сформированной в
SiO2 /TiO2, позволяет детектировать изменение толщины адсорбированного слоя
протеина с точностью 0,04 нм.
Анализ химических веществ с успехом можно проводить с помощью и ПЭВ-
ИОД. В этом случае использование тонкого слоя серебра (= 50 нм), нанесенного на
стеклянную подложку и содержащего на поверхности тонкую пленку органического
7—2735
адсорбента, позволяет детектировать малые концентрации газа с парциальной кон-
центрацией менее 1%. При этом изменение массовой концентрации детектируе-
мого газа на 10-6 приводит к изменению угла возбуждения ПЭВ на 10-5 град.
ПЭВ-ИОД позволяют измерять концентрацию химических веществ при тех-
нологическом контроле. Например, точность определения содержания Н2О в эта-
ноле с помощью указанных датчиков не хуже 1 %.
4.5.2. Оптоэлектронные датчики в биохимических
и медицинских системах
Биохимические и медицинские системы являются одними из важных областей
применения различных типов оптоэлектронных датчиков.
В частности, рассмотренные выше ПЭВ-ИОД могут быть с успехом использо-
ваны для исследования взаимодействия антител /-глобулина и его антигена, при
этом возможно детектирование антигенов с концентрацией 2*10-8 г/см3.
Селективные особенности спектральной зависимости коэффициента отраже-
ния красных кровяных телец, в различной степени насыщенных кислородом, по-
зволяют использовать ВОД отражательного типа в качестве медицинского датчика.
В рассматриваемом случае по двум входным волокнам трехволоконного световода к
анализируемому объекту поступают световые потоки от СИД, излучающих в оран-
жево-красной (Л = 620 — 650 нм) и ближней ИК-области спектра (Л = 800 — 850 нм).
В рассматриваемом случае И К-излучение используется в качестве опорного сигна-
ла, поскольку отражение в этом диапазоне не зависит от содержания кислорода в
крови, в то время как отражение в оранжево-красной области спектра возрастает по
мере уменьшения содержания кислорода в крови. Отраженный пучок излучения
по третьему волокну подводится к р/и-ФД и регистрируется. На этом принципе
могут быть построены медицинские ВОД содержания и других химических веществ
в крови.
10
Схема экспериментальной установки для проведения медицинских
и биохимических анализов: 1 — лазер; 2 — линза; 3 — зеркало;
4 — световод; 5 — исследуемая среда; 6 — фильтр; 7 — монохроматор;
8 - ФЭУ; 9 — счётчик фотонов; 10 — компьютер.
Мощным инструментом для проведения биохимических и медицинских ис-
следований является использование ВОД на основе световода с утечкой [ 10]. Прин-
цип функционирования одной из таких систем основан на возбуждении с помо-
щью Лг-лазера и регистрации флуоресценции в слоях, адсорбированных на повер-
хности обнаженной сердцевины световода, который помещен в камеру с исследуе-
мой средой. В рассматриваемом случае на разрешающую способность датчика вли-
яют коэффициент связи сердцевины световода и адсорбированного слоя, внутрен-
няя фоновая засветка световода, коэффициент поглощения в адсорбированном слое
и коэффициент собирания флуоресценции. Установлено, что максимальная вели-
чина сигнала достигается при равенстве коэффициентов преломления сердцевины
световода и адсорбированного слоя. Схема экспериментальной установки приве-
дена на рис. 4.10.
В рассматриваемой экспериментальной установке используются: Лг-лазер в ка-
честве источника возбуждения (Л = 488 нм), фокусирующая оптика, монохрома-
тор, световод длиной 60 см, система регистрации флуоресценции на основе ФЭУ.
При этом детектирование исследуемого вещества осуществляется из раствора, в
который помещают световод с обнаженной сердцевиной.
Волоконно-оптические системы могут использоваться, например, и для мони-
торинга процесса удаления артериальной стенки [11]. В рассматриваемом случае в
качестве источника возбуждения используется эксимерный АеСУ-лазер, излучаю-
щий на длине волны 306 нм, излучение которого модулируется с частотой 20 Гц.
Плотность оптической энергии на выходе световода достигает 50 мДж/ мм2. Одно-
временно в схеме используются кварцевый световод с диаметром 600 мкм и фильтр
с областями пропускания при Л =355, 420 и 470 нм. С выхода монохроматора све-
товой пучок флуоресценции поступает
пользованием такой эксперименталь-
ной системы установлено, что здоровые
и больные участки артерии имеют раз-
личный характер флуоресценции.
Пример реализации другой меди-
цинской системы, обеспечивающей оп-
ределение и контроль температуры ме-
таллического наконечника лазерного
зонда, представлен на рис. 4.11 [ 12].
В рассматриваемой системе метал-
лический наконечник лазерного зонда,
имеющий диаметр 2,5 мм, закреплен на
сердцевине световода диаметром 600
мкм. Тепловое излучение нагретого зон-
да вводится в световод, с выхода которого
оно фокусируется на дихроическое зерка-
ло, отсекающее коротковолновое фоновое
излучение. После прохождения полосо-
вого фильтра, излучение регистрируется
на регистрирующую матрицу ФД. С ис-
Рис. 4.11. Схема медицинского зонда с во-
локонно-оптическим датчиком температу-
ры: 1 — схема управления; 2 —усилитель;
3 — линза; 4 — полосовой фильтр; 5 — дихро-
ическое зеркало; 6 — диафрагматор; 7 — ла-
зер; 8 — световод; 9 — металлический зонд.
с помощью ФД1. Для модуляции Лг-лазера, нагревающего зонд, используется вы-
сокоскоростной модулятор. По каналу обратной связи часть излучения лазера
регистрируется с помощью ФД2, усиливается и подается на первый канал сравне-
ния блока регулировки. На второй канал этого же блока подается сигнал от ФД 1.
Блок регулировки изменяет частоту модуляции лазера с тем, чтобы обеспечить
стабилизацию температуры зонда. Система обеспечивает температуру зонда в
диапазоне 200—600 °C с разрешением 1оС и точностью стабилизации температу-
ры ± 10 °C.
Другим примером является волоконно-оптическая система ИК-диагностики
для урологии, которая позволяет предотвратить поражающее действие лазерного
излучения в процессе удаления отложений. В рассматриваемом случае источни-
ками возбуждения служат лазеры на основе СО-лазер (Л = 5,4 мкм) и СО2-лазер (Л
= 10,2 мкм) с мощностью излучения соответственно 8 и 3,4 Вт. Тепловое излуче-
ние от исследуемого объекта отводится по трехволоконному световоду на основе
AsSe с диаметром сердцевины 400 мкм и длиной 30 см, либо по одноволоконному
световоду на основе AsSe с диаметром сердцевины 700 мкм и длиной 15 см. С
выхода световода излучение фокусируется линзой из BaF2 и детектируется с по-
мощью высокочувствительного детектора на основе Hg£dTe и осциллографа. Раз-
личие времен спада теплового излучения от здоровой ткани и различных видов
отложений позволяет надежно проводить диагностику с использованием рассмот-
ренной системы.
4.6. Проблемы разработки оптоэлектронных
датчиков
В разработке оптоэлектронных датчиков как в фокусе сходятся проблемы много-
уровневого проектирования, что уже подчеркивалось в преамбуле к этой книге,
включая материаловедческие, приборные, оптические и схемотехнические ас-
пекты. С учетом целевого назначения датчика и технических требований к нему
это сводится к вопросам разработки концепции датчика (выбор типа датчика и
физического механизма его функционирования), выбора оптимальной стандарт-
ной элементной базы или разработки специализированных приборов, оптими-
зации конструкции устройства, его оптики и схемотехники, а также необходи-
мой корректировки с учетом данных по разрешающей способности и характери-
стики линейности.
Проиллюстрируем это применительно к нескольким типам датчиков рядом
примеров.
4.6.1. Спектрофотометрические датчики
для прикладной спектроскопии
Как уже отмечалось ранее, ближний ИК-диапазон спектра чрезвычайно богат спек-
троскопической информацией, позволяющей идентифицировать тип и содержа-
ние различных химическиех веществ в прозрачных средах.
Наше рассмотрение начнем с рас-
смотрения датчиков, работающих в гео-
метрии пропускания. В качестве приме-
ра рассмотрим сначала детектирование
воды. Присутствие в воздухе паров воды
приводит к появлению серии резких ли-
ний поглощения вблизи Л = 1,4 мкм
(рис. 4.12) [14].
Рисунок 4.12 демонстрирует, каким
образом присутствие паров воды дефор-
мирует спектр регистрируемого излуче-
ния. В данном случае степень дефор-
мации спектра излучения и ослабление
его интенсивности несет информацию
о величине поглощения на парах воды,
что может быть связано с концентра-
цией паров.
Для повышения разрешающей спо-
собности датчика необходимо макси-
мально возможное совпадение спектра
зондирующего излучения со спектром
поглощения детектируемого вещества. В
свою очередь, для этого необходимо со-
ответствие максимумов и значений по-
луширины наиболее интенсивной поло-
сы поглощения и спектра зондирующе-
го излучения.
В рассматриваемом случае первое ус-
ловие может быть реализовано за счет
оптимального подбора состава активной
области ИД на основе InGaAsP. Уменьшения же полуширины спектра зондирующе-
го излучения можно добиться за счет дополнительной селективной оптической
фильтрации излучения ИД.
В альтернативном варианте в схеме датчика могут использоваться ЛД на основе
InGaAsP. обладающие намного более узкополосными спектрами излучения.
В качестве фотоприемников в рассматриваемом случае могут быть выбраны
приборы на основе InGaAsP или Ge.
Уже после выбора активных элементов датчика встает задача оптимизации его
конструкции. С одной стороны, сточки зрения компактности датчик должен иметь
минимальные размеры. С другой же стороны, для повышения чувствительности
прибора с учетом достаточно малой величины коэффициента оптического погло-
щения должна быть обеспечена достаточно большая величина оптического пути
для зондирующего излучения. Компромисс между этими двумя требованиями
может быть найден при использовании кассетной конструкции, обеспечивающей
зигзагообразное распространение зондирующего излучения между ИД и ФП.
Рис. 4.12. Спектр пропускания воздуха в
области вблизи 1 = 1,4 мкм (кривая 1) и спек-
тры излучения ИД на основе InGaAsP (кри-
вые 2,3), модулированные за счёт селектив-
ного поглощения парами воды.
Рис. 4.13. Спектры оптического поглоще-
ния водных растворов Н2 SO4 с различной
концентрацией воды вблизи X = 1,45 мкм.
В том случае, когда в силу специ-
фики контролируемого объекта невоз-
можно использование геометрии с от-
крытым каналом может быть использо-
вана схема с волоконно-оптическим вво-
дом и выводом излучения. Остановим-
ся на этом вопросе более подробно на
примере оптоэлектронного датчика
контроля состояния электролита в свин-
цово-кислотном аккумуляторе [15].
В рассматриваемом случае информа-
цию о том заряжен или разряжен аккуму-
Рис. 4.14. Теоретическая (верхняя кривая) и
экспериментальная (нижняя кривая) зави-
симости поглощения от концентрации воды.
Анализ показывает [15], что в рассма
лятор можно получить по измерению кон-
центрации воды в Н2 SO4 по спектрам оп-
тического поглощения в ИК- области, что
иллюстрируется рисунком 4.13[15].
В рассматриваемом случае достаточ-
но сильное изменение поглощения до-
стигается уже при длине оптического
пути всего в 1 мм. В то же время возни-
кают определенные проблемы с линей-
ностью детектирования, что иллюстри-
руется рисунком 4.14.
Из представленных зависимостей
видно, что поглощение монотонно воз-
растает с концентрацией воды, но зави-
симость носит нелинейный характер,
иваемом случае коэффициент поглоще-
ния «связан с концентрацией pwсоотношением:
а~ Pw 2У/П1
(4.21)
Здесь — коэффициент преломления. При этом для пх и справедливы соот-
ношения:
п= -0,239 р2+ 0,202 р +1,371.
= -0,622 р 2 + 0,499 р + 1,902,
(4.22)
(4.23)
Приведенные соотношения могут быть использованы для коррекции регист-
рируемого сигнала в блоке обработки информации с целью получения объектив-
ной информации о степени концентрированности электролита.
С точки зрения приборной реализации в рассматриваемом случае также воз-
можно использование ИД на основе InGaAsP и ФД на основе либо InGaAsP, либо Ge.
В то же время для решения ряда задач
прикладной спектроскопии необходи-
ма разработка специализированной эле-
ментной базы с использованием других
полупроводниковых структур.
Например, для решения проблем
проектирования различных типов газо-
анализаторов принципиальное значе-
ние имеет более широкий спектраль-
ный диапазон Л = 1 — 5 мкм, что иллюс-
трируется рисунком 4.15[ 16].
В соответствии с представленными
данными при создании эффективных
излучателей с Л = 1-2 мкм предпочти-
тельно использовать изопериодичес-
кие твердые растворы GaAsSb/AlGaAsSb,
для перекрытия спектрального диапа-
зона Л = 2 — 3 мкм — твердые растворы
InGaAsSb/GaSb, для реализации эффек-
тивной электролюминесценции в спек-
тральном диапазоне Л = 3 — 5 мкм —
InPAsSb/ InAsSb/InGaSb.
Другим важным типом спектрофо-
тометрических датчиков являются лю-
минесцентные датчики. К их числу от-
носится уже рассмотренный ранее тем-
пературный датчик, в котором корот-
коволновое излучение люминофора на
основе [(GdQ 99 £«0 01)2 О2 5] возбуждает-
ся УФ-излучением (рис. 4.16).
В рассматриваемом случае флуорес-
центное излучение характеризуется се-
рией резких линий, при этом излуче-
ние при Л = 510 нм (J3) обладает резкой
температурной зависимостью, в то вре-
мя как излучение при Л = 630 нм (а)
сравнительно слабо зависит от темпе-
ратуры. При этом соотношение сигна-
лов на двух длинах волн (Р/а) несет ин-
формацию о температуре и может быть
использовано для ее определения. В
связи с этим с точки зрения повыше-
Рис. 4.15. Диаграмма спектральных диапа-
зонов, перекрываемых излучением ИД на ос-
нове многокомпонентных твёрдых растворов:
1 — GaAsSb- AlGaAsSb; 2 — InGaAsSb-GaSb;
3 — InPAsSb- InAsSb-InGaSb; 4 — InGaAsSb- InAs;
5 - AlGaAsSb- AlGaSb; 6 - InGaAsP-InP. В и Г
— области сильного селективного поглоще-
ния на папах воды и молекулах газов.
□
Рис. 4.16. Спектры возбуждения и люминес-
ценции люминофора [(Gd099 Еи00)2 О2 5] в
температурном датчике. На вставке: тем-
пературные зависимости интенсивности
линий а, р и их отношения р/а.
ния разрешающей способности датчика принципиальное значение имеет спект-
ральная развязка источника УФ-возбуждения и регистрируемого излучения. В свя-
зи с этим необходимо максимально возможное подавление излучения источника
зондирующего излучения в спектральной области регистрации (а- и /?-линии). Од-
новременно с этим в канале регистрации должны быть использованы фотоприем-
ники с селективной спектральной характеристикой, захватывающей а- и Д-облас-
ти, которые были бы нечувствительны к зондирующему излучению.
Использование люминофоров в рассмотренном случае является далеко не еди-
ничным случаем. Этот класс материалов в настоящее время широко используется в
современной оптоэлектронике. Достаточно напомнить рассмотренные в главе 3
люминофоры, используемые для модификации цветовых характеристик нового
поколения СИД с повышенной яркостью, люминесценцию, связанную с ионами
Сг в подложках сапфира и возбуждаемую первичным излучением структур на осно-
ве GaN. также рассмотренную в главе 3. Для приведенных выше примеров характер-
ным является то, что для возбуждения люминесценции используется более корот-
коволновое первичное излучение (т.е. реализуется схема наиболее широко прояв-
ляющейся люминесценции с понижением частоты).
В то же время современная оптоэлектроника использует и другой класс люми-
нофоров, обеспечивающих оптическое преобразование с повышением частоты в
т.н. антистокосовых люминофорах. В связи с тем, что само по себе это явление
представляет большой интерес с физической и практической точек зрения рас-
смотрим его более подробно. Обзор литературы по этому вопросу можно найти в
монографии А. Брега и П. Дина ссылка, на которую приводится в конце.
Поглощение кванта
ИК-излучения
Излучение кванта
света активатором
Излучение кванта
ИК-излучения
активатором
Поглощение кванта
ИК-излучения
Рис. 4.17. Схема процессов при преобразовании ИК-излучения
в видимый свет в антистоксовых люминофорах.
При преобразовании ИК-излучения в видимый свет происходит многокванто-
вый процесс возбуждения среды, содержащей две системы ионов. Одна из них на-
зывается сенсибилизатором, а другая — активатором. Эти системы иногда называ-
ют двухфотонными люминофорами, так как в них происходит суммирование энер-
гии двух квантов с последующим испусканием квантов видимой люминесценции.
Процессы, происходящие при преобразовании ИК-излучения в видимый свет
схематически иллюстрируются рис. 4.17.
В рассматриваемом случае имеют место процессы переноса энергии от сенси-
билизатора к сенсибилизатору с вероятностью Р , от сенсибилизатора к активато-
ру с вероятностью Ра, а также конкурирующие процессы генерации ИК — излуче-
ния (Psr,Par) и генерации света в видимой области спектра ионами активатора с
вероятностью Р\
В качестве сенсибилизатора и активатора используются, как правило, ионы редко-
земельных элементов: УЬ3+ (сенсибилизатор), Ег3+, Но 3+, Тт3+ (активатор).
В то же время на положение энергетических уровней редкоземельных ионов
оказывает влияние кристаллическая основа: от взаимодействия ионов
с решеткой сильно зависят вероятности переходов между соседними уровнями.
Вероятно, в этом направлении и лежит основной путь разработки эффективных
антистоксовых люминофоров.
Диаграммы энергетических уровней сенсибилизатора в виде Yb3+ и активатора
в виде Ег3+, а также соответствующие оптические переходы иллюстрируются ри-
сунком 4.18.
Рис. 4.18. Диаграммы энергетических уровней и оптические переходы в системе
сенсибилизатор-активатор антистоксовых люминофоров.
С учетом краткого анализа процессов в антистоксовых люминофорах следует
подчеркнуть несколько важных для нас моментов.
Во-первых, конкуренция различных оптических процессов должна приводить к од-
новременному проявлению в спектрах люминесценции целой серии линий излучения.
Во-вторых, поскольку при разумных условиях возбуждения, реализуемых в оп-
тоэлектронных приборах, имеет место двухфотонный процесс преобразования,
следует ожидать квадратичную зависимость интенсивности антистоксовой люми-
несценции от уровня возбуждения.
Спектры возбуждения антистоксовой люминесценции принципиально важны
для оптимального проектирования оптоэлектронных датчиков этого типа люми-
нофоров, поскольку именно они определяют требования к источнику возбуждаю-
щего излучения.
С учетом того, что в данном случае переходы происходят между дискретными
уровнями, следует ожидать, что спектры поглощения должны носить селективный
характер, при этом в них должна проявляться тонкая структура.
Такой характер спектров поглощения в действительности имеет место, что ил-
люстрируется рис. 4.19.
На этом рисунке приведены спектры поглощения Yb3+ в в различных фторидах.
Здесь же для сравнения приведен спектр электролюминесценции ИД на основе
GaAs: Si.
Из представленных спектров видно, что материал кристаллической основы, в
которую внедрены ионы Yb, влияет на характер тонкой структуры спектров возбуж-
дения антистоксовой люминесценции.
В то же время существенным является то, что полоса примесного поглощения
сосредоточена в спектральном интервале 900—1100 нм, при этом максимальное
значение коэффициента поглощения составляет 30—60 см-1.
Характерные особенности антистоксовой люминесценции до некоторой сте-
пени также определяются кристаллической основой. Как и в спектрах поглощения
сенсибилизатора энергия отдельных линий люминесценции активатора изменя-
ется незначительно, так как переходы происходят внутри незаполненной 4/- подо-
болочки редкоземельных ионов, хорошо экранированной от окружающих ионов
решетки заполненными 5s- и 5/-подоболочками. В то же время относительные ин-
тенсивности отдельных линий в спектре люминесценции типичного активатора
сильно зависят от природы окружающих ионов.
Как показывают результаты наших исследований (рис. 4.20), спектры регист-
рируемого сигнала в схеме датчика (возбуждающий диод/люминофор/фотопри-
емник) содержат серию резких линий в зеленой и красной областях спектра. При
этом антистокосовая люминесценция характеризуется достаточно большой инер-
ционностью (т = 0,5/1,5 мс)
Одновременно с этим следует отметить проявление в спектре регистрируемого
сигнала наличие широкополосной компоненты в длинноволновой области, которая
может быть связана с зондирующим излучением. Несмотря на то, что по своему
спектральному положению длина вол-
ны в максимуме излучения возбуждаю-
щего ИД (Л = 930—950 нм) достаточно
далеко отстоит от видимой области спек-
тра, коротковолновый край очень интен-
сивного зондирующего излучения мо-
жет простираться вплоть до области ан-
тистоксовой люминесценции и накла-
дываться на сигнал, что может привести
к ухудшению разрешающей способнос-
ти датчика.
С учетом того, что интенсивность
регистрируемого сигнала (в особенно-
сти в области малых уровней возбужде-
ния) на несколько порядков величины
меньше интенсивности зондирующего
излучения, особую остроту приобрета-
ет вопрос оптической развязки зонди-
рующего излучения и регистрируемого
сигнала, что предъявляет особые тре-
бования к каналу регистрации.
J.Or 5f6
552
|«5
S
100
900 950 1000
Длина волны, нм
Рис. 4.19. Спектры поглощения редкозе-
мельных ионов, люминесценции возбужда-
ющего ИК-ИД и схематическое изображе-
ние ИД с антистокосовым люминофором.
666
Рис. 4.20. Спектр ре-
гистрируемого сиг-
нала в геометрии
возбуждающий ИК-
ИД / антистоксов
люминофор / фото-
0.0
659
527
470 520 570 620 670 720 770 820
приемник.
Длина волны, нм.
Одним из радикальных средств решения указанной проблемы является исполь-
зование специализированных фотоприемников, нечувствительных к ИК-излучению.
4.6.2. Волоконно-оптические датчики
Распространение света
Упоминавшийся в предыдущем разделе
оптоэлектронный датчик состояния ак-
кумулятора может быть спроектирован
в виде ВОД с обнаженной сердцевиной,
в котором электролит образует обклад-
ку с оптическими потерями. Рассмот-
рим несколько подробнее такую схему
датчика. Но прежде всего остановимся
на принципе распространения света в
волоконном световоде, иллюстрируемом рис.4.21.
В соответствии с законом Снелля:
sin 0Х = п2 sin 02
(4.24)
Для луча, приходящего из среды с показателем преломления пх в среду с пока-
зателем преломления п2 и падающего под углом 0Х к нормали к границе раздела
двух сред, 02 является углом преломления. При п2 < пх с увеличением 6} имеется
некоторый критический угол 0, при котором 0= 90° и, если 0 х > 0 2луч будет
полностью отражаться. Введем еще несколько соотношений, полезных для инже-
нерных расчетов.
Для волоконной оптики существует понятие числовой апертуры (NA), опре-
деляемой как NA — sin 0Q . Связь числовой апертуры с показателями преломле-
ния сердцевины световода nt и оболочки п2 определяется следующими соотноше-
ниями:
NA - -п? /п0 ,
sin в = nJ ,
с 2'1’
п sin в = п. sin (я/ 2—в),
О о 1 v ' С7 ’
И
sin в(1 = — cos (9
W2
(4.25)
(4.26)
(4.27)
(4.28)
В случае рассматриваемого ВОД объемное поглощение в окружающей сре-
де, играющей роль обкладки, приводит к изменению условий, при которых
имел бы место эффект полного внутреннего отражения. Потери оптической
энергии пропорциональны коэффициенту объемного поглощения а. Таким
образом, по мере распространения луча по волокну с многократными отраже-
ниями от границы раздела сердцевина / обкладка, его энергия последователь-
но уменьшается при каждом отражении луча от границы раздела.Несмотря на
то, что потери энергии при каждом отражении малы, интегральный эффект
после многократных отражений может быть достаточно значителен даже при
умеренной длине волокна.
Проведем оценку длины волокна, необходимой для реализации такой схемы
датчика. В рассматриваемом случае может быть использовано аппроксимирующее
соотношение:
Т = 4(02 - 02)"1/2 (0/0$ (Ла/4лп)
(4.29)
где Т — однократная потеря мощности, 0с — критический угол для системы из двух
сред с разными показателями преломления, Л — длина волны зондирующего излу-
чения, а— объемный коэффициент поглощения среды с оптическими потерями, п
— действительная часть коэффициента поглощения среды с потерями. Таким обра-
зом, относительная величина мощности однократно отраженного излучения со-
ставляет 1-Т, при этом относительная величина мощности первоначального зон-
дирующего излучения после Wотражений составит (1—T)N. В приведенном соотно-
шении 0< 6с, при этом для справедливости аппроксимации условие должно доста-
точно жестко выполняться. Это означает, что это условие применимо к лучам, ко-
торые обладали бы условиям волноводного распространения в отсутствие потерь.
Более того, чем лучше условия волноводного распространения (т. е. чем мень-
ше 0/0), тем меньше потери на отражение.
Используем формулу (4.29) для оценки конструкционных параметров ВОД
со стеклянной сердцевиной и обкладкой в виде электролита, подсоединенной к
источнику зондирующего излучения через стандартное волокно с числовой апер-
турой 0,3. Предположим, что как активное, так и пассивное волокна характеризу-
ются одним и тем же показателем преломления 1,46. Кроме того, будем иметь
ввиду, что показатель преломления электролита в видимой области спектра из-
меняется от 1,38 (в заряженном состоянии) до 1,35 (в разряженном состоянии).
Предположим также, что коэффициент преломления раствора равен 1,365. В ука-
занных условиях числовая апертура ВОД превышает соответствующее значение
для датчика в обычных условиях (в соотношении 0,52 к 0,30). Таким образом, для
ВОД небольшой длины, когда смешением мод можно пренебречь, ^значительно
меньше, чем 0с. В самом деле, максимальная величина 0-12° (0,21 радиана), а
величина 0с« 21° (0,36 радиана). Надлине волны 1,45 мкм коэффициент погло-
щения составляет а~ 2,3 мм-1.
Используя формулу (4.24), находим, что Т~ 4,2-10-3. Из этого следует, что чис-
ло отражений луча, которое необходимо для получения необходимого поглощения,
составляет 547. Если предположить, что диаметр волокна составляет 100 мкм, то
такое число отражений для меридиональных лучей реализуется в волокне длиной
около 26 см. Для лучей с 0= 0,1 Т» 1,7 10-3, при этом необходимое число отражений
составит 1357, что потребует волокно длиной 65 см. Приведенные оценки лишь
иллюстрируют схему расчета. Безусловно, для точного решения задачи необходи-
мо интегрирование по всем углам.
Проведенное выше рассмотрение касалось активной части датчика в виде во-
локна с обнаженной сердцевиной. Вместе с тем еще остаются вопросы, связанные
с вводом излучения в волоконный световод и с вводом регистрируемого излучения
в регистрирующий фотоприемник.
С точки зрения инженерной практики наиболее приемлемыми источниками
зондирующего излучения являются СИД или ИД. При присоединении этих при-
боров к оптическим волокнам следует учитывать, что применение линз малоэф-
фективно и что диаметр источника излучения должен быть меньше диаметра сер-
дцевины волокна, а последний — меньше диаметра фотоприемника. Как видно из
соотношения (4.24), невозможно достичь плотности потока излучения, большей,
чем на поверхности источника излучения. В связи с этим конец волокна должен
быть расположен как можно ближе к кристаллу излучателя.
Если диаметр сердцевины волокна меньше поперечника излучающей поверх-
ности, то часть потока излучения будет потеряна. Даже в том случае, когда диаметр
сердцевины волокна больше поперечника излучающей поверхности, часть потока
теряется вследствие апертурных ограничений, при этом волокна с большим значе-
нием NA обеспечивают меньшие потери, вносимые при соединении. При исполь-
зовании стандартного ИД часть материала пластмассовой линзы удаляют, при
этом образующуюся плоскость не полируют, а оставляют шероховатой. Важно
как можно ближе приблизиться к излучающему кристаллу и одновременно не
повредить проволочное соединение. Затем шероховатую поверхность смачивают
быстрозатвердевающей прозрачной эпоксидной смолой, в нее вводят волокно
и его положение юстируют таким образом, чтобы достигался максимальный выход
с противоположного конца световода. В этом положении волокно удерживают до
полного затвердевания эпоксидной смолы. Затем наносят второй слой эпоксид-
ной смолы для обеспечения механической прочности.
На приемном конце поток излучения, выходящий из волокна, также теряется,
если он не попадает на фотоприемник, поэтому следует подбирать прибор с доста-
точно большой площадью фоточувствительной поверхности.
При использовании в качестве фотоприемника стандартного фотодиода вна-
чале аккуратно разбивают входное окно и удаляют осколки стекла. Затем вводят
внутрь второй конец световода и закрепляют его двумя слоями эпоксидной смолы
так же, как и в случае излучателя. При этом в данном случае второй слой смолы
должен быть непрозрачным для уменьшения фоновой засветки извне.
Другим примером вопросов, возникающих при проектировании волоконно-
оптических датчиков, являются проблемы деполяризации излучения в световоде и
снижения уровня шумов, решение которых позволяет разрабатывать ВОД с поля-
ризационным мультиплексированием.
Аналитическое рассмотрение эф-
фекта деполяризации может быть про-
ведено в рамках сферического представ-
ления Пуанкаре с учетом статистичес-
кого характера воздействия различных
факторов на различные участки воло-
конных световодов. Сопоставление ана-
литических выражений для функции
плотности вероятности с эксперимен-
тальными данными для волоконно —
оптического интерферометра Маха-
Цендера дает хорошее согласие теории
Рис. 4.22. Схема поляризационного мульти-
плексирования: 1 — суперлюминесцентный
диод; 2—линза; 3 — поляризатор; 4 — контрол-
леры поляризации; 6 — пьезопреобразовате-
ли; 7 — фотодиод ФД 1; 8 — фотодиод ФД 2.
и эксперимента.
Для достижения максимальной обнаружительной способности интерферомет-
рических ВОД принципиальное значение имеет снижение уровня шумов. При этом
наряду с традиционными источниками шума, например дробовым шумом, необ-
ходимо минимизировать и шум, связанный с некогерентным смешением (т.н. фазо-
индуцированный шум). Установлено, что его амплитуда пропорциональна Zc1/2, где
Lc — длина когерентности источника излучения, используемого в ВОД.
В общем случае степень когерентности излучения определяется соотношением:
у - ехр
(4.30)
где LB — длина биений, a L - длина волокна.
Решение проблем, связанных со снижением уровня фазо-индуцированных
шумов и деполяризации излучения, позволяет реализовать ВОД с т. н. поляриза-
ционным мультиплексированием (рис. 4.22)[ 17].
В экспериментальной схеме датчика в качестве источника излучения исполь-
зуется суперлюминесцентный диод, при этом длина когерентности, определенная
с помощью интерферометра Майкельсона составляет 12 мкм. Излучение диода с
помощью коллиматора фокусируется на поляризатор и вводится в одномодовое
волокно. Для подстройки поляризации в рассматриваемой схеме используются
контроллеры поляризации PC-1, PC-2, PC-3, РС-4. Для возбуждения тестовых сиг-
налов две секции световодов наматываются на пьезоэлектрические цилиндры
(PZT). Пьезопреобразователи генерировали сигналы с фазовой амплитудой 18 мкрад
и частотами 26 и 24 кГц. Перед фотоприемным терминалом оптические сигналы
разделялись с помощью делителя и по волокнам с сильным двулучепреломлением
направлялись на выходные ФД, при этом уровень фототока составлял 5 мкА. Чув-
ствительность ВОД по первому и второму каналу составила соответственно
3,3 ± 0,3 мкрад/ Гц1/2 и 5,8 ± мкрад/ Гц1/2.
Следует подчеркнуть, что использование рассмотренной схемы ВОД позволя-
ет разрабатывать многопараметрические датчики, способные одновременно изме-
рять, например давление и температуру.
4.6.3. Датчики оптронного типа
Оптоэлектронные датчики оптронного типа, уже широко используемые в на-
стоящее время, открывают широкий простор для инженерного творчества. Про-
иллюстрируем это несколькими примерами.
Рассмотрим вначале противопожарный оптоэлектронный датчик, детектиру-
ющий присутствие дыма.
Для обнаружения дыма методом рассеяния или отражения необходимы лишь
правильная установка преграды и размещение светодиода и фотоприемника, как
это иллюстрируется рис. 4.23.
Как в коаксиальной, так и в радиальной геометрии фотоприемник и преграда
устанавливаются таким образом, чтобы в отсутствие дыма излучение не достига-
ло фотоприемника. В обеих схемах используются экраны. Однако следует учиты-
вать, что одновременно они обусловливают появление рассеянного излучения из
источника излучения или окружающей среды. Если это рассеянное излучение,
достигающее фотоприемника, постоянно, то чувствительность уменьшается лишь
пропорционально квадратному корню из амплитуды потока излучения; если же
оно изменяется, то чувствительность снижается по линейному закону. В бытовых
условиях также можно использовать как коаксиальную, так и радиальную схемы,
однако для обнаружения дыма в воздухопроводе, вентиляционной ели вытяжной
трубе преимущество отдается радиальной схеме, так как в этой геометрии экран
Рис. 4.23. Коаксиальная (а) и радиальная
(б) оптические схемы оптоэлектронных де-
текторов дыма.
не мешает прохождению воздуха или
дыма. В воздухопроводах или вытяж-
ных трубах большого диаметра следует
использовать проекционные линзы как
для излучателя, так и для фотоприем-
ника. При этом оптическая схема дол-
жна обеспечивать максимальный
объем, определяемый пересечением
конуса лучей излучателя и конуса лу-
чей, попадающих на фоточувствитель-
ную поверхность приемника излуче-
ния. Разумеется, этот объем должен ис-
ключать стенки воздухопровода или
вентиляционной трубы.
В оптоэлектронных детекторах
штрихового кода высокое разрешение
может быть достигнуто с использова-
нием линзовой оптики (рис. 4.24).
Излучатели, применяемые для зас-
ветки штрихового кода не должны ото-
бражаться на плоскости кода; хотя это
и увеличивает поток излучения, посту-
пающий на фотодиод, но может выз-
вать и образование интерференцион-
ных картин в результате взаимодей-
ствия между кодом и деталями изоб-
ражения излучателя. В связи с этим в
качестве излучателя Д\ рекомендуется
применять группу светодиодов. По
этой же причине светодиод Д2 (если
он применяется вместо светодиода
Д\) должен отображаться линзой 2 на
плоскости линзы 1 или с небольшим
смещением влево. Если изображение
светодиода Д1 фокусируется на плос-
кости линзы 1, то оно будет дефокуси-
роваться на плоскости кода и вероят-
ность появления интерференционной
картины уменьшается.
Разрешающая способность детекти-
рования по линиям кода равна диамет-
ру фоточувствительной поверхности фо-
топриемника, умноженному на d Jd^.
Еще одним важным примером дат-
чиков оптронного типа являются сис-
темы прямой передачи световых сиг-
налов надостаточно большое расстоя-
ние (> 1 м) и регистрации отраженно-
го излучения. Примеры возможных
схем таких систем приведены на рис.
4.25.
В рассматриваемом случае важную
роль при расчете системы играет соот-
ношение между освещенностью, со-
здаваемой излучателем и яркостью
первичного излучения, которое в слу-
чае геометрии, представленной на рис.
4.25 а описывается соотношением:
EJLa = Т[(л/4) 1% (4.31)
Рис. 4.24. Система с коаксиальными лин-
зами, работающая на отражение.
Рис. 4.25. Прямая и отражательная схемы
регистрации при передаче сигнала на боль-
шие расстояния с использованием линз и
зеркал: а) фокусирование излучателя на от-
далённом объекте; б) схемы отражательно-
го типа; в) отражательная схема с коакси-
альными зеркалами.
Заметим, что выражение в квадратных скобках представляет собой площадь
поверхности линзы. Если перед фотоприемником помещается вторая линза диа-
метром Иф с фокусным расстояниеми она фокусируется на кажущемся источни-
ке, то суммарный результат приводит к следующему выражению для освещенности
Еф поверхности фотоприемника:
Lu "J d2 ф
(4.32)
где Ти и Тф - коэффициенты пропускания линз источника и фотоприемника.
Если источник проецируется на диффузно отражающую мишень, то и изобра-
жение само становится источником и может спроецироваться на приемнике, В
этом случае (рис. 4.25 б) выражение для отношения освещенности поверхности
фотоприемника и яркости источника принимает вид:
= я- г. тфн„
(4.33)
где /^-коэффициент, учитывающий ламбертовское распределение интенсивнос-
ти при отражении от диффузно рассеивающей мишени, которое описывается вы-
ражением Lo - (1/я) RqE^. За исключением уменьшения в /^/л-раз, связанного с
отражательной способностью мишени это выражение практически не отличается
от уравнения (4.32), т.е. отношение освещенность/яркость меняется как произве-
дение площадей поверхностей линз и обратно пропорционально квадрату фокус-
ных расстояний, помноженному на соответствующий геометрический фактор.
Применение того же отражательного принципа для коаксиальной зеркальной
оптики (рис. 4.25 в) дает:
Lu л 4<Z02 г2
Системы, показанные на рис. 4.25, можно использовать в таких областях, как
отражательное сканирование, обнаружение преграды на расстоянии.
Системы дистанционного контроля получают в настоящее время все большее
распространение и выпускаются все большим числом фирм. Возможности таких
систем иллюстрируются рис. 4.26.
Из представленного рисунка видна, что современные системы такого типа спо-
собны работать на расстоянии в десятки метров, при этом реконфигурация систе-
мы реализуется с использованием набора линз Френеля.
Скрытность работы системы может быть реализована за счет использования
доступных ИД ближнего ИК-диапазона, при этом для увеличения мощности излу-
чающего терминала может быть использована кластерная конструкция терминала
в виде целого набора ИД.
12-м диапазон охвата; 24 грани с захватом надповерхностных зон; 104-градусный охват
Домашние животные 104°
Вид сбоку Вид сверху П171
1,5м 1 ь
12м 1 12м
1 2-м диапазон охвата; 24 грани с захватом надповерхностных зон; 104-градусный охват
12-м диапазон охвата; 11 граней, 6-градусный охват при максимальной ширине 1,3м
12-м диапазон охвата- 11 граней с захватом надповерхностных зон; 8-градусный охват
Рис. 4.26. Различные режимы работы системы дистанционного оптоэлектрон-
ного контроля.
Для уменьшения влияния фоновой засветки на регистрирующий фотоприем-
ник в рассматриваемом случае могут быть использованы фильтры, подавляющие
видимую составляющую фоновой засветки.
4.6.4. Интегрально-оптические датчики
Рассмотренные в предыдущем разделе датчики оптронного типа стали предметом
интенсивной инженерной деятельности многих фирм, что во многом связано как с
непрерывным совершенствованием, так и с доступностью стандартной элемент-
ной базы оптоэлектроники. В противоположность этому разработка интегрально-
оптических датчиков (ИОД) проводится в рамках концепции интегральной опти-
ки и, в более широком смысле, интегральной оптоэлектроники! 18], (чему посвя-
щена глава 3). Поэтому ИОД в значительной степени являются продуктом высоких
микроэлектронных технологий, доступных специализированным микроэлектрон-
ным фирмам. В связи с этим проблемы разработки ИОД связаны с микросхемотех-
никой, микрооптикой, технологией, материаловедением.
Вопросы формирования микрооптических и микромеханических элементов,
пригодных для использования в интегральной оптоэлектронике были уже рассмот-
рены ранее (глава 3). Поэтому в этом разделе рассмотрим более подробно проблемы,
связанные с формированием ключевого элемента ИОД (в более широком смысле —
оптоэлектронных ИС), а именно волноводных структур оптического диапазона.
В оптоэлектронных ИС, частным случаем которых являются ИОД, между от-
дельными элементами ИС должна быть обеспечена возможность переноса как элек-
тронов, так и фотонов. Для достижения этой цели был разработан ряд подходов, в
том случае, когда для этой цели используются полупроводниковые материалы, то
говорят о фотонной интеграции. Если же для этой цели используются диэлектри-
ки, то в этом случае говорят об оптической интеграции.
В обоих подходах оптические волноводы играют решающую роль. В зависимо-
сти от назначения этих элементов используются разные структуры и технологичес-
кие методы. Это могут быть планарные волноводы или волноводы, сформирован-
ные травлением. В некоторых приборах они могут располагаться под другими эле-
ментами структуры, как это имеет место в ЛД на основе структур с заращенной
гетероструктурой. Тип и конструкция волновода также могут варьироваться в зави-
симости от функций, которые он должен выполнять. В случае пассивных волново-
дов — это функции трансляции луча его расщепления и т.д. В том случае, когда
волноводы способны выполнять активную функцию, например модуляции, пере-
ключения каналов, такие элементы называют активными.
Систематический анализ оптических потерь в волноводах, при формировании
которых использовались кристаллические, стеклообразные и полимерные матери-
алы, позволяет установить предпочтительность использования кремнийоргани-
ческих соединений (рис. 4.27).
Проведенный анализ показывает, что соединения А3 В5, наиболее пригодные
для формирования активных интегрально-оптических устройств, характеризуются
достаточно большими оптическими по-
терями. Тем не менее поиски путей фор-
мирования оптических волноводов на
основе Л3 В5 продолжаются.
Одним из методов формирования
является использование эффекта струк-
турного разупорядочения многослой-
ных квантово- размерных структур, бо-
лее подробно рассмотренный в главе 8.
При этом для преодоления пробле-
мы, связанной с увеличения оптических
потерь в волноводах из-за поглощения
на свободных носителях вместо ионов Si
могут использоваться ионы Р. Использу-
Рис. 4.27. Диаграмма оптических потерь в
волноводах на основе различных материа-
лов: 1 — осаждённый А12 О3, 2 —ZnO, GeO2;
3 — ZnS\ 4 — напылённый Al2 О3, 5 — соеди-
нения А3 В5\ 6 - LiNbO3, LiTaO3, 7 - Та2 О5;
8 — ВаО + SiO2, 9 — стекло; 10 — волноводы,
полученные протонной бомбардировкой;
11 — полистирен, эпоксидная смола, поли-
уретан; 12 — кварц; 13 — кремнийоргани-
ческие соединения.
ется двухстадийная ионная имплантация
ионами с энергиями 250 кэВ и 1 МэВ,
что обеспечивает практически однород-
ный профиль на глубину до 700 нм в
структурах из 70 пар барьеров 1пР тол-
щиной 16,7 нм и квантовых ям /л0 53 GaQ 47
As толщиной 3 нм. Установлено, что при
степени разупорядочения, равной 10 и
30 % и при потерях на стенках волновода
100 дБ/см, оптические потери в самом волноводе составляют соответственно 4 и 9
дБ/см. При оптимизации процесса формирования может быть получен на порядок
более низкий уровень потерь в оптических волноводах на основе InGaAs.
Еще меньшего уровня потерь можно добиться в волноводах на основе гетеро-
структур AlGaAs.
В этом случае используется многослойная гетерострукгура, с нелегированным ниж-
ним эмиттерным слоем Л/о 4 Gh0 eAs, нелегированным волноводным слоем Л/о 35 Gh0 65 As,
нелегированным верхним эмиттерным слоем Al0 4 Ga0 6 As, Волновод состоит из трех
слоев: нелегированного нижнего эмиттера A14 GaQ 6As толщиной 3 мкм, волноводного
слоя Al0 35 Ga0 65 As толщиной 1 мкм и верхнего эмиттерного слоя Al0 4 Ga0 4 As толщиной
1 мкм. Прямоугольную конфигурацию волновода сформировать, используя химичес-
кое травление либо в режиме скорости травления, ограниченной диффузией (СОД)
в травителе Н2О2. Н2 О = 60:4:1 или 80:20:1, либо в режиме сокрости, ограниченной
реакцией (СОР) в травителе Я3 Р О4: Н2 О2: Н2 О = 1:2: 25.
При вытравливании волновода на глубину 2-2,5 мкм и их ширине 2,4 мкм
распространение света имеет одномодовый характер. Установлено, что при исполь-
зовании СОД не наблюдается заметного микрорельефа поверхности, в то время как
при использовании СОР амплитуда микрорельефа составляет 0,1 мкм, а оптичес-
кие потери в волноводе находятся на уровне 0,1 дБ /см.
Рис. 4.28. Последовательность операций
снятия тонкоплёночной структуры с под-
ложки: 1 — структура, 2 — AlAs, 3 — GaAs;
4 — воск; 5 — вода.
С учетом высоких электрооптических
характеристик кристалла LiNbO3 и интег-
рально - оптических структур на его осно-
ве, наряду с исследованиями интеграль-
но — оптических структур на основе со-
единений Л3 № предпринимаются попыт-
ки создания интегральных приборов, в
которых сочетаются достоинства прибо-
ров, полученных, на основе электроопти-
ческих материалов и соединений Л3 В5. В
качестве одного из подходов для решения
проблемы «несовместимости» структур на
основе различных типов твердотельных
структур для разработки ИОД и оптоэлек-
тронных ИС предлагается метод «транс-
плантации» активного элемента на осно-
ве Л3 № на другую твердотельную основу, что иллюстрируется рис. 4.28.
Основными этапами такой технологии являются: отделение активной части полу-
проводниковой структуры (например, лазерной) от технологической или « жертвен-
ной» подложки с последующим ее перенесением на электрооптический носитель, где
фиксация гибридных элементов устройства осуществляется силами Ван-дер-Ваальса.
На примере фотоприемника со структурой металл/полупроводник/металл
(МПМ) показано, что при формировании устройства, включающего фотоприем-
ник, топология барьера Шотки может быть сформирована с помощью фотолитог-
рафии уже после трансплантации активной структуры, например, на стеклянную
подложку. Это обеспечивает высокую точность совмещения с выводами электрооп-
тической части прибора. Важным является то, что с использованием этой техноло-
гии могут быть реализованы приборы типа интерферометров Маха—Цендера.
4.6.5. Структуры с фотонной запрещенной зоной
(фотонные кристаллы)
Логическим развитием проведенного выше краткого рассмотрения приборных при-
менений эффектов волноводного распространения света на случай многослойных пе-
риодических структур являются фотонные кристаллы или структуры с фотонной зап-
рещенной зоной. Это сравнительно молодое научно-техническое направление
в рамках интегральной оптоэлектроники [18] и результат современных высоких
технологий, находящих все более и более широкое применение как при разработке
оптоэлектронной элементной базы в том числе для оптоэлектронных датчиков, а
также ВОЛГТИ. Они чрезвычайно интересны как физический объект, поэтому ос-
тановимся на нем несколько более подробно.
Наше рассмотрение начнем с простейшей модели диполя в резонаторе [19],
при этом нас будет интересовать коэффициент усиления спонтанной эмиссии,
понимаемый как отношение скоростей генерации излучения /у0 (у /у) в мик-
рорезонаторной структуре и в однородной среде. В этом случае система уравне-
ний Максвелла для такой задачи принимает вид:
V{e(r)E(r,t) + P/r,t)}=0, (4.35)
ГЯ(гД)=0, (4.36)
Vx Е (г, t) = - ц (г, t) д/д t Н (г, t), (4.37)
Vx Н (г, t) = д/д t {е (г) Е (г, t) + Pd (г, /)}, (4.38)
где г (г), //(г) — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость, Pd
(г, Г) — поляризация дипольного источника. Для решения этой задачи приме-
нительно к пространственно ограниченным или периодическим, но неограни-
ченным микрорезонаторам используются периодические граничные условия
слоев с т.н. идеальным согласованием (PML), которые являются своего рода эк-
вивалентом граничных условий Кармана-Борна в зонной теории твердых тел.
Простейший случай планарного микрорезонатора иллюстрируется рис. 4.29.
Для точечного диполя, ориентированного перпендикулярно стенкам такого
микрорезонатора, справедливо соотношение:
[2L/*]
п=1
\ ЗХ и l ун ‘
Yi =Y°I^H1+ X 2
cos2
(4.39)
В то же время для точечного диполя, ориентированного параллельно стен-
кам микрорезонатора имеет место соотношение:
1+ы
. 2 Г™?.
sin -------
I L
(4.40)
где [ 2L / Л ] обозначает наибольшее целое число, меньшее 2 L/Л, т.е. максималь-
ное значение п, у0 — скорость генерации излучения в свободном пространстве, а
Z - расстояние от нижнего зеркала.
В рассматриваемом случае точечного диполя, параллельного зеркалам, ха-
рактерны запрет на излучение в случае, когда зазор меньше Л/2, а также разрыв
характеристики, когда зазор кратен нечетному числу Л/2.
Когда диполь ориентирован перпендикулярно зеркалам резонатора харак-
теристика имеет аналогичный характер, но при этом точки разрыва имеют
место при зазоре, кратном четному числу А/2 и связаны с резонансами микро-
полости.
Фотонный кристалл представляет собой интересный физический объект, в
котором искусственно создается поле с периодом, на порядки превышающим
период основной решетки, что реализуется периодическим изменением коэф-
фициента преломления среды в одном, двух или трех измерениях (ID -, 2D -,
3/)-фотонные структуры). Схематически двумерная фотонная решетка иллюс-
трируется рис. 4. 30.
Как и следовало ожидать, представленная диаграмма очень напоминает струк-
туру энергетических кристаллов. В рассматриваемом модельном случае условия
распространения поперечной электрической (ТЕ) и поперечной магнитной (ТМ)
мод различны: для ГЛ/-мод имеется запрещенная зона в то время, как для ГЕ-мод
она отсутствует.
В том случае, когда период оптической сверхрешетки сравним с длиной элек-
тромагнитной волны, поведение фотонов в таких средах сильно отличается от
поведения в обычных материалах, в кристаллической решетке которых узлы на-
ходятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света.
Рис. 4.29. Схематическая диаграмма иллю-
стрирующая задачу о диполе, расположен-
ном на расстоянии z от нижней плоскости
микрорезонатора (а), а также отношение
скорости генерации излучения точечным
диполем, расположенным в центре идеаль-
ного планарного параллельного волновода,
к этому же параметру в свободном про-
странстве. Ось абсцисс — отношение рас-
стояния между пластинами, ограничиваю-
щими резонатор, к длине волны излучения
в свободном пространстве [19].
Рис. 4.30. Схематическая диаграмма, ил-
люстрирующая двумерную фотонную ре-
шётку в виде квадратной матрицы из диэ-
лектрических цилиндров с г = 0,2а (а) и фо-
тонная зонная диаграмма (Ь). Сплошные и
пунктирные линии относятся соответствен-
но к 7Л/-модам и ТЕ-модам.
Физический механизм образования
запрещенных зон для фотонов в кристал-
лах такой же, как и для электронов в твер-
дых телах. В его основе лежит распрост-
ранение электромагнитной волны в сре-
де с периодическим потенциалом. Кван-
товые свойства фотонных кристаллов
наиболее ярко проявляются, когда фо-
тонная запрещенная зона существенно
превышает электронную запрещенную
зону. В этом состоянии, например, вре-
мя жизни атома в возбужденном состоя-
нии в таком кристалле может быть уве-
Рис. 4.31. Спектры фото люминесценции
структур INGaAsP/InP без (нижняя кривая)
и с фотонной решеткой (верхняя кривая).
личено в несколько раз.
По аналогии с электронными материалами фотонные кристаллы можно класси-
фицировать на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники.
Фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами для фотонов
и свет распространяется в них на большие расстояния, практически не поглощаясь.
Фотонные изоляторы обладают широкими запрещенными зонами для фотонов и яв-
ляются непрозрачными материалами, но в отличие от обычных непрозрачных сред, в
которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы не поглоща-
ют, а отражают свет. Фотонные полупроводники характеризуются более узкими по
сравнению с изоляторами запрещенными зонами.
Пример приборной реализации двумерной фотонной решетки приведен в [20].
В рассматриваемом случае используются волноводная гетероструктура на основе GaAs/
AlGaAs. Д вумерная фотонная решетка, образующая грани резонатора имеет период а =
240 нм, а диаметр воздушных пустот составляет 150 нм. Для реализации такой фотонной
решетки используются электронная литография и реактивное ионное травление. Ис-
пользование фотонной решетки позволяет управлять спонтанной эмиссией приводя к
существенной модификации секторов люминесценции, что иллюстрируется рис. 4.31.
4.6.6. Опорные источники излучения
Как уже отмечалось ранее, при проектировании оптоэлектронных датчиков широко
используется двухканальная схема с каналом зондирования и опорным каналом. При
этом характеристики опорного канала во многом определяют разрешающую способ-
ность датчика. В связи с этим при проектировании прецизионных измерительных
систем особое значение приобретает проблема специализированных опорных источ-
ников опорного излучения (ОИИ).
Подобно тому, как микроэлектроника предложила широко используемые ис-
точники опорного напряжения в виде стабилитронов, оптоэлектроника также спо-
собна предложить источники опорного излучения с высокими характеристиками
стабильности.
К настоящему времени предложен целый ряд подходов для реализации ОИИ,
основанных на различных физических механизмах. С физической и практической
точек зрения особый интерес представляют приборы на основе т.н. пробойной
электролюминесценции (ПЭЛ) в полупроводниковых рп-переходах. С точки зре-
ния физики излучательных процессов ПЭЛ интересна тем, что здесь мы, по-види-
мому впервые, имеем дело с еще не рассматривавшимся физическим механизмом с
участием т.н. «горячих» носителей заряда. С точки зрения практики это явление
интересно высокими характеристиками стабильности излучательных характерис-
тик приборов на основе ПЭЛ. Еще одним интересным аспектом ОИИ такого типа
является то, что эти приборы работают при обратном смещении в условиях про-
боя, что роднит их с широко известными стабилитронами. Как мы увидим далее, к
числу интересных особенностей ПЭЛ в отличие от рассмотренной ранее инжекци-
онной электролюминесценции (ИЭЛ) относится чрезвычайно широкополосный
характер ее спектрального распределения, что позволяет использовать приборы на
основе ПЭЛ в спектроскопии, астрономии, космической аппаратуре, при проек-
тировании имитаторов звезд и т.д.
В связи с этим остановимся несколько более подробно на этом классе приборов.
Исследование приборов на основе эпитаксиальных структур твердых растворов
GaAlP и GaAsP [21] показывает, что в отличие от спектров ИЭЛ спектры ПЭЛ харак-
Рис. 4.32. Спектры ПЭЛ (2-4,6) и ИЭЛ 0,5)
при Т=300(1-3, 5,6) и 77 А"(4) рп —структур
на основе GaP: Al (1-4), (7аЛ/Р(5,6), зареги-
стрированные с поверхности (1,2, 4 - 6) и
через толщу кристалла (3).
теризуются очень широкополосным ха-
рактером и перекрывают спектральный
диапазон от ближней УФ-области до
ИК-диапазона спектра (рис. 4.32).
Из представленных рисунков вид-
но, что несмотря на свой широкополос-
ный характер спектры ПЭЛ содержат
ряд компонент, включая коротковолно-
вую составляющую А, простирающую-
ся вплоть до ближней УФ-области спек-
тра, доминирующую компоненту В с
максимумом в оранжевой области спек-
тра, а также //^-составляющую С.
Изменение состава приборных
структур позволяет в определенных
пределах изменять форму спектров
ПЭЛ при сохранении их основных осо-
бенностей.
Как показывают результаты наших
исследований [22], основной характер
ПЭЛ сохраняется и в приборах на ос-
нове широкозонных нитридов, что ил-
люстрируется рис. 4.33, на котором
приведены характеристики ПЭЛ,
ИЭЛ и спектра фоточувствительно-
сти, отражающего характер спектра
поглощения в рассматриваемых
структурах.
Обращает на себя внимание тот
факт, что несмотря на значительное
смещение спектров ИЭЛ приборов
на основе широкозонных нитри-
Рис. 4.33. Спектры фоточувствительности
(1), ИЭЛ при прямом токе 3 мА (2), 30 мА
(3) и ПЭЛ при обратном токе 1 мА квантово
— размерного СИД на основе структур
InGaN/ GaNna сапфире.
дов спектральное положение мак-
симума ПЭЛ изменяется суще-
ственно слабее.
Экспериментальные и теоре-
тические исследования, проведен-
ные в [23] с использованием струк-
тур на основе твердых растворов InGaP, GaAsP и SiC позволили установить, что в
общем случае широкополосный характер ПЭЛ, охватывающей коротковолновую и
ближнюю ИК-области спектра, обусловливается одновременным проявлением це-
лого ряда фундаментальных (внутризонных и межзонных) и примесных каналов
рекомбинации горячих и термолизованных носителей.
Анализ экспериментальных результатов по ПЭЛ целесообразно проводить в
рамках уже разработанных моделей. В ранних работах по исследованию ПЭЛ пред-
полагалось, что возможными механизмами, обусловливающими ПЭЛ могут быть
тормозное излучение и внутризонные излучательные переходы. В первом случае
характерным является монотонное возрастание интенсивности излучения с увели-
чением длины свободного пробега носителей заряда, при этом:
/(Лу)~ехр - — .
I КЛ о i
(4.41)
Здесь Те — эффективная электронная температура, определяемая соотношением:
(4.42)
где Е - напряженность электрического поля, / - длина свободного пробега, Асо —
энергия оптического фонона.
Для тормозного механизма излучения характерен монотонный рост интенсив-
ности с возрастанием длины волны, что не соответствует экспериментально на-
блюдаемой картине ПЭЛ.
Альтернативным механизмом может быть механизм внутризонных переходов.
При вертикальных переходах между подзоной легких дырок и спин-орбитально
отщепленной зоной может наблюдаться немонотонный характер спектрального
распределения, описываемый соотношениями:
I(Av) ~ (hv)2 (hv - Д)3/2/(гг),
(4.43)
£ -
т2
(4.44)
где А — значение спин-орбитального расщепления, т2 — эффективные массы
дырок в валентных подзонах. В качестве функции распределения может быть ис-
пользовано выражение, полученное в теории Бараффа.
Используя соотношения (4.43) и (4.44), можно получить выражение для мак-
симума спектрального распределения ПЭЛ в виде:
1 3>5 А
h v а — + А
т b
, 1 f 3,5
1-- — + —
b{b 2}
(4.45)
где Ь = а/(\-тупц); а — параметр экспоненциальной интерполяции функции рас-
пределения вблизи hvm. Используя характерные для GaP значения b = 2 и А = 100
мэВ, находим hvm = 1,8 эВ, что согласуется с экспериментальными данными. Таким
образом, проявление полосы С, по-видимому, можно действительно приписать
вертикальным излучательным переходам горячих дырок между валентными подзо-
нами.
С учетом того, что А / b 1 из соотношения (4.45) получаем hvm а 3,5 / Z> -F А.
Такимюбразом, на hvm оказывает влияние как конкретная функция распределения
горячих носителей, так и величина спин-орбитального расщепления.
Рис. 4.34. Конструкция различных ИД, обес-
печивающая эффективный ввод излучения
в волокно: гибридный поверхностный из-
лучатель (а), поверхностный излучатель,
интегрированный с микролинзой (б), тор-
цевой излучатель (в).
В заключение следует остановиться
немного подробнее на природе корот-
коволновой полосы А, простирающей-
ся вплоть до УФ-области спектра. Мож-
но предполагать, что эта компонента
ПЭЛ связана с прямой межзонной ре-
комбинацией горячих носителей. В не-
прямозонных материалах сильное элек-
трическое поле определяет эффектив-
ный переброс электронов из Xcj-
в Pj-минимум зоны проводимости. При
этом вследствие эффекта Франца—
Келдыша должно наблюдаться смещение полосы излучения:
3<е2Д2Е
2
т
(4.46)
Принимая для Х^-минимума и Г^- минимума соответственно значения
т* = 0,36 т0 и т* = 0,12 т0 в GaP, при Е = 106 В/ см получаем значение ДЕ соответ-
ственно равное 180 и 260 мэВ, что близко к экспериментально наблюдаемому ин-
тервалу между полосами А и В.
В связи с разработкой специализированной элементной базы для опто-элект-
ронных датчиков следует отметить и конструкционный аспект этой проблемы, при-
обретающий особую остроту при проектировании приборов для волоконно — оп-
тических датчиков и ВОЛ ПИ. В этом случае применение СИД или ИД в обычном
конструктивном исполнении нежелательно из-за крайне низкой эффективности
ввода излучения в волокно. Некоторые варианты решения этой проблемы иллюст-
рирует рис. 4.34.
Для обеспечения эффективного ввода излучения в волокно, в основном, ис-
пользуют две геометрии приборных структур: это т.н. поверхностные и торцевые
излучатели. Широко применяемой конструкцией первого типа можно считать
структуру т.н. диода Барруса (рис. 4.34 а). В этом случае увеличение коэффициента
ввода достигается за счет использования сферической микролинзы, гибридно мон-
тируемой в колодце, который прецизионно вытравливается в структуре.
С использованием прецизионного травления можно сформировать и структуру с
микролинзой, монолитно интегрированной с излучающим кристаллом (рис. 4.34 б).
В случае торцевых излучателей (рис. 4.34 в) используется геометрия, в которой
ось оптического волокна параллельна активной области кристалла.
Литература
А. Брег, П.Дин. Светодиоды/Пер. с англ, под ред. А.Э. Юновича. — М.: Мир. 1979. — 686 с.
Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси. — М.: Энергоатомиздат. 1990. — 256 с.
Бусурин И.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и
применения. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 255 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные датчики // Обз. по электрон, технике.- М.: ЦНИИ
«Электроника». 1991. Вып. 3 (1642). — 57 с.
Голубкова В.С., Евтихиев Н.Н., Папудовский В.Ф. Интегральная оптика в информационной технике.
- М.: Энергоатомиздат, 1995. —151 с.
Применение оптоволоконных приробов / Пер. с англ, под ред. Ю. Р. Носова — М: Радио и связь.
1989. - 344 с.
Библиографический список
1. Никитин А.К., Тищенко А.А., Черняй А.И.// Зарубежная радиоэлектроника. — 1990. № 10. С. 14 — 30.
2. Kondo A., Morehita N.,Imagaki Y., Kato H. // IEEE trans, on El. Dev. —1990.V. 37. N 3. P. 514 — 518.
3. Ermakov O.N.// Proceed. SPIE.2001. V. 4751. P. 267-274.
4. Ohitsu M., Suruki H., Nemoto K., Teramachi К. // Jap. J. Appl. Phys. 1990. V. 28. N. 8. P. L1463 - L1465.
5. Takematsu H., Nishimoto Y, Nakai Y.// Jap. J. Appl. Phys. 1990. V. 29. n 12. P. 2847—2850.
6. Nagitsuma T, Shilata T, Sano E., Iwato A. // IEEE Instruments and Measurement Technol. Conf. San Jose,
Febr. 1990, USA Conf. Rec. P. 152-158.
7. Kanuma K., Teremishi N., Tohyama S., Masubuchi K. et al. // IEEE Trans. On El. Dev. 1990. V. 37. N 3.
P. 629—635.
8. Tanaka N., Hashimoto S., Shinobara W. et al. // IEEE trans, on El. Dev. 1989. V. 37. N 4. P. 964—971.
9. Hynecek J. // IEEE Trans, on E. Dev. 1989. V. 37. N 37. N 19. P. 2190 - 2200.
10. Wing J., Christensen D., Brynda E, Andrade J. et al. 11 Proceed. Soc. Photo-opt. Instrum. 1989. V. 1067.
P. 44—52.
11. Papazoglou T.G., Grundfest W.S., Papaioannu T. et al. // Proceed. SPIE. 1989. V. 1067. P. 275—281.
12. Saadatmanesu V., Hussein H.W.G.// Proceed. SPIE. 1989. V. 1067. Р/ 275-281.
13. Daidoh Y, Komine Y. Ц Proceed. SPIE. 1989. V. 1067. P. 303-307.
14. Ermakov O. N.// Proceed. SPIE 2001. V. 4751. P. 85-92.
15. Weiss J.D., Stallard B.R.,Garcia M.J.// Opt. Engin. V. 37. N 12. P. 3254-3259.
16. Долгинов Л.М., Дружинина Л.В., Мильвидский М.Г. и др. // Измерительная
техника. 1981. № 6. С. 65—67.
17. Parhaldiroushan М., Yoangquid R.C.// Opt. Lett. 1990. V. 15.N 14. Р. 786—788.
18. Ермаков О.Н., Мартынов В.Н.// Матер, электр. Техн. 2003. № 1. С. 7—16.
19. Hwang J.K., Ryu H.Y, Lee YH.// Phys. Rev. B. 1999. V. 60. N 7. P. 4688-4695.
20. Smith C.J. M., Benisty H., Labilloy D. et al. // Electron. Lett. 1999. V. 35. N 3.
P. 228-229.
21. Ермаков О.Н. // Журнал прикл. спектрос. 1986. Т. 46. № 2. С. 226—231.
22. Ермаков О.Н. // Электрон, техн. Сер. 2. 1987. № 4 (197). С. 20—27.
ГЛАВА 5
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
СИСТЕМЫ
5.1. Введение
Как уже отмечалось ранее, оптоэлектронные системы представляют собой высший
уровень иерархии оптоэлектронных технологий и они широко используются в на-
стоящее время. Ранее, в главе 4, посвященной оптоэлектронным датчикам, уже
были рассмотрены системы сбора данных, а в главе 3, посвященной интегральной
оптоэлектронике, были проанализированы возможности построения оптоэлект-
ронных систем обработки данных. В связи с этим в настоящей главе остановимся
более подробно на оптоэлектронных системах передачи, записи, хранения, вос-
произведения и отображения информации.
Еще одним аспектом, связанным со зрелым состоянием широко используемых
оптоэлектронных систем и представляющим большой интерес для историков на-
уки, является чрезвычайно медленный характер «вызревания» концепции с мо-
мента фундаментальных открытий, становления соответствующего технологичес-
кого и теоретического обеспечения зарождающихся направлений с их стремитель-
ным развитием в зрелом состоянии.
В связи с этим достаточно подчеркнуть, что фундаментальные открытия в рас-
сматриваемой области были сделаны в конце XIX и начале XX веков, при этом до
приборной реализации этих открытий дело дошло во второй половине XX века, а в
последние десятилетия мы наблюдаем поистине взрывной характер развития но-
вых научно -технических направлений.
5.2. Системы оптической связи
Оптическая связь имеет большую историю и ведет свое начало, по-видимому, с изоб-
ретения в 1790 г. оптического телеграфа во Франции. Следующими значительными
вехами в этом направлении были демонстрация А. Беллом модуляции зеркалом опти-
ческого сигнала в 1860 г., передача речи при помощи светового луча в 1881 г., разработка
Ж.И. Алферовым с сотрудниками полупроводникового лазера, работающего при ком-
натной температуре (1970 г.). Примерно в это же время (1970—1973 гг.) фирмой Coming
Glass было освоено производство оптического волокна с затуханием менее 20 дБ/км.
Начиная с этого времени дальнейшее развитие как активных (ЛД, ФД), так и «пассив-
ных» элементов системы оптической связи приобретает взрывной характер, что позво-
ляет говорить о нескольких поколениях системы оптической связи.
5.2.1. Вооконно-оптические линии передачи информации
Техника передачи огромных массивов информации по волоконным световодам за
последние десятилетия практически полностью преобразила телекоммуникацион-
ные системы. Существует точка зрения, что со времен изобретения телефона теле-
коммуникационные системы не испытывали еще такой революционный характер
развития, как это случилось с практическим освоением волоконно-оптических ли-
ний передачи информации (ВОЛПИ).
Следует подчеркнуть, что проблема передачи огромных массивов информации
по оптическим волокнам на большие расстояния, поставила много задач перед науч-
но-техническими работниками различных специальностей (инженерами, физика-
ми, химиками), которые были успешно решены.
Одним из ключевых вопросов техники оптической передачи информации явля-
ется кодирование и декодирование сигнала.
С физической точки зрения следует отличать прямую и внешнюю модуляцию. СИД
и ЛД допускают использование прямой модуляции за счет модуляции тока, протекаю-
щего через прибор. В случае твердотельных лазеров, например, на основе алюмо-итгри-
евого граната, активированного неодимом, работающих в непрерывном режиме, исполь-
зуется внешняя модуляция, например за счет использования внешней ячейки Поккель-
са. В рамках двух методов модуляции применяется ряд различных аналоговых и цифро-
вых методов кодирования сигнала. В случае излучателя с аналоговой модуляцией прак-
тически синхронно с изменением модулирующего электрического сигнала изменяются
амплитуда, частота или фаза светового сигнала. В случае цифровой модуляции исполь-
зуется обычный бинарный код с использованием сигналов нижнего («О») или верхнего
(«1») уровней. К сожалению, нельзя по произволу выбрать тот или иной вид модуляции.
Достаточно большая полуширина спектров излучения несущих сигналов в случае СИД
полностью исключают возможность использования фазовой или частотной модуляции,
поскольку в этих случаях необходимо стабильное и когерентное излучение. Из - за недо-
статочной когерентности СИД и обычных ЛД в этих приборах, в лучшем случае может
быть использована амплитудная модуляция.
В соответствии с современным уровнем развития в ВОЛПИ, естественно, доми-
нируют ЛД, при этом преимущественно используются ЛД с распределенной обрат-
ной связью (DFB) или с распределенными брэгговскими зеркалами (DBR). Достаточ-
но высокая когерентность излучения этих приборов делают их приемлемыми для
использования в когерентных системах с внешней модуляцией. При этом в когерен-
тных системах оптической связи необходимо использовать, по крайней мере, два
одночастотных ЛД, один из которых применяется в излучательном терминале, а дру-
гой — в фотоприемном. В этом случае возможно использование т.н. гомодинной или
гетеродинной схем регистрации, что позволяет на два порядка поднять чувствитель-
ность регистрации по сравнению со схемой прямой регистрации сигнала.
Одним из чрезвычайно важных пре-
имуществ когерентных оптических систем
связи является возможность реализации
большого набора спектральных каналов с
узким интервалом или спектрального уп-
лотнения каналов (WDM). В этом случае
различные сигналы на различных несущих
одновременно распространяются по во-
локну и разделяются в фотоприемном тер-
минале с использованием узкополосных
фильтров. Наряду с этим методом исполь-
зуются также и методы временного (TDM)
и частотного (FDM) уплотнения каналов.
Прежде, чем дойти до фотоприемно-
го терминала световые сигналы должны
пройти настолько большое расстояние по
волокну, что потери в нем начинают иг-
рать очень большую роль, при этом на-
ряду со сравнительно малыми потерями
на рассеяние и поглощение важное зна-
чение начинают приобретать эффекты,
связанные с дисперсией (рис. 5.1)
Рис. 5.1. Спектральные зависимости коэф-
фициента затухания (1) и материальной дис-
персии (2) в кварцевом волокне.
С точки зрения протяженных ВОЛПИ особое значение приобретает величи-
на коэффициента затухания в волоконном световоде. В чистом кварцевом волок-
не имеется несколько окон прозрачности X » 0,8 мкм (К~ 3 дБ/ км),
X = 1,1 - 1,2мкм(К~0,5дБ/км)иХ« 1, 55мкм (К~0,5дБ/км).
В зависимости от химического состава волокна конкретные значения коэффициен-
та затухания могут изменяться в достаточно широких пределах при сохранении общего
характера спектральной зависимости, при этом совершенствование технологии получе-
ния оптических волокон привело к тому, что наименьший уровень коэффициента зату-
хания достигается на длине волны 2 «1,55 мкм. С учетом этого понятно, что трудно
одновременно удовлетворить требованиям по минимальной величине коэффициента
затухания и дисперсии: например, в кварцевом волокне нулевая дисперсия достигается
вблизи 2 = 1,3 мкм, в то время как минимальное значение коэффициента затухания
достигается вблизи 2 «1,55 мкм. Разумеется, это практически не имеет значения в
офисных системах или в случае локальных сетей (LAN). К тому же в таких сетях зачастую
достаточны скорости передачи информации на уровне 10 Мбит/с. В то же время уже в
городских сетях (MAN) эти проблемы начинают выходить на первый план.
В локальных сетях вполне могут использоваться ИД на основе AlGaAs/GaAs, много-
модовые оптические волокна и кремниевые фотодиоды. Обычно такие системы отно-
сят к первому поколению ВОЛПИ. Хотя в этом случае оптические потери и диспер-
сия достаточно велики, из-за сравнительно малой длины линии передачи это не
имеет принципиального значения К тому же длина волны ИД (0,87 мкм) хорошо
соответствует pin-фотодиодам и лавинным фотодиодам на основе Si.
Рис. 5.2. Зависимости предельной протя-
жённости линии без использования ретра-
нсляторов от скорости передачи информа-
ции, ограничиваемой дисперсией 5(1—5)
и коэффициентом затухания К (6 — 8) для
S = 100 пс /км (1), 50 пс/км (2), 10 пс/км
(3), 5 пс/км (4), 2 пс/км (5) и К= 1 дБ/км
(6), 0,5 дБ/км (7), 0,3 дБ/км (8).
В том случае, когда встает вопрос о
передаче сигналов на большие расстоя-
ния, естественным становится переход
на большие длины волн (1,3 или 1,55
мкм). Системы, работающие на этих
длинах волн, обычно относят ко второ-
му и третьему поколениям ВОЛ ПИ. При
сравнительно небольшой длине линии
(вплоть до 5 км) могут использоваться
ИД на основе InGaAsP/InP, при этом ско-
рость передачи информации может со-
ставлять несколько сотен Мбит/с. Для
обеспечения большей протяженности и
скорости передачи необходимы лучшая
когерентность и модуляционные харак-
теристики источника излучения, кото-
рые реализуются в ЛД на основе струк-
тур InGaAsP/ InP. ЛД на основе InGaAsP/
InP, излучающие надлине волны 1,55
мкм, являются основными практичес-
ки безальтернативными приборами для
протяженных или, как говорят, магистральных ВОЛПИ.
К сожалению, в таких ВОЛПИ нельзя применять 5/-ФД и лавинные ФД на
основе кремния, т.к. длинноволновая граница их фоточувствительности распола-
гается вблизи 1,1 мкм. В этом случае могут быть использованы приборы на основе
InGaAsP/InP или германия, способные обеспечить регистрацию оптического сиг-
нала со скоростью модуляции вплоть до 60 ГГц. Еще лучшие модуляционные ха-
рактеристики (вплоть до 100 ГГц) могут быть обеспечены диодами Шотки.
Большой интерес представляет оценка предельных возможностей ВОЛ-
ПИ. Проведенные ранее теоретические и экспериментальные исследования
[ 1} позволили установить соотношение для максимального расстояния между
ретрансляторами L и скоростью передачи информации R надлине волны 1,55
мкм RL = 103 Гбит/с км.
Реальные значения L в разработанных системах ВОЛПИ ограничиваются кон-
кретными значениями затухания и дисперсии волоконного световода, что иллюс-
трируется рис. 5.2.
Как следует из рис. 5.2 при протяженности линии более 100 км проблемы оп-
тических потерь и усиления сигнала приобретают особую остроту, что вызывало
необходимость использования ретрансляторов. При этом, как правило, расстоя-
ние между ретрансляторами составляло порядка 75 км. Это, например, означает,
что при протяженности линии в 7500 км необходимо использовать 100 ретрансля-
торов. Безусловно, такой подход, ограничивал технические возможности ВОЛПИ,
так как введение в систему дополнительных электронных устройств неизбежно
приводит к дополнительной задержке сигнала, что существенно ограничивает про-
пускную способность линии.
Решение этой проблемы было найдено исследователями английского уни-
верситета Саутгемптона (1985—1986 гг.), реализовавшими эффект полностью оп-
тического усилителя на длину волны 1,55 мкм в кварцевом волокне, легирован-
ном эрбием, при его накачке коротковолновым излучением с длиной волны
650 нм. При этом усиление сигнала составило 125 дБ. Последующие интенсив-
ные исследования и разработки позволили разработать эффективные волокон-
ные усилители, легированные эрбием (EDFA) с накачкой полупроводниковыми
лазерами на длине волны 980 или 1480 нм. В этом случае излучение накачки
вводится в сигнальное волокно и на протяжении участка, легированного эрбием,
сопровождает сигнал, одновременно усиливая его. Чрезвычайно узкая сердцеви-
на одномодового волокна концентрирует энергию накачки в пределах очень ма-
лого объема, что дает возможность добиться необходимого усиления даже при
мощности накачки в несколько мВт.
Если рассматривать когерентные системы связи как третье поколение ВОЛПИ,
то системы, функционирующие с использованием EDFA представляют их четвер-
тое поколение. Дальнейшие исследования в этом направлении, которые условно
можно отнести к пятому поколению ВОЛПИ, позволили реализовать волоконно-
оптические усилители, легированные празеодимом или неодимом, которые опти-
мальны для систем передачи с малой дисперсией.
Дальнейшее развитие этой концепции позволило предложить и т. н. волокон-
ные усилители с распределенным усилением, содержащие слабо легированную сер-
дцевину. В этом случае даже при слабой накачке может быть устранено затуха-
ние. Это, в свою очередь, привело к идее волоконного лазера, который в принципе
представляет собой волоконно-оптический усилитель, располагающийся между
двумя зеркалами. В рассматриваемом случае может быть использована конструк-
ция с обычными зеркалами. Однако более изящным решением является использо-
вание зеркал на основе брэгговских отражателей, формируемых непосредственно
нафоточувствительной сердцевине волокна. Такой подход приводит к целому вее-
ру конструкционных решений, включая лазеры с повышением частоты вплоть до
голубой области спектра.
По-видимому, наиболее впечатляющие достижения ВОЛПИ пятого поколе-
ния, поддерживаемые солидными инвестициями, связаны с нелинейными эффек-
тами волоконной оптики. При этом, вероятно, наиболее перспективные работы в
этой области связаны с т.н. солитонами. В случае оптических солитонов импульсы
фемтосекундной длительности могут передаваться без искажений на расстояния в
тысячи километров. В этом случае из-за нелинейности среды (оптического волок-
на) для первичных ультракоротких импульсов определенной интенсивности среда
становится практически бездисперсионной.
Нелинейные эффекты в волокнах имеют и свои негативные аспекты с точки
зрения создания систем с плотным (DWDM) и сверхплотным (HDWDM) спектраль-
ным уплотнением, разработанных совсем недавно (1998—2000 гг.) [2]. К числу та-
ких проблем относится т.н. четырехволновое смешение. Очевидно, что наиболее
эффективным путем построения ВОЛПИ со спектральным уплотнением является
увеличение числа спектральных каналов. При этом, как уже отмечалось выше,
для увеличения дальности трансляции приходится прибегать к усилению мощ-
ности излучения каждого спектрального канала. В результате этого в передающей
среде (волокне) при достаточно большой суммарной мощности начинают прояв-
ляться нелинейные эффекты, при этом для />И7)Л/-систем наиболее существен-
ным оказывается эффект четырехволнового смешения, приводящий к нежела-
тельным перекрестным помехам. Это может приводить к значительным ошибкам
при спектральной дешифрации сигнала в регистрирующем терминале. Особенно
сильно этот эффект проявляется при равенстве скоростей распространения сиг-
налов по различным спектральным каналам. По этой причине в /ЭИТЭ-системах
не используются оптические волокна с т. н. смещенной нулевой дисперсией
(G.653) [2]. Для этой цели были специально разработаны волокна с т. н. смещен-
ной ненулевой дисперсией ((7.655), а также технология компенсации хромати-
ческой дисперсии.
В обеспечение /)И7)Л/-систем были разработаны узкополосные ЛД, в том числе
приборы с перестраиваемой длиной волны, а также спектральные мультиплексо-
ры/демультиплексоры.
Создание высокоскоростных систем передачи было сопряжено с решением
еще одной серьезной проблемы, связанной с т.н. поляризационно-модовой дис-
персией (PMD).
Решение проблем магистральных ВОЛПИ позволило по-новому решать и за-
дачи локальных сетей сравнительно малой протяженности с использованием но-
вых высокоэффективных Л Д и многомодовых волокон. Согласно современной кон-
цепции построения иерархии систем ВОЛПИ массовые локальные системы долж-
ны обеспечить эффективную загруженность региональных и магистральных линий
связи, что подкрепляется развитием сопутствующих информационных техноло-
гий.
Глобальная динамика развития ВОЛПИ характеризуется, например, ростом
производства оптических волокон с 6,9 млн. км в 1990 г. до 76,6 млн. км в 2000 г.,
что составляет 11-кратное увеличение. Ярким примером достижений ВОЛПИ яв-
ляется первая трансатлантическая система 7ЛГ-8, обеспечившая резкое увеличе-
ние передаваемой информации и соответственно стократное уменьшение стоимо-
сти телефонного канала. В среднем за прошедшее тридцатилетие динамичного
развития ВОЛПИ трафик ВОЛПИ и объем продаж удваивались соответственно
каждые два года и пять лет, при этом неуклонно снижалась цена передаваемой
информации.
5.2.2. Оптические волокна на принципе фотонного
кристалла для ВОЛПИ
При рассмотрении тенденций развития и характеристик ВОЛПИ, проведенных
выше, основной акцент был сделан на активные полупроводниковые оптоэлектрон-
ные компоненты этих систем. Вместе с тем в ряде случаев уже отмечалось, что и сама
среда, используемая для передачи информации, играет чрезвычайно важную и от-
нюдь не пассивную роль. Это относится и к волоконно-оптическим усилителям типа
EDFA, к волоконным лазерам и к солитонным системам. В предыдущей главе спе-
циально рассматривалось такое сравнительно новое направление, представляю-
щее одно из высших достижений оптических технологий, а именно — фотонные
кристаллы или структуры с фотонной запрещенной зоной, позволяющие созда-
вать оптоэлектронные приборы с уникальными характеристиками. Это направле-
ние представляется настолько перспективным и применительно непосредственно
к ВОЛПИ, что следует остановиться на этом вопросе более подробно, специально
выделив такое рассмотрение в отдельный раздел настоящей книги.
Для реализации фотонных структур в оптическом диапазоне требовалась раз-
работка технологии, позволяющей создавать периодическую структуру из полос-
тей диаметром примерно в один микрон, пространственно разнесенных примерно
на такое же расстояние. [3]
Технология создания оптических волокон на принципе фотонного кристалла
отличается от стандартной технологии. При использовании стандартной техноло-
гии оптическое волокно «вытягивается» при температуре 2000 °C из заготовки,
представляющей собой кварцевый стержень с легированной областью соответству-
ющего диаметра в центре. В зависимости от типа волокна эта заготовка в дальней-
шем трансформируется в оптическое волокно диаметром 125 мкм и соответствую-
щим размером сердцевины.
В технологии оптического волокна на принципе фотонного кристалла в квар-
цевую трубку диаметром 20 мм упаковываются капилляры диаметром порядка 1 мм
с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла, расположенным между
капиллярами. Из полученной заготовки производится вытяжка волокна. Подобно
стандартной технологии используется двухступенчатый процесс, при этом во вре-
мя повторной вытяжки характеристические поперечные размеры изделия умень-
шаются примерно в 10 000 раз.
Впервые оптическое волокно на принципе фотонного кристалла было получе-
но по этой технологии в 1995 г. сотрудниками фирмы Blaze Photonics (Англия).
Диаметр полых микроканалов, проходящих по всей длине волокна в 100 м,
составлял 0,3 мкм при их периодическом зазоре в 2—3 мкм. Поперечное сечение
такого волокна имело гексагональную
форму, определяемую структурой уклад-
ки капилляров в трубке.
В настоящее время известны два ос-
новныех типа оптических волокон на
принципе фотонного кристалла. Это
волокна со сплошной и полой сердце-
виной (рис. 5.3); (рис. 5.4).
Волокно первого типа представля-
ет собой сердцевину из кварцевого
стекла в оболочке из фотонного крис-
талла, характеризуемой более низким
(по отношению к сердцевине) коэффи-
циентом преломления. В рассматривае-
те. 5.3.
Рис. 5.4. Поперечное сечение увеличение
фрагмента оптического волокна на прин-
ципе фотонного кристалла с полой сердце-
виной [ 3 |.
мом случае характеристики распростра-
нения излучения определяются эффек-
том полного внутреннего отражения (как
в обычном волокне), а также «зонными»
эффектами фотонного кристалла (глава
4). Число волноводных мод в таком во-
локне определяется отношением диамет-
ра воздушных микроканалов d и их пери-
одом А. При d/A < 0,2 такие волокна яв-
ляются одномодовыми в спектральном
диапазоне прозрачности кварца.
Интенсивные исследования харак-
теристик волноводного распростране-
ния в таких средах показали, что имеет
место модифицированный эффект пол-
ного внутреннего отражения, в котором зонная структура фотонного кристалла
проявляется лишь косвенно, при этом оказывается необязательной строгая перио-
дичность расположения микроканалов, поскольку определяющим фактором явля-
ется средняя величина коэффициента преломления оболочки. Наличие таких по-
лых микроканалов позволяет более, чем на порядок увеличить относительную раз-
ность коэффициентов преломления сердцевины и оболочки по сравнению со стан-
дартным волокном. Помимо отмеченной дополнительной возможности создания
одномодовых волокон большой интерес представляют дисперсионные характери-
стики волокон на принципе фотонного кристалла, которые зависят от размеров
полых микроканалов. Волокна такого типа могут иметь аномальную дисперсию в
значительно более коротковолновой области спектра по сравнению с обычными
световодами вплоть до Л< 0,8 мкм, при этом абсолютная величина дисперсии может
более, чем на порядок превышать аналогичный параметр для стандартных светово-
дов и достигать величины 103 пс/(нм км), а сама спектральная дисперсионная зави-
симость может быть очень слабой.
В волокнах второго типа (с полой сердцевиной) световой сигнал распространя-
ется по воздушной полости с диаметром, превышающим диаметр периодически рас-
положенных пустотелых микроканалов в оболочке, образующей фотонный крис-
талл. Такая конфигурация способна каналировать излучение видимого и ИК-излу-
чения при d/A > 0,3. В этом случае волноводный режим распространения обеспечи-
вается зонной структурой фотонного кристалла. К сожалению, свойства волокон та-
кого типа еще недостаточно изучены. Казалось бы, что потери в них должны быть
достаточно небольшим из-за ничтожно малого влияния материального поглощения
и рэлеевского рассеяния по сравнению с кварцевым стеклом. В то же время экспери-
ментальные данные свидетельствуют об обратном: коэффициент затухания надлине
волны 1,5 мкм очень велик и составляет 13 дБ/км, что как выяснилось, обусловлено
отражающей способностью периодической структуры оболочки в виде фотонного
кристалла. В свою очередь, это определяется совершенством периодической струк-
туры и соблюдением условия равенства периода структуры целому числу полуволн
излучения. Это накладывает целый ряд технологических ограничений на возмож-
ность широкого применения волокон такого типа в настоящее время.
При пропорциональном изменении поперечных размеров волокна на прин-
ципе фотонного кристалла можно реализовать одномодовый режим распростране-
ния как с малой, так и с большой эффективной площадью поперечного сечения
моды. Другими словами, можно получать такие волокна с диаметром сердцевины
многократно превышающим или, наоборот, намного меньшим аналогичного па-
раметра стандартных одномодовых волокон, что очень важно с практической точ-
ки зрения. Большой размер сердцевины позволяет снизить влияние нелинейных
эффектов на форму распространяющегося по волокну светового сигнала. В то же
время при малых размерах моды заметно возрастает роль нелинейных эффектов.
Величина коэффициента затухания в волокнах на принципе фотонного кристалла
близка к аналогичному параметру для стандартных одномодовых волокон. Напри-
мер, в случае волокон на принципе фотонного кристалла с сердцевиной из чистого
кварца коэффициент затухания на длине волны 1,55 мкм составляет 0,58 дБ/км,
что достаточно близко к аналогичному параметру для стандартного одномодового
волокна (0,2 дБ/км).
Дополнительная «степень свободы», предоставляемая оптическими волокна-
ми на принципе фотонного кристалла делают их перспективными средами для
систем оптической передачи информации. В то же время, как это зачастую бывает
на начальной стадии становления новой технологии первоначальная стоимость
продукта достаточна высока — порядка 1000 долларов за 1 метр. Однако можно
ожидать, что по мере расширения рынка этих изделий и увеличения их востребо-
ванности этот ценовой параметр будет неуклонно снижаться.
5.2.3. Системы оптической связи с открытым каналом
Ранее мы уже несколько раз обращались к теме оптической связи с открытым каналом.
Это - перспективные микросистемы в интегральной оптоэлектронике (глава 3), дат-
чики оптронного типа для дистанционного оптоэлектронного контроля (глава 4).
Современный уровень управления производством все в большей степени зави-
сит от множества соединенных между собой терминалов-датчиков, преобразовате-
лей, микропроцессоров, промышленных роботов, размещенных в пределах огра-
ниченного пространства производственных помещений. В ряде случаев возникает
необходимость оперативного изменения в пределах помещений конфигурации
системы терминалов, что и вызывает потребность в разработке бескабельных сис-
тем связи. В связи с этим особый интерес вызывает возможность создания беспро-
водной оптической связи, поскольку в этом случае удается перейти от пересыщен-
ного диапазона радиочастот к оптическому диапазону спектра.
Принцип работы системы беспроводной оптической связи основан на излуче-
нии, диффузном рассеянии элементами интерьера и регистрации сигнального све-
тового потока. Такая система состоит из блока излучателя, блока регистрации и
соответствующих электронных систем управления. В отличие от ВОЛПИ
открытый канал оптической связи приводит к существенному влиянию фоновой
Рис.5.5. Спектральная плотность мощнос-
ти фонового излучения солнечной засвет-
ки (1), люминесцентной лампы (2) и на-
кальной лампы с вольфрамовой нитью при
Т = 2856 К (3).
Рис.5.6. Зависимость мощности излучаю-
щего терминала (1—4) и скорости передачи
информации (5) от размеров помещения для
комнаты (1,2) и зала (3,4) в случае матрицы
СИД, излучающих вертикально (1,3) и на-
правленных к центру потолка (3,4).
засветки (дневной свет, искусственное
освещение). Как видно из сопоставления
спектральных распределений фонового
излучения от различных источников
(рис. 5.5), наибольший интерес представ-
ляет спектральный диапазон ближней
ИК-области спектра 2 > 950 нм.
Различные аспекты создания таких
систем беспроводной оптической свя-
зи рассмотрены в [4]. На необходимую
мощность источника сигнального излу-
чения оказывает целый ряд факторов
(характер фоновой засветки, особенно-
сти используемых фильтров, характери-
стики фотоприемника), при этом наи-
более существенным фактором являет-
ся размер помещения. Как видно из рис.
5.6 (кривые 1—4), для типичных разме-
ров помещения L = 50 м минимальная
мощность излучения должна составлять
величину порядка 1 Вт.
Проведенный в [4] теоретический ана-
лиз проблемы беспроводной оптической
связи позволил установить, что размеры
помещения также существенно влияют на
скорость передачи информации RL = 260
Мбитм с-1 (кривая 5 на рис. 5.7), при этом
для помещений с протяженность 50 м
максимальная скорость передачи инфор-
мации не превышает 10 Мбит/с.
Практическая реализация систем
беспроводной оптической связи мо-
жет быть осуществлена с использованием матрицы ИД на основе GaAs, вклю-
ченных последовательно и обеспечивающих среднюю мощность излучения по-
рядка 100 мВт [4]. Фотоприемный терминал в рассматриваемом случае содер-
жал матрицу кремниевых ФД с общей площадью 0,67 см2, при этом реальная
скорость передачи составила всего 64 кбит/с, что на несколько порядков вели-
чины меньше предельных возможностей системы. Указанное обстоятельство
может быть связано с невысокими модуляционными характеристиками исполь-
зованных в [4] излучающих диодов.
С точки зрения улучшения параметров рассматриваемых систем несомнен-
ный интерес представляют излучающие диоды на основе структур в системе
In-Ga-As—P. Другой альтернативной возможностью является использование
гетеролазеров. В этом случае вследствие узкополосного характера спектров
излучения таких приборов возможно использование в фотоприемном термина-
ле узкополосных интерференционных фильтров, что позволило уменьшить мощ-
ность сигнального излучения, зависящую от спектра фоновой засветки. Кроме
того использование гетеролазеров на основе структур в системе In—Ga—As—Р
может позволить разрабатывать системы с набором оптических несущих (мно-
гоканальные системы).
5.3. Оптоэлектронные системы записи,
хранения и воспроизведения информации
Ограниченные возможности традиционных методов записи, хранения и воспро-
изведения больших массивов информации, в частности, с использованием маг-
нитной ленты потребовали разработку новых альтернативных способов. Оптоэлек-
тронный подход к решению указанной проблемы оказался настолько удачным, что
он завоевал чрезвычайно широкую аудиторию потребителей, предложив им такой
продукт как CD- и D VD-диски.
5.3.1. Оптические запоминающие устройства
на фоточувствительных носителях.
Одним из удачных вариантов решения проблемы ввода информации является ее
запись на оптический диск с помощью лазерного луча, что обеспечивает высокую
плотность записи и быстроту доступа к информации.
В качестве примера рассмотрим запоминающую систему DOR {Digital Optical
Recording), разработанную совместно фирмами Philips и Control Data.В рассматривае-
мом случае запись информации осуществляется лазерным лучом на стеклянных пла-
стинах со специальным покрытием, нанесенным на поверхность диска. В качестве
записывающего устройства используется ЛД на основе GaAlAs, излучающий в ИК-
диапазоне. Лазерный луч фокусируется в световое пятно диаметром порядка 1 мкм,
что обеспечивает возможность записи информации на дорожках шириной 1 мкм.
Сам диск вращается со скоростью 480 об/
мин, при этом скорость записи инфор-
мации составляет 250 Кбит/с. На каждом
диске монтируются по две стеклянные
пластины диаметром около 30 см, при
этом на внутренней стороне пластины
имеется термочувствительный слой, в ко-
тором сфокусированный лазерный луч
прожигает отверстия, отражающие кодо-
вую запись информации. Используемая
сэндвич-конструкция диска защищает их
от механических повреждений и загряз-
нения регистрирующей среды, что ил-
люстрируется рисунками 5.7а и 5.76 [5].
Рис. 5.7а. Конструкция оптического дис-
ка: 1 — внешнее распорное кольцо; 2 — фо-
точувствительный слой с предварительно
подготовленными спиральными бороздка-
ми; 3 — полое пространство; 4 —внешнее
уплотнение; 5 — стеклянная пластина;
6 — внутреннее уплотнение; 7 — зона запи-
си информации.
Внешний ограничивающий бор-
тик 1 фиксирует пластину 2. На каж-
дой из пластин между внешним 3 и
внутренним 4 ограничивающими по-
ясами расположена информационная
зона. Между информационными зона-
ми обеих пластин имеется зазор 6, за-
полненный воздухом. В информаци-
онную зону стеклянных пластин 7 на-
носится слой лака толщиной порядка
120 мкм, в котором сформированы
спиральные канавки с шагом 1,6 мкм.
Канавки толщиной порядка 70 нм по-
крыты слоем легкоплавкого теллурово-
Рис. 5.76. Способ записи информации на
оптическом ЗУ: 1 —покрытие из теллурово-
го сплава; 2 — слой лака; 3 — стеклянная
пластина.
го сплава, обладающего высоким коэффициентом поглощения в ИК-области
спектра. Оптический диск в целом содержит 32000 канавок, разделенных на 32
сектора, при этом система доступа к информации позволяет найти нужную ка-
навку за достаточно короткое время (порядка 62 мс), а время доступа к требуе-
мому массиву информации не превышает 200 мс. Помимо секторов и канавок
оптические диски способны обеспечивать возможность формирования такто-
вых сигналов за счет периодического изменения глубины канавок. Информа-
ция на оптических дисках проявляется в виде наличия или отсутствия лунок,
прожженных лазерным лучом [5].
Диаметр информационных лунок составляет величину порядка 1,3 мкм при
минимальном расстоянии между ними 1,6 мкм, что соответствует плотности
записи информации порядка 3 105 бит/мм2, что практически на два порядка
величины превышает аналогичный параметр для магнитной записи.
В процессе считывания информации сфокусированный лазерный луч пада-
ет на прозрачную сторону покрытия, отражается от информационной зоны, про-
ходит через полуотражающую призму, с помощью которой часть излучения от-
клоняется от первоначального пути и падает на фотодиод.
Для точного следования лазерного луча по дорожке имеется специальная
сервосистема. Чувствительность схемы балансировки положения луча позволя-
ет отслеживать середину дорожки с точностью 0,15 мкм, при этом вторая опто-
электронная сервосистема следит за положением объектива, фокусирующего
световое пятно на дорожке в круг диаметром не более 1 мкм. Проведенные оцен-
ки показывают, что при информационной плотности 1010 бит на 1 строку эффек-
тивная интенсивность ошибок составляет 10-12.
С точки зрения возможности использования в системах оптической записи
ЛД должны удовлетворять следующим требованиям [6]: пиковая мощность
Р > 40 мВт, частота повторения импульсов более 30 МГц, возможность работы
на основной пространственной моде как в плоскости р-и-перехода, так и пер-
пендикулярно р-и-переходу.
Проведенный в [6] анализ показывает, что в случае оптического диска диамет-
ром 30,5 см максимальный объем информации Со и скорость записи R даются соот-
ветственно выражениями:
1010dwzn
2
(5.1)
Я = 25,71 ™ бит/с
(5.2)
где NA — числовая апертура, Л — длина волны.
Как видно из приведенных выражений, с точки зрения оптической записи пред-
почтительно использование более коротковолновых лазеров. Это объясняет те ин-
тенсивные исследования, которые постоянно предпринимаются с целью реализа-
ции надежных коротковолновых ЛД. В связи с этим понятны усилия передовых
оптоэлектронных фирм, направленные на разработку ЛД на основе структур широ-
козонных нитридов, которые в настоящее время уже привели к разработке доста-
точно надежных приборов (с ресурсом более 10 000 часов),излучающих в фиолето-
вой области спектра (Л » 400 нм).
В оптоэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ) фирмы NEC использу-
ется оптический диск диаметром 30,5 см и с информационной емкостью 1,3 Гбайт,
содержащий 40 000 дорожек, разбитых на 70 секторов, среднее время выборки
составляет 450 мс при скорости передачи данных 810 Кбит/ с и скорости враще-
ния диска 900 об/мин. В оптических ЗУ фирмы Matsushita (Япония) использует-
ся оптический диск с регистрирующей средой на основе теллура, допускающий
до 1 млн. операций записи и стирания информации. Емкость диска составляет
700 Мбайт при среднем времени выборки 500 мс и скорости передачи данных 5
Мбит/с.
История современных CD (компакт-дисков) насчитывает уже более 15 лет. За
это время появились новые технологические возможности, а самое главное резко
расширился рынок, требующий дальнейшего совершенствования изделий этого
направления. Такие перспективные изделия уже имеют свое название, а именно:
HD CD (High Density Compact Disk), при этом в основе нового продукта лежат уже
упоминавшиеся выше длины волны лазерного излучения (т.е. переход на приборы,
основанные на широкозонных нитридах).
Естественно, CD предназначенные, для записи звука, не являются оптималь-
ными для компьютерных применений. История нового типа оптоэлектронных ЗУ
с хорошо известной аббревиатурой DVD ведет с 1995 года, когда крупнейшими про-
изводителями DVD (Toshiba, Matsushita, Sony, Philips, Time Warner, Pioneer, JVC,
Hitachi, Mitsubishi Electric) было достигнуто принципиальное соглашение, утвер-
дившее формат и название нового типа продукта, а именно DVD (Digital Video Disk,
которое иногда расшифровывается как цифровой многофункциональный диск),
массовый выпуск которого начался в четвертом квартале 1996 г.
5.3.2. Фоторегистраторы
Оптическая запись информации может осуществляться и с использованием таких
традиционных регистрирующих сред как фотопленка. В этом случае необязательно
использование ЛД, так как вполне удовлетворительные результаты могут быть полу-
чены с использованием СИД или светоизлучающих формирователей изображения.
При оптической записи информации на фотопленку необходимо принимать
во внимание спектральную зависимость фоточувсвительности эмульсии.
Эмульсия с пологой спектральной характеристикой в пределах спектра излуче-
ния СИД требует лишь правильного применения стандартного уравнения экспо-
нирования:
H = Et. (5.3)
Определенная тонкость в использовании этого соотношения заключается в правильном
применении системы величин. В том случае, когда Я выражается в эргах, деленных на
см2, то можно связать эту величину с энергетической освещенностью (мкВт/см2):
Н (эрг/см = 10Е (мкВт / см2) t(c).
(5.4)
Значение Е (или Е/) зависит от характера оптической связи между СИД и фото-
пленкой. В том случае, когда линзы не используются, а расстояние между источни-
ком излучения и фотопленкой составляет J, справедливы соотношения:
Е(лк) = Iv (мкд)/(Р (мм2). (5.5)
Ее (мкВт/см 2) = 100/ (мкВт/ср)/(Р (мм2). (5.6)
При применении линз справедливы соотношения:
£ (лк) = (лТ/4П2)£ (кд/м2), (5.7)
(,8)
412 \ CM J
В том случае, когда зависимость чувствительности фотопленки 5п от длины
волны можно не учитывать, приближенно для максимальной экспозиции ЯтЬ1 можно
записать:
Hmin« 0,8 / Sn. (5.9)
Используя приведенные выше уравнения можно получить выражение,позволяю-
щее рассчитать время экспонирования для Т= 0,8, необходимое для достижения
10%-ного превышения плотности фона:
(5.10)
Приведенное соотношение дает лишь минимальную величину времени экспо-
нирования. На практике для получения удовлетворительных изображений вели-
чина экспозиции может в 10 —100 раз превышать это минимальное значение.
В случае, когда спектральная зависимость 5п достаточно сильна, для опреде-
ления экспозиции следует проводить интегрирование в соответствии с соотно-
шением:
Ее(мкВт / см1)((<:)= 10
(эрг/см2)
(5.Н)
p(k>pr(k>a
где S (Л) — спектральная зависимость чувствительности пленки (эрг/см2)-1, ajr (Л) —
безразмерная величина, характеризующая относительную спектральную плотность
излучения СИД.
Этот подход может быть использован с применением многоэлементных светоиз-
лучающих монолитных шкал. В качестве базового материала в этом случае использу-
ются структуры на основе GaAsP, при этом размер элементов составляет 20x100,
35x20 или 60x60 мкм при межэлементном интервале 50 или 200 мкм и числе элемен-
тов модуля 32, 100 или 112. Конструктивно многоэлементные модули шкал выпол-
няются с выводом излучения вверх или в торец. Установлено, что при непосред-
ственном контакте излучателей с фотоносителями при использовании волоконных
шайб достигается четкая запись информации при токе через светоизлучающий эле-
мент порядка 50—100 мкА, при этом сила света элементов таких модулей шкал со-
ставляет 35— 40 мккд при токе 1 мА, а разброс силы света между отдельными элемен-
тами не превышает 45 %.
Конструктивные особенности рас-
смотренного выше фоторегистратора
иллюстрирует рис. 5.8.
В рассматриваемом случае основны-
ми элементами записи информации на
фотоносители являются излучающий
терминал 1, стекловолоконный блок 2 и
фотопленка 3.Изображение, формиру-
емое элементами шкалы, передается
контактным способом с помощью воло-
конно-оптических пластин с диаметром
отдельного волокна 8 мкм и апертурой
0,5-0,8, при этом зазор между фото-
пленкой и стекловолоконным блоком
не превышает 10—15 мкм. Достигаемый
в такой системе коэффициент контрас-
та составляет 0,9 на пространственной
частоте 10лин/мм.
Рис. 5.8. Макет конструкции фоторегист-
ратора.
5.3.3. Системы на основе интегрально-оптических элементов и ОБУ
Подобно тому, как триггер является ключевым элементом традиционного компь-
ютера, аналогичную же роль способны выполнять и оптоэлектронные переклю-
чатели. Оптоэлектронный переключатель формата 1x1 может быть реализован с
использованием рассмотренного раньше интерферометра Маха-Цендера. В этом
элементе изначально единый световой поток разделяется на два световых луча. В
зависимости от модуляции относительной фазы возможны комбинации как сло-
жения, так и вычитания световых потоков.
В том случае, когда выход одного переключателя подключается ко входу ана-
логичного элемента, это может привести к оптической нелинейности среды, что
вызывает возникновение обратной связи, при которой переключатель может на-
ходиться в одном из двух стабильных состояний. Это и обеспечивает реализацию
триггерной функции, одной из фундаментальных функций компьютера.В рас-
сматриваемом случае может наблюдаться гистерезисный характер зависимости
интенсивности выходного пучка от интенсивности входного пучка, что может
быть использовано в оптоэлектронных ЗУ.
Другим чрезвычайно интересным элементом для создания систем оптоэлект-
ронных ЗУ являются т.н. оптические бистабильные устройства (ОБУ), также ха-
рактеризуемые проявлением нелинейно-оптических характеристик. В качестве
элементов таких систем м. б. уже рассмотренные ранее приборы на основе соб-
ственного электрооптического эффекта (SEED). Как уже отмечалось ранее, в рас-
сматриваемом случае используются многослойные квантово-размерные гетеро-
структуры. Спектры оптического поглощения таких гетероструктур носят резко
нелинейный характер в зависимости от приложенного напряжение смещения. В
таких структурах также проявляется оптическая бистабильность, при э^ом в зави-
симостях интенсивности выходного светового пучка от интенсивности входного
пучка также проявляется гистерезис.
Одним из важных конструктивных вариантов SEED являются приборы сим-
метричной конструкции или т.н. S-SEED, которые реализуются за счет использо-
вания двух последовательно соединенных SEED. Такой прибор функционирует
как триггер в зависимости от интенсивности световых пучков. При этом процесс
переключения достаточно быстр с постоянной времени менее 1 нс. Из таких эле-
ментов с малой энергией переключения могут быть сформированы достаточно
плотные матрицы.
Естественно, все многообразие ОБУ не ограничивается только SEED -прибо-
рами - имеется целый ряд альтернативных вариантов. Для этой цели могут быть
использованы высокочувствительные элементы, ВАХ с участком отрицательного
дифференциального сопротивления (рис. 5.9).
Помимо проявления участка ОДС и высокой фоточувствительности для этих
приборов характерно также и проявление гистерезиса, что также иллюстрируется
рис. 5.9. На этом рисунке сплошная линия соответствует темновой ВАХ, в то время
как пунктирная — ВАХ в условиях засветки. Точки А, А ', В, С, D, D * — являются
рабочими точками схемы. Точки А, А', Z? соответствуют выключенному состоянию
в то время как точки С, D, D' относятся
к включенному состоянию. Поскольку
А, В, С, D являются рабочими точками
в отсутствие входного светового потока
состояние переключателя не изменя-
ется при варьировании напряжения
между точками А и В (С и D).
Если напряжение смещения в тем-
новых условиях устанавливается в точ-
ке В (£>), то после подачи входного све-
тового пучка рабочая точка смещается
в D'. После выключения светового сиг-
нала точка D' движется к D. В результа-
те этого ОБУ переходит во включенное
состояние.
Если первоначальному напряже-
нию смещения соответствует точка А
(С), то после включения светового пуч-
ка она переходит в точку Л* и после пре-
кращения действия светового пучка
рабочая точка возвращается в А. Таким
образом, в рассматриваемой схеме ОБУ
может быть переведено во включенное
или выключенное состояние тем же са-
мым световым пучком.
На основе больших матриц таких
ОБУ могут быть построены не только
ЗУ, но и различные типы систем обра-
ботки информации с открытым опти-
ческим каналом, что вписывается в
концепцию интегральной оптоэлект-
роники, рассмотренную в главе 3. Кон-
цептуальная схема таких устройств ил-
люстрируется рис. 5.10.
Основными компонентами такой
системы являются двумерная матрица
ОБУ (1), матрица излучателей (2), ге-
нерирующая световые пучки и опреде-
ляющая состояние «оптических триг-
геров», а также линейки фотоприемни-
ков. В этой конфигурации ОБУ нахо-
дятся в том или ином состоянии в за-
висимости от наличия или отсутствия
засветки.
Рис. 5.9. ВАХ фоточувствительного ОБУ с
отрицательным дифференциальным сопро-
тивлением (ОДС). Сплошная линия ВАХ в
отсутствие засветки, пунктирная линия—
ВАХ в условиях слабой засветки.
Рис. 5.10. Концептуальная схема построе-
ния оптоэлектронных ЗУ на основе ОБУ.
5.4. Системы визуального отображения информации
Широкий диапазон применений индикаторной техники в различных системах
визуального отображения информации как индивидуального, группового, так и
коллективного пользования в сочетании с принципиальной возможностью ре-
ализации функций индикации с использованием различных физических прин-
ципов обусловил постоянно расширяющееся многообразие разработанных и
постоянно разрабатываемых типов оптоэлектронных систем индикации. При
этом следует еще раз подчеркнуть, что развитие различных типов систем визу-
ального отображения происходит в условиях жесткой конкурентной борьбы. Это
накладывает свой отпечаток и на иерархию таких систем с точки зрения их ры-
ночной предпочтительности.
В этом смысле интересно сопоставление ключевых оптоэлектронных техно-
логий для визуального отображения информации, как они представлялись в
80-х годах прошлого века, рассмотренных в монографиях Ж. Панкова и О.Н.Ер-
макова, В.П.Сушкова, с современными приоритетами. Согласно классифика-
ции 80-х годов прошлого века наиболее интенсивные исследования проводи-
лись по следующим направлениям систем визуального отображения информа-
ции: дисплеи накального типа, вакуумно-люминесцентные (или катодолюми-
несцентные), жидкокристаллические, электролюминесцентные, газоразрядные
(или плазменные), полупроводниковые, электрофорезные, электрохромные
дисплеи, системы на основе гальванического осаждения и т.н. световых клапа-
нов и т. д. Современная же иерархия систем визуального отображения инфор-
мации хотя и сохранила существенную часть приоритетов 80-х годо з XX века все
же в значительной степени трансформировалась, чему и посвящено следующее
ниже рассмотрение. В связи с изменившимися приоритетами основное внима-
ние будет уделено наиболее перспективным с современной точки зрения дисп-
лейным технологиям.
5.4.1. Классификация систем визуального отображения информации
Как уже отмечалось выше, по характеру использования все системы отображе-
ния информации можно разделить на системы индивидуального, группового и
коллективного использования.
По характеру визуализации информации все типы систем отображения мож-
но разделить на две большие группы: активные и пассивные. При всем разли-
чии физических принципов функционирования общим для систем индикации
активного типа является то, что в них осуществляется преобразование электри-
ческой энергии в световую. В системах пассивного типа для отображения ин-
формации принципиально наличие внешнего светового потока, который моду-
лируется внешней средой.
По морфологическому принципу системы индикации можно разделить на
несколько больших групп: дискретные элементы, знаковые индикаторы, моду-
ли шкал, экраны и табло.
Естественно, существует характерная для каждого класса систем визуально-
го отображения информации классификация по конструкционным характе-
ристикам, включая межэлементный зазор, их размеры и т.д., подробности о
которых можно найти в специальной литературе, приведенной в библиогра-
фии.
Для того, чтобы в полной мере оценить потенциальные возможности и
проблемы индикаторной техники, попробуем сначала сформулировать основ-
ные технические требования к «идеальному индикатору». Они могут быть пред-
ставлены в следующем обобщенном виде:
• способность воспроизведения информации любого характера;
• яркостный контраст изображения не менее 4:1 при внешней освещенности
от 0 (полная темнота) до 100 000 лк (освещение прямыми солнечными луча-
ми) при малом энергопотреблении;
• совместимость по напряжению питания со стандартными биполярными и
МДП ИС управления, высокое быстродействие и, как следствие, возмож-
ность мультиплексного режима управления, рассмотренного ранее;
• различные цвета отображения для цветового кодирования информации;
• достаточно большой угол обзора отображаемой информации;
• рабочий диапазон температур от —60 до +70 °C, стойкость к термоциклиро-
ванию, влаге, воздействию радиации, вибрации, ускорениям и ударам;
• срок службы не менее 10 000 ч. и срок хранения не менее 15 лет;
• минимальные габаритные размеры и масса в пересчете на заданный харак-
тер отображения;
• достаточно низкая стоимость.
Новое время и успехи предыдущих разработок добавили к приведенному
выше перечню требований также и возможность стереоскопического отобра-
жения информации, малое энергопотребление, возможность реализации плос-
кой и гибкой конструкции, что является текущими проблемами такого рода
систем.
Ни один из существующих типов систем визуального отображения пока в
не состоянии удовлетворить всем перечисленным требованиям и, как след-
ствие, претендовать на абсолютное лидерство как сегодня, так и в недалеком
будущем. Более того, перечисленные требования являются движущим стиму-
лом развития индикаторной техники. После краткого анализа классифика-
ции и технических требований к системам индикации перейдем к рассмотре-
нию различных вариантов реализации систем визуального отображения ин-
формации, основанных на различных физических принципах.
5.4.2. Типы оптоэлектронных индикаторов
Подобно тому, как в основе проектирования оптоэлектронных датчиков лежит
целый ряд различных физических механизмов, аналогичная ситуация имеет
место и в случае систем визуального отображения информации.
5.4.2.1. Вакуумно-люминесцентные индикаторы
762 мм
Физической основой вакуумно-люминесцентных индикаторов (ВЛИ) является
преобразование кинетической энергии ускоренных в электрическом поле электро-
нов при их взаимодействии с кристаллофосфором в световую энергию вследствие
низковольтной (10—100 В) или средневольтной (100—300 В) катодолюминесцен-
ции. При этом на первой стадии происходит возбуждение кристаллической ре-
шетки кристаллофосфора с его последующей передачей центрам люминесценции.
Конструкция ВЛИ иллюстрируется рис. 5.11.
В рассматриваемом случае эмитте-
ром электронов служат накальные ок-
сидные катоды, расположенные в плос-
кости, параллельной анодной плате и
плоскости управляющих электродов,
при этом модуляция электронного по-
тока осуществляется с помощью управ-
ляющего электрода — сетки. Ускорен-
ные электроны бомбардируют анод,
покрытый люминофором, вызывая его
свечение.
Широкое использование ВЛ И в си-
стемах визуального отображения инфор-
мации обусловлено рядом факторов [7]:
• во-первых, достаточно высокой
яркостью (до 3500 кд/ м2) изображения
при умеренной величине потребляемой
энергии и сравнительно невысоком ра-
бочем напряжении, допускающем со-
пряжение с интегральными МОП -мик-
росхемами;
• во-вторых, возможностью цветового кодирования информации с использовани-
ем трех основных цветов (красный, синий, зеленый);
• в-третьих, возможностью отображения информации в системах индивидуально-
го, группового и коллективного пользования;
• большой угол обзора (до 160°)
• долговечность до 50 000 ч.
В качестве катодолюминофоров в промышленности используются такие мате-
риалы,как ZnS\ Ag, ZnCdS: Al, ZnO, Y2 O2 5: Eu.
Анализ проблем, связанных с повышением эффективности катодолюминофо-
ров, проведенный в работе 7, показывает, что эффективность свечения люминофо-
ров т/ в зависимости от тока анода определяется соотношением:
7±S
IU ’
где L — яркость свечения люминофора, S — площадь, /—ток анода, U — приклады-
ваемое напряжение. Данные по зависимости относительной эффективности като-
долюминесценции (КЛ) от напряжения смещения, подаваемого на анод, приведе-
ны в табл. 5.1 [7].
Таблица 5.1. Зависимость эффективности КЛ в различных люминофорах,
используемых в ВЛ И [7].
Напряжение на аноде, В Люминофор ZnO у202 S:Eu
ZnS:Ag ZnCdS.Al
50 0,57 0,83 0,95 0,6
100 0,65 1,3 0,95 0,8
400 0,73 2,3 1,0 1,0
500 0,9 3,1 1,0 1,7
800 1,6 3,9 0,98 2,8
1000 1,8 4,2 1,0 3,3
Из представленных данных можно сделать вывод:
• эффективность рассмотренных выше люминофоров, как правило, возрастает с
увеличением напряжения или энергии электронов.
Повышение напряжения на управляющем электроде может вызвать искажения
струн управляющего электрода. В связи с этим необходимо повышение резонанс-
ных частот в соответствие с соотношением:
2/^J
(5.13)
Здесь и— резонансная частота, п — номер гармоники, Р — сила натяжения, р — плот-
ность материала, SJ — соответственно площадь поперечного сечения и длина струны.
Работы по поиску и использованию эффективных люминофоров не прекраща-
ются, что позволило получить среды со светоотдачей на уровне 10—12 лм /Вт.
Опыт разработки различных типов ВЛИ, накопленный в 70-е годы прошлого
века, позволил выделить ряд перспективных направлений развития этого класса
индикаторов. Во-первых, это многоцветные индикаторы для контроля функциониро-
вания различных машин и агрегатов (аналоговые шкалы-указатели, мозаичные мне-
мосхемные индикаторы, содержащие сведения о состоянии различных функциональ-
ных элементов и системы в целом) с использованием цветового кодирования.
Во-вторых, это гибридные вакуумно-полупроводниковые сборки, используе-
мые в качестве активного элемента собственно ВЛИ, а в качестве элемента управле-
ния навесные полупроводниковые многоразрядные сдвиговые регистры.
Как перспективное направление создания плоского телевизионного экрана
рассматривается дальнейшее увеличение информационной емкости ВЛИ. Еще в
80-е годы прошлого века фирмой «Ле» были продемонстрированы двухцветные сине-
зеленый и красный ВЛИ форматом 240x320.
Современное состояние в области разработки и изготовления ВЛИ проанали-
зировано в [8]. За рубежом разработкой ВЛИ (Vacuum fluorescent displays или VFD)
занимаются несколько фирм (в основном японские — Futaba, Noritake), а России —
преимущественно НИИ «Волга».
Зарубежные ВЛИ предназначаются, в основном, для отображения буквенно-
цифровой, иллюстрирующей и графической информации без градаций серой шка-
лы и цветосинтеза, при этом размер информационного поля, как правило, не превы-
шает 200 см2. В качестве примера можно привести систему GP1063 фирмы Futaba с
размерами информационного поля 256x64 мм. Можно предполагать, что основной
причиной того, что японские разработчики не освоили следующий размерный диа-
пазон, явилась конкуренция с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ).
В то же время в России не прекращались работы по созданию крупноформат-
ных ВЛИ. В частности, в НИИ «Волга» созданы монохромный ВЛИ-экран форма-
том 769x576, с шагом 0,22 мм, а также прототипы 7-, 10-, 12- и даже 14-дюймовых
дисплеев с форматом изображения SVGA (800x600) 8. В то же время проблемы дол-
говечности сульфидных люминофоров и высокая стоимость драйверных микро-
схем для работы с напряжением 200—300 В сдерживают работы в указанном на-
правлении.
По аналогии с ЖКИ одним из перспективных направлений дальнейшего разви-
тия считается развитие технологии ВЛИ с активно-матричной адресацией. В основе
технологии активно-матричных индикаторов лежит использование матрицы тонко-
пленочных однотранзисторных ячеек управления пикселями индикатора, выполня-
ющих функции адресации и коммутации, при этом функцию памяти выполняют
межэлектродные емкости ЖКИ-ячеек. При этом вследствие низкой подвижности
электронов и дырок тонкопленочные транзисторы даже в конфигурации однотран-
зисторной ячейки управления пикселями занимают до 15 % площади индикатора с
активно-матричной адресацией.
С учетом опыта разработки ЖКИ с активной матричной адресацией (AMLCD)
для обеспечения допустимой плотности дефектов требуется иметь чрезвычайно
высокую однородность тонкопленочных структур аморфного кремния или поли-
кремния по всей площади устройства. Это, в свою очередь, определяет высокую
стоимость индикаторных систем и уровень капитальных затрат для их производ-
ства, Применительно к ЖКИ стоимость завода по выпуску 150 тыс. изделий в год
оценивается в 500 млн. долл.
Очень интересным и перспективным представляется направление, связанное с
разработкой систем на принципе автоэлектронной эмиссии или систем с т.н. «хо-
лодным катодом». Это направление в перспективе способно привести к разработке
низковольтных плоских аналогов до сих пор широко используемых электронно-лу-
чевых трубок (ЭЛТ) [9].
5.4.2.2. Газоразрядные индикаторы
Физический принцип функционирования газоразрядных индикаторов (ГРИ) ос-
нован на преобразовании электрической энергии в световую при возбуждении
«электронным ударом» атомов газа, который в рассматриваемом случае являет-
ся активной средой, с последующим преобразованием энергии возбуждения в
видимое излучение. В качестве газа-наполнителя, как правило, используется
неон с небольшим количеством аргона или ксенона.Оптимальные параметры
газового наполнения выбираются с учетом обеспечения необходимой яркости
свечения, минимизации напряжения разряда, потребляемой мощности, а так-
же обеспечения заданных частотных характеристик и увеличения долговечнос-
ти устройств. Поскольку собственное свечение газа-наполнителя имеет оран-
жевый цвет, варьирование цвета свече-
ния достигается за счет использования
различных фотолюминофоров.
Принципиальная схема ячейки
ГРИ и конструкция ГРИ-панели при-
ведены на рис. 5.12 и 5.13.
По сравнению с ВЛИ газоразряд-
ные индикаторы характеризуются до-
статочно большими рабочими напря-
жениями порядка нескольких сотен
вольт и меньшими значениями ярко-
сти изображения, сравнительно невы-
сокой разрешающей способностью
(размер элемента, как правило, не
меньше 1,5x1,5 мм). Кроме того инди-
каторные модули с использованием
ГРИ требуют достаточно сложных си-
стем управления, содержащих высоко-
Рис. 5.12. Принципиальная схема ГРИ-
ячейки.
вольтные элементы.
В то же время уже в 80-х годах прошлого века технология ГРИ позволяла
создавать информационные панели достаточно большой информационной ем-
кости. Фирмой Photonics Technology была разработана индикаторная панель раз-
мерами до 3 м2, содержащая матрицу элементов отображения форматом
4096x4096. Достаточно большой размер пикселя (от 3 до 100 мм и более) делает
предпочтительным их применение в системах коллективного пользования.
В России в настоящее время освое-
но изготовление различных модифика-
ций экранов на основе ГРИ с разреша-
ющей способностью 3, 6 и 12 мм, по-
строенных по модульному принципу.
Размер информационного поля моду-
ля с трехцветными пикселями состав-
ляет 0,4 х 0,4 м, при этом количество
воспроизводимых цветов составляет
32768 [10].
Стеклянный диэлектрик
Рис. 5.13. Конструкция ГРИ-панели
5.4.2.3, Электролюминесцентные индикаторы
Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) являются еще одной разновиднос-
тью индикаторных систем плоской конструкции.
Электролюминесценция в порошковом ZnS, легированном медью, была открыта
Ж. Дестрио еще в середине 30-х годов прошлого века, однако, как это часто бывает
на начальной стадии исследований, проблему деградации удалось решить Лемеа-
ну, предложившему путь ослабления миграции ионов Си за счет подавления сер-
ных вакансий в этом материале, что, в свою очередь, позволило резко увеличить
срок службы ЭЛИ постоянного тока.
Вплоть до настоящего времени остаются вопросы, связанные с физическими
механизмами, ответственными за электролюминесценцию. Она может быть ре-
зультатом передачи энергии от одной примеси к другой, приводимой в возбужден-
ное состояние (например, от Си к Мп). В альтернативном варианте она может быть
следствием прямого ударного возбуждения люминесцентного центра, как это име-
ет место в ZnS\TbFy Возможна также и электролюминесценция как следствие до-
норно-акцепторных переходов.
Типичная конструкция тонкопленочного ЭЛИ представлена на рис. 5.14.
Технология тонкопленочных ЭЛИ
Металлический
электрод (AI)
<о
Активный слой
(ZnS : Мп ~ 5000 А)
Изолирующий
слой ( ~ 200А)
Стеклянная
подложка
Прозрачный
электрод (SnOJ
Рис. 5.14. Конструкция ЭЛИ
предусматривает последовательное на-
несение на стеклянную подложку мето-
дом испарения: изолирующего слоя
окиси иттрия, люминофора, в качестве
которого наиболее часто используется
сульфид цинка с примесью марганца,
верхнего изолирующего слоя окиси ит-
трия, а также алюминиевых электродов.
Генерация света происходит в ЭЛИ
в области толщиной менее 2 мкм в об-
ласти, перпендикулярной электродам, расстояние между которыми задается с по-
мощью фотолитографических методов с точностью до 1 мкм.
Первые многоэлементные приборы были монохромными устройствами фор-
мата 640x400 и 640x480. Они до сих пор находятся в обращении благодаря своему
высокому контрасту даже в условиях интенсивной внешней засветки. Длительное
время дальнейшее развитие сдерживалось невозможностью полноцветного отобра-
жения, что являлось одним из недостатков по сравнению, например, с ЖКИ.
При возбуждении с частотой 5 кГц и амплитуде управляющего напряжения
200-250 В яркость желто-оранжевого свечения составляла 5000—6000 кд/м2.
Экспериментальными исследованиями было установлено, что использование
в качестве люминофора сульфида стронция, активированного трехфтористым це-
рием, позволяет получить интенсивное свечение в синей области спектра, при этом
светоотдача составляла всего 0,15 лм/Вт. ЭЛИ фирмы Sigmatron Nova имели формат
96x160 при площади устройства 5,2x7,6 см2 и разрешении в горизонтальном и вер-
тикальном направлениях соответственно 20 и 20,8 линий на сантиметр.
Таким образом, задача достижения полноцветного отображения стала одной
из ключевых задач ЭЛИ, что привело к интенсивному поиску люминофорных сред,
что позволило разработать широкую гамму материалов, параметры которых приве-
дены в таблице 5.2 [И].
Таблица 5.2. Основные параметры люминофоров, используемых в ЭЛИ.
Люминофор Цвет Цветовые координаты Яркость, кд /м2 при частоте 50 Гц Светоотдача, дм/ м2
x У
ZnS.Mn Желтый 0,5 0,5 300 3-6
ZnS: Мл/фильтр Красный 0,65 0,35 70 0,80
ZnS.Sm, F Красно-оранжевый 0,60 0,38 8 0,05
ZnS.Sm, F Красный 0,64 0,35 12 0,08
ZnS: Sm,Cl Красный 0,68 0,31 12 0,03
CaS: Eu Красный 0,67 0,33 12 0, 08
CaSSe: Eu, Красный 0,66 0,33 25 0,05
ZnS: ПО F Зеленый 0,30 0,60 100 1,30
ZnS: n,F Зеленый 0,31 0,60 90 0,60
ZnS.Mn/фил ьтр Желто-зеленый 0,47 0,53 160 1,0
ЗсУСе/фильтр Сине-голубой 0,30 0,50 100 0,8-1,6
SrS.Ce Синий 0,13 0,18 10 0,1
CaGa2 S4:Ce Синий 0,14 0,10 5 0,02
Ca0.5Sr0.5Ga2S4:Ce Синий 0,14 0,13 4,3 -
ZnS: Мп/SrS.Ce Желтовато-белый 0,49 0,48 470 1,3-1,6
Впервые об условно многоцветной RG (red/green с базовыми красным и зеле-
ным цветами) индикаторной системе на основе ЭЛИ было сообщено в 1993 г. В
основе этого устройства лежала фильтрация широкополосного излучения в систе-
ме на основе ZnS: Мп, при этом электроды рядов на стеклянной подложке были
изготовлены из непрозрачного металла (Мо) в то время, как электроды столбцов
формировались с использованием прозрачных электродов на основе окиси индия-
олова (JTO). Устройство характеризовалось хорошим контрастом (20:1 и 10:1 при
уровне внешней засветки соответственно 500 и 100 лк).
В 1994 г. было сообщено о разработке 10-дюймовой ЭЛИ-панели, передающей
8 цветов и имевшей И7Л-формат с 640х 480 элементами.
Разработчиками было осознано, что простая схема с фильтрацией может быть рас-
пространена и на полноцветные системы при замене ZnS: Мп на белый люминофор. И
как иллюстрация этого в 1995 г. был продемонстрирована первая полноцветная 9-дюй-
мовая ЭЛИ-система форматом 512x256. В этом случае столбцовые электроды на осно-
ве ПО разделялись на три секции неравной ширины с тем, чтобы достичь цветового
баланса. В данном случае активный слой, обеспечивающий «белую» люминесценцию,
состоял из многослойного люминофора на основе ZnS: Mn/SrS: Се. Яркость первич-
ной белой подсветки по площади экрана составляла 21 кд/см2, а яркость красного,
зеленого и синего сегментов составляла соответственно 7,11 и 3 кд/м2.
В последнее эта схема с фильтрацией использовалась для разработки малогаба-
ритного (1,5 дюйма по диагонали), активно-матричного (AMEL) — экрана. В рас-
сматриваемом случае в качестве активных подложек использовались структуры крем-
ния на изоляторе, рассмотренные ранее. В этом случае на частоте 3 кГц яркость
белого свечения составляла 130 кд/м2 в то время как яркость отфильтрованного
красного (х = 0, 610, у = 0,377), зеленого (х = 0,350, у= 0,660) и синего (х = 0,094;
у = 0,195) света составила соответственно 31,85 и 14 кд/ м2.
5.4.2.4. Жидкокристаллические индикаторы
История ЖКИ лишний раз иллюстрирует тот долгий и тернистый путь, кото-
рый проходит физическая концепция до ее удачной промышленной реализа-
ции, когда прибор становится одним из массовых видов продукции, использу-
емой повсеместно. В 1888 г. было обнаружено, что биологическое или, как мы
сейчас говорим органическое, вещество обладает двумя точками плавления, что
с точки зрения термодинамики может свидетельствовать о новой материальной
фазе, которая и была названа жидкокристаллической. В дальнейшем (в 1930 г.)
электрооптические эффекты исследовались в ЖК-средах В.К.Фредериком и
В.Н.Цветковым.
Исследования в области разработки жидкокристаллических индикаторов
(ЖКИ) ведутся с 1968 г., когда появилось первое сообщение об открытии эффекта
динамического рассеяния света (ДРС), использование которого позволило создать
целый ряд ЖКИ. Конструктивно ЖКИ представляли собой систему, содержащую
анод в виде золотого покрытия, активную ЖК-среду и прозрачный окисно-индие-
вый катод. Физическим принципом работы ЖКИ на эффекте ДРС является воз-
никновение центров рассеяния в объеме ЖК в условиях электрического смещения.
При освещении прибора на одноцветном (золотисто-желтом) фоне проявляется
белый рисунок, яркость которого в 20—40 раз превышает яркость фона.
Как физический объект жидкие кристаллы (ЖК) представляют очень большой
интерес с точки зрения проявления разнообразных электрооптических эффектов и
по характеру фазового состояния их можно классифицировать как нематические,
смектические, холестерические и столбчатые ЖК.
Наиболее широкое распространение нашли ЖКИ на твист-эффекте (ТЭ) в не-
матических ЖК, заключающемся во вра-
Схематическое изображение
нематической фазы (слева) и
фотография нематических
жидких кристаллов (справа).
Рис. 5.15. Структура нематических ЖК [12].
щении плоскости поляризации прохо-
дящего через прибор света. Это, в свою
очередь обусловлено анизотропным
строением ЖК-сред, что иллюстрирует-
ся рис. 5.15 [12].
Приложенное электрическое поле
переориентирует молекулы жидкокри-
сталлической среды, что приводит к из-
менению ее оптической плотности. Ви-
зуально отображаемая информация
проявляется в этом случае в виде черно-
го рисунка на слабоокрашенном сером
фоне. Конструкция ЖКИ на основе ТЭ
иллюстрируется рисунком 5.16 [12].
В конструкции используются две
стеклянные пластины с нанесенными на
них поляризационными пленками. Вер-
хний и нижний поляризаторы ориенти-
рованы перпендикулярно друг другу. В
местах формирования изображения стек-
лянные пластины содержат проводящие
слои окиси индия-олова, образующие
электроды. Пространство между пласти-
нами заполняется ЖК-средой.
В отсутствие электрического поля
свет проходит через ЖК-среду, которая
изменяет его поляризацию на 90° и бес-
препятственно выходит через верхний
поляризатор (ориентированный пер-
пендикулярно направлению нижнего
поляризатора), при этом не происходит
(ЖДНМЛОАСМТКВ)
Рис. 5.16. Конструкция ЖКИ на основе ТЭ.
формирования изображения.
В условиях электрического поля происходит переориентация молекул ЖК вдоль
силовых линий электрического поля, что приводит к формированию изображения,
образованного светлым фоном и затененной областью под включенным электродом.
Принципиальными преимуществами ЖКИ, определяющими их конкурентоспо-
собность по сравнению с другими типами индикаторов, являются: очень малое энер-
гопотребление; увеличение яркости и сохранение контрастности при усилении внеш-
ней засветки; прямая совместимость с управляющими КМОП-микросхемами; малая
толщина, делающая возможным создание плоских дисплеев; высокая долговечность.
Наряду с достоинствами ЖКИ этому классу приборов присущ и ряд недостат-
ков. По-видимому, наиболее принципиальным является существенная темпера-
турная зависимость параметров ЖКИ, в результате чего имеет место эффект лож-
ного считывания информации. Это вызывает необходимость ограничения темпе-
ратурного диапазона функционирования ЖКИ, в особенности в области низких
температур. Асимметрия индикатрисы проходящего света создает принципиаль-
ные трудности в создании ЖКИ большого геометрического размера. К числу недо-
статков ЖКИ относится также сравнительно большая инерционность.
Основные направления развития ЖКИ связаны как с устранением отмеченных
недостатков, так и с поиском новых физических эффектов в ЖК-средах, пригодных
для практической реализации. С точки зрения уменьшения влияния температур-
ного дрейфа параметров перспективно использование в технологии ЖКИ т.н. ори-
ентирующих слоев из неорганических материалов, например из окиси кремния,
с нанесенными на них неорганическими мелкодисперсными составами.
Как уже отмечалось выше, были проведены интенсивные исследования аль-
тернативных физических эффектов в ЖК-средах. К их числу относятся эффект
управления полем фазового перехода (УПФП), эффект памяти в холестериках
(ЭП), эффект управления полем двойного лучепреломления. Очень интересным
представляется использование в ЖКИ смектических фаз, обладающих памятью
и обеспечивающих высокую крутизну вольт-контрастной характеристики.
Еще одним чрезвычайно интересным эффектом в ЖК-средах является т.н.
эффект «гость-хозяин» (ГХ). Особенно привлекательным является то, что при
сохранении основных достоинств ЖКИ натвист-эффекте в рассматриваемом слу-
чае появляется возможность цветового кодирования (реализация светлых симво-
лов на темном фоне при положительном дихроизме и цветных символов на тем-
ном фоне при отрицательном дихроизме), а также существенное расширение угла
обзора (вплоть до 180°).
Поскольку создание ЖКИ с малой инерционностью и большими коэффици-
ентами мультиплексирования является очень проблемным, основные усилия раз-
работчиков были направлены на создание устройств на активных подложках, в
которых элементы изображения управляются с помощью диодов или транзисто-
ров, включенных и расположенных последовательно с ЖК-элементами. Из-за ог-
раниченности размеров подложек на основе монокристаллического кремния, ге-
неральным направлением развития т.н. активных матрично-адресуемых ЖКИ ста-
ло использование тонкопленочных транзисторных структур на основе аморфно-
го кремния.
Современное состояние в области разработок ЖКИ достаточно подробно про-
анализировано в работе [12].
Типичный модуль ЖКИ содержит собственно ЖК-панель, а также модули уп-
равления и подсветки. По виду используемых физических эффектов ЖКИ мож-
но разделить на приборы на принципе пропускания, отражения и переотражения.
ЖКИ на принципе пропускания (рис. 5.16) обязательно должны содержать
тыльный модуль подсветки, что имеет свои преимущества и недостатки. К преиму-
ществам следует отнести высокое качество изображения, а к недостаткам — именно
необходимость иметь модуль подсветки, что приводит к увеличению толщины кон-
струкции, увеличению энергопотребления и необходимости периодически заме-
Рис. 5.17. Конструкция ЖКИ типа COG
нять источник подсветки.
В конструкции ЖКИ на принципе
отражения используется тыльный реф-
лектор, обеспечивающий хорошую кон-
трастность изображения при большом
уровне освещенности. В то же время при
использовании таких устройств в затем-
ненных помещениях необходима вне-
шняя подсветка.
Устройства на принципе переотра-
жения содержат как прозрачно-отража-
ющий слой, так и тыльный источник
подсветки, что обеспечивает возможность
считывания информации как при ярком,
так и слабом уровне внешней засветки.
В настоящее время существует не-
сколько вариантов конструкции ЖКИ —
экранов. Одним из них является т.н. кон-
струкция «кристалл на стекле» (СО(7),
когда драйверная микросхема размеща-
ется непосредственно на индикаторной
подложке (рис. 5.17).
Этот тип конструкции нашел широ-
кое применение в портативных прибо-
рах, хотя к ее недостаткам следует отне-
сти необходимость защиты прибора от
воздействия электромагнитного и ИК -
излучения.
Альтернативным вариантом являет-
ся т.н. технология «кристалла на плате»
(COF).
Рис. 5.18. Кристалл на полимере (COF)
В этом варианте конструкции пре-
дусмотрено расположение драйверной
микросхемы на выносной плате. К числу преимуществ указанной компоновки от-
носятся: низкая стоимость, разнообразие вариантов разводки платы; достаточно
короткий производственный цикл; достаточно широкий температурный диапа-
зон и достаточно высокая механическая прочность конструкции.
Еще один вариант конструкции предлагает т.н. технология «кристалла
на полимере» (СОЕ), когда управляющая микросхема, пассивные элементы,
схема температурной компенсации и ПЗУ располагаются на тонкой полиимид-
ной пленке (рис. 5.18).
5.4.2.5. Индикаторы на основе микроэлектромеханических
систем fMEMS^
В последнее время достаточно большую популярность получили индикаторные
системы на основе т.н. микроэлектромеханических (МЕМ) систем. Микромехани-
ческие системы в последнее время начинают все более и более интенсивно исполь-
зоваться в оптоэлектронике, свидетельством чего является проведенное ранее (гла-
ва 3) краткое рассмотрение возможностей этой технологии применительно к ин-
тегральной оптоэлектронике.
Достаточно подробный анализ современного уровня развития индикаторов на
основе микроэлектромеханических систем (MEMS) проведен в работе [13].
Индикаторные системы MEMS представляют собой массивы модуляторов света,
работающих как на просвет, так и на отражение, при этом их конфигурация может
быть как матричной (двумерной),так и одномерной (в виде линейной шкалы).
В основе технологии MEMS лежит формирование подвижных или деформируе-
мых отражателей, создаваемых в кремниевой подложке, при этом схема управления
индикатором может быть также сформирована на этой же кремниевой подложке.
Даже в рамках этого подхода существует ряд альтернативных технологий:
• технология DMD (Digital Micromirror Device) фирмы Texas Instruments',
• технология TMA (Tnin-Film Micromirror Array) фирмы Daewoo Electronics',
• технология GLV(Grating Light Valve) фирмы Sony',
• технология iMOD (Interferometric Modulator) фирмы Display Corp. ',
• технология iMODS (Inegrated MEMS Optical Display System) фирмы Microsoft Research;
Некоторые из перечисленных выше технологических подходов иллюстрируют-
ся рисунком 5.19.
подложка
Texas Instruments
DMD
световой поток
шторка-затвор
подложка
Е2Й83Г
подложка
опоры мембрана
Iridigm Display
IMOD
световой поток
Microsoft Research
iMODS
Рис. 5.19. Схемы различных технологических подходов Л/ЕЛ/5-технологий.
Каждый из этих технологических подходов имеет свои отличительные
признаки, обусловленные нацеленностью на определенные секторы рынка
индикаторных систем. В некоторых случаях требуется сложная оптика, как
это имеет место в случае систем DMD, ТМА. В других же случаях (iMOD) она
не требуется.
Принципы работы некоторых из перечисленных выше систем иллюстриру-
ют рисунки 5.20,5.21 [13].
В рассматриваемом случае свет проходит через коллиматор, формирую-
щий однородный параллельный поток, направляющийся надисковый свето-
фильтр. Для каждой цветовой (RGB) компоненты кадра модуляция разнесена
во времени, при этом во избежание эффекта мерцания кадра выбирается дос-
таточно высокая частота вращения кадра (около 480 оборотов в минуту).Пос-
ле светофильтра световой поток проходит через фокусирующую оптику и по-
падает на поверхность микрозеркального модулятора, после чего промодули-
рованный пучок фокусируется в плоскости выходного объектива и направля-
ется на экран.
В этой схеме микрозеркала имеют два рабочих состояния (открытое состо-
яние, при котором луч попадает на экран, а также закрытое состояние, когда он
попадает в оптический поглотитель).
В конструкции DMD-модулятора
используется трехэтажная геометрия.
Первый ярус образует кремниевая под-
ложка, на которой сформированы шины
адресации и площадки электродов для
разряда емкости «коромысла» и подачи
напряжения смещения. Второй ярус об-
разуют вытравленные столбцовые опо-
ры для электродов адресации и столби-
ки-опоры для крепления шарнирной
перемычки, на которой и формируется
плоскость «коромысла», являющаяся
подвижной пластиной микроконденса-
тора. В третьем ярусе травлением фор-
мируется опорная «стойка» с поверхно-
стью микрозеркала.
При подаче на электроды адреса-
ции управляющего сигнала нижняя
обкладка микроконденсатора начина-
ет перемещаться под воздействием
электростатических сил. После пре-
кращения действия сигнала некоторое
время микрозеркало продолжает дви-
жение, но после касания кончиками
коромысла проводящих электродов,
происходит разряд его емкости и для
перемещения в исходное положение на
него подается напряжение обратной
полярности.
Проведенное краткое рассмотре-
ние дает представление об особеннос-
тях Л/£Л/5-индикаторов. Более подроб-
ное рассмотрение альтернативных тех-
нологий можно найти в 111—10]. Здесь
же достаточно отметить: достигнутый
формат устройства составляет 1280x768
элементов (применительно к техноло-
гии DMD и ТМА, при этом достигаемое
разрешение составляет 1000 и 50 точек
на дюйм (в технологии iMOD и iMODS
Плата обработки изображения Объектив
\ Процессор Буферная память /
\ /изображения / Экран
/ /Дисковые \ ХИсточниксвета
/ цветные ильт; ы 4 >птика коллиматор а
/Оптика, формирующая световой поток
Рис. 5.20. Схема функционирования про-
екционного индикатора на основе DMD-
модулятора фирмы Texas Instruments.
3 пиксела на экране Поглотитель света
Источник света' \ Объектив/
микрозеркала
Рис. 5.21. Оптическая схема микрозеркаль-
ных модуляторов.
соответственно). Представляют интерес и сравнительные данные по размерам
элемента отображения, составляющие 80x80 мкм, 47x47 мкм и 25x25 мкм соот-
ветственно для технологии DMD, ТМА и IMOD.
5.4.2,6. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы (ППЗСИ), а также инди-
каторные системы на основе СИД, являющиеся их разновидностью, представляют
яркую иллюстрацию тесной связи прогресса этого направления с новыми открытия-
ми в области технологии новых полупроводниковых материалов. О больших потен-
циальных возможностях этого направления говорит и тот факт, что ключевыми эле-
ментами большинства наиболее широко используемых оптоэлектронных (и микро-
электронных систем) являются полупроводниковые приборы.
В этом смысле ППЗСИ являются одним из наиболее универсальных классов прибо-
ров для отображения информации разнообразного характера, которые обладают опти-
мальной совокупностью свойств, обеспечивающих их широкое использование в устрой-
ствах и системах индивидуального, группового и даже коллективного пользования.
Одним из ключевых критериев при оценке различных типов индикаторов являют-
ся удельные энергозатраты, определяемые как отношение электрической мощности,
потребляемой элементом активного индикатора, к его силе света. У стандартных ин-
дикаторов типа АЛС322 удельные затраты, например, составляют всего 0,02 мВт/мккд,
что соответствует среднему уровню энергозатрат вакуумно-накальных индикаторов.
Современные же достижения в области разработки новых типов структур для т.н.
сверхъярких приборов существенно улучшили этот показатель.
На практике существенно не только количество потребляемой электроэнергии,
но и ее «качество». Как правило, все классы традиционных активных индикаторов, за
исключением вакуумно-накальных и полупроводниковых индикаторов требуют до-
статочно высоких уровней напряжения питания и управления, превышающего соот-
ветствующие уровни стандартных биполярных и МДП-микросхем. В результате это-
го для управления ВЛИ, ГРИ,ЭЛИ необходимы специальные источники питания и
буферные схемы, сочленяющие стандартные микросхемы для обработки и передачи
информации с элементами индикатора.
Еще одним из преимуществ ПЗСИ является их исключительное быстродействие.
Современная схемотехника управления индикаторами широко использует мульти-
плексный режим, позволяющий резко сократить число микросхем, используемых
для обработки и передачи информации, а этот режим требует повышенное быстро-
действие индикаторных систем. В этом смысле ПЗСИ наилучшим образом соответ-
ствуют требованиям мультиплексного управления.
По своей устойчивости к климатическим, механическим, специальным воздей-
ствиям, диапазону рабочих температур ПЗСИ, а также к деградационным явлениям
существенно превосходят остальные классы приборов и удовлетворяют требовани-
ям, которые предъявляются конструкторами к дискретным приборам и интеграль-
ным схемам.
И наконец, использование ПЗСИ позволяет резко уменьшить массу и габарит-
ные размеры устройств и систем отображения информации.
В основе функционирования ПЗСИ и СИД лежат механизмы инжекции неоснов-
ных носителей в гомо- или гетеро-р-и-переходе с их последующей излучательной
рекомбинацией.
Впервые (1923 г.) явление электролюминесценции в видимой области спек-
тра обнаружил О.В. Лосев при инжекции неосновных носителей черезр-л-пере-
ход в карбиде кремния. В результате всесторонних теоретических и экспери-
ментальных исследований в СССР и зарубежом были выяснены основные меха-
низмы излучательной рекомбинации и созданы промышленные технологии по-
лучения монокристаллов карбида кремния из газовой фазы и эпитаксиальных
слоев методом жидкостной эпитаксии (ЖФЭ), а также изготовления р-п-пере-
ходов. В итоге во второй половине 60-х годов в СССР были разработаны и осво-
ены дискретные светоизлучающие диоды (СИД) желтого цвета свечения КЛ 101А
— КЛ 101В и 7-сегментные цифровые индикаторы АЛ 105. За рубежом серийный
выпуск СИД желтого цвета свечения был организован фирмой General Electric
(США).
Однако вследствие серьезных технологических трудностей получения струк-
тур SiC с достаточно большой площадью поверхности и малой концентрацией
фоновых примесей этот материал не смог стать основным для разработки раз-
личных типов ПЗСИ и их массового производства.
Важным этапом в создании светоизлучающих приборов было получение
М.Лоренцем и М. Пилкуном высокоэффективных СИД на основе GaP, легиро-
ванного Zn и О.Однако детальное исследование излучательной рекомбинации с
участием «молекулярных» изоэлектронных комплексов «цинк — кислород» по-
зволило установить, что сублинейный характер зависимости ее интенсивности
от уровня возбуждения исключает возможность мультиплексного управления
многоэлементными приборами на основе этого материала.
Основополагающей идеей для создания высокоэффективных многоэлемен-
тных индикаторов красного цвета свечения явилось использование новых полу-
проводниковых материалов — прямозонных твердых растворов бинарных соеди-
нений А3 В5 в системах GaAsPn GaAlAs. Физические и технологические исследо-
вания прямозонных твердых растворов оптимального состава бяА^Рбыли нача-
ты М.Крэфордом и Ж. Стрингфеллоу (фирмы Monsanto и Hewlett Packard, США)
и Ж.И.Алферовым, Д.З. Гарбузовым (ЛФТИ АН СССР).
Разработчики и изготовители ПЗСИ быстро оценили преимущества струк-
тур типа GaAsP, полученных газовой эпитаксией: возможность высокой плотно-
сти упаковки светоизлучающих элементов без потери контрастности; большую
площадь (7—20 см 2) и однородность параметров по поверхности структуры;
высокое качество поверхности, позволяющее использовать планарную техноло-
гию изготовления ПЗСИ; низкую стоимость, например, по сравнению с GaP.
Интенсивное освоение зеленой области спектра при разработке полупро-
водниковых светоизлучающих приборов началось с установления П.Дином,
М. Гершензоном, Г. Каминским доминирующей роли изоэлектронной приме-
си азота в формировании коротковолновой люминесценции легированных азо-
том р-л-структур на основе GaP.
Принципиально важным этапом в разработке ПЗСИ явилось использова-
ние высокоэффективных гетероструктур в системе GaAlAs, которые по сути ста-
ли первым промышленно освоенным материалом для т.н. сверхъярких СИД.
В настоящее время отработаны два основных вида технологии изготовления
ПЗСИ, которые определяются конечным назначением прибора. Структуры, по-
лученные методом эпитаксии из газовой фазы, предназначены для т.н. планар-
но-диффузионной технологии, когда для формирования монолитных многоэле-
ментных приборов проводится локальная диффузия (как правило акцепторной
примеси цинка). В качестве примеров ПЗСИ по этой технологии можно привес-
ти монолитные приборы для микрокалькуляторов или многоэлементные свето-
излучающие шкалы.
Жидкостная эпитаксия дает в распоряжение разработчиков структуры с вы-
ращенным р-п- переходом, в том числе высокоэффективные структуры на основе
GaAlAs. В этом случае для формирования светоизлучающих элементов использу-
ется т.н. меза-технология.
Несмотря на определенную унификацию современный рынок ПЗСИ и СИД
характеризуется большим разнообразием конструкций приборов этого вида. Во
многом это определяется разнообразием конечных целей применения и конк-
ретными требованиями потребителей, при этом в отличие от других микро-
электронных приборов даже небольшие вариации внешне одной и той же кон-
струкции могут приводить к существенному изменению потребительских ха-
рактеристик прибора. В качестве примера можно привести дискретные СИД с
корпусной линзой. Как уже отмечалось в главе 2 изменение высоты линзы по-
зволяет получать как приборы с высокой силой света, но узкой диаграммой на-
правленности, так и приборы с умеренной силой света, но широкой диаграм-
мой направленности.
Особенности конструкции ПЗСИ и СИД во многом определяются использу-
емыми полупроводниковыми структурами, все разнообразие которых можно раз-
делить на две большие группы-структуры на подложках GaAs (GaAsP, GaAlAs) для
приборов красного цвета свечения и структуры на подложках СоРдля приборов
оранжевого, желтого и зеленого цветов свечения.
GaAs поглощает излучение видимого диапазона спектра, при этом излучение
из кристаллов на основе структур на подложках GaAs выходит только через верх-
нюю поверхность и такие кристаллы можно рассматривать как поверхностные
излучатели.
В случае структур на подложках, прозрачных для генерируемого излучения,
весь объем кристалла можно рассматривать как тело свечения. В этом случае оп-
тимальной является конструкция с рефлектором, отражающим вверх ту часть из-
лучения, которая выходит через боковые грани кристалла.
Конструкция с рефлектором широко используется в 7-сегментных ПЗСИ.
Необходимость увеличения размера знака при одновременном рациональ-
ном использовании полупроводниковых структур привела к разработке гибрид-
ных ПЗСИ на принципе рассеяния света (рис. 5.22).
В такой конструкции формирование изображения осуществляется при ис-
пользовании светоизлучающих кристаллов, размещенных в светорассеивающей
полости светопровода. В этом случае размеры и форма светящейся области опре-
деляются габаритами и конфигурацией светопровода.
В настоящее время можно выделить
три основные варианта конструкции све-
топровода:
• пластмассовый светопровод с верхним
рассеивающим слоем (рис. 5.22 а);
• полый светопровод с рассеивающей
пленкой (рис. 5.22 б);
• светопровод с отражающими зеркаль-
ными стенками (рис.5.22 в).
Поскольку в отличие от гибридной
конструкции генерация и вывод излуче-
ния в приборах монолитной конструк-
ции осуществляются из различных то-
пологических областей одного и того же
кристалла, постольку принципиальное
значение приобретают вопросы одно-
родности используемых полупроводни-
ковых структур, оптическая развязка и
электрическая изоляция различных све-
тоизлучающих сегментов.Кроме того,
достаточно малые размеры светоизлуча-
ющих сегментов обусловливают необхо-
димость оптимизации их формы с це-
лью ослабления влияния поверхностной
безызлучательной рекомбинации. Кон-
струкция кристалла монолитного одно-
разрядного цифрового ПЗСИ иллюстри-
руется рисунком 5.23.
Используя такие кристаллы в качес;
Рис.5.22. Различные варианты конструк-
ции ПЗСИ на принципе рассеяния света:
1 — кристалл-излучатель, 2 —держатель,
3 — светопроводящая полость, 4 - отражаю-
щие стенки, 5 - частицы рассеивателя,
6 — корпус, 7 — прозрачная крышка-корпус.
5 базовых элементов можно реализовать
различные типы многоразрядных ПЗСИ, что иллюстрируется рис. 5.24.
В рассматриваемом случае используются несколько многоэлементных моно-
литных кристаллов, размещенных на общем основании. Для увеличения видимого
изображения знака используется многоэлементная (по числу кристаллов) пласт-
массовая линза.
Подробный анализ состояния разработок многоэлементных экранов на основе
ПЗСИ проведен в работе [ 14]. С учетом высокой устойчивости ПЗСИ к воздействию
широкой гаммы дестабилизирующих факторов особый интерес представляют бор-
товые системы. Уже в конце 80-х годов прошлого столетия были разработаны авиа-
ционные дисплеи размером 15,2х 12,7 см и форматом 384x320 элементов при разре-
шении 25 линий на сантиметр. В этих системах использовались светоизлучающие
элементы желто-зеленого цвета свечения на основе GaPс яркостью 400 кд/м2. Кон-
структивно дисплеи представляли собой гибридную сборку форматом 6x5 из от-
дельных модулей форматом 64x64 вместе со схемами ключей и формирователями
тока. Серьезной трудностью дальнейшего развития этого направления стала недо-
9—2735
Рис.5.23. Конструкция кристалла монолит-
ного цифрового ПЗСИ: 1 - излучающий эле-
мент; 2 — контактная площадка.
Рис. 5.24. Конструкция монолитного мно-
горазрядного ПЗСИ типа АЛС318:
1 - стеклотекстолитовое основание; 2 — вы-
вод; 3 - моноблочная линза.
статочная эффективность излучатель-
ной рекомбинации в использованных
полупроводниковых структурах, что
обусловливало достаточно большое
энергопотребление таких систем.
В значительной степени эта труд-
ность была преодолена в последнее вре-
мя благодаря технологическому проры-
ву в области синтеза гетероструктур в си-
стемах In—Ga—Al—Nw In—G—Al—P [15],
подробно рассмотренных ранее в главе 1.
Этот технологический прорыв позволил
приступить к разработке нового поко-
ления сверхъярких СИД.
Появление таких приборов уже сейчас
позволило резко расширить сферы приме-
нения таких СИД и сформировать целое
направление в системах отображения ин-
формации [16]. Достаточно отметить, что
фирмы Forge Europa Ltd, Kingbright и ROHM
практически одновременно предложили
семисегментные индикаторы и цифробук-
венные индикаторы с размером знака от 5
до 200 мм и расширенной цветовой гам-
мой, включая как традиционные (крас-
ный, желтый и зеленый), так и новые цве-
товые оттенки (синий, изумрудно-зеле-
ный и белый). Опытные образцы таких
приборов появились в декабре 2002 г., а се-
рийная продукция с предполагаемым
объемом 100 000 тыс. шт. в месяц — в фев-
рале 2003 г.
В этой связи следует подчеркнуть,
что современные технологические воз-
можности позволяют разрабатывать
сверхъяркие СИД на принципе преоб-
разования первичного излучения в люминофорах, обеспечивающего очень широ-
кую цветовую гамму люминесценции, перекрывающую значительную область цве-
тового графика МКО,таких приборов с использованием одного и того же базового
светоизлучающего кристалла [17].
Отдельным направлением светодиодного рынка стали крупноразмерные циф-
ровые и цифробуквенные светодиодные индикаторы для использования внутри и
вне помещений. В качестве примеров можно привести индикаторы серии 5302/
SA302 фирмы SIEBERT с размером знака от 57 до 250 мм и индикаторы серии
Рис. 5.25. Структура крупноформатной (3 х 2 м) панели отображения
информации на основе СИД типа PI \5\2RGB 118].
87 фирмы VORNEс размером от 100 до 300 мм и возможностью управления от ПК
или контроллера по интерфейсу RS- 485, RS - 232.Эти приборы обладают функцией
хранения информации и энергонезависимой памяти, самотестирования при вклю-
чении питания и рядом других функций.
Современное состояние разработки крупноформатных систем визуального ото-
бражения информации на основе сверхъярких СИД представлено в работе [ 18]. С ис-
пользованием нового поколения СИД возможно создание систем, обеспечивающих
16 777 216 цветовых оттенков. В качестве примера можно привести светодиодную ото-
бражающую панель типа PI15V2RGB фирмы Power Light Systems (рис. 5.25) [18].
Рассматриваемая светодиодная панель визуального отображения информации име-
ет т.н. структуру WYSWYG(What YOUSEEis What YOU Get), пум эком она может работать
с любым видом программного обеспечения и использоваться как монитор П К. В щито-
вом дисплее могут использоваться форматы типа А VI, MPEG, EEC, BMP, JPG, GIF.
При изготовлении таких панелей используются сверхъяркие СИД с большим
углом обзора порядка 120°, при этом сила света СИД красного, зеленого и синего
цветов свечения составляет соответственно 1,2—1,5; 2—2,5 и 0,8—1,2 кд.
В зависимости от размеров системы горизонтальный угол обзора и расстояние
восприятия могут составлять соответственно 120° и 150—200 м.
5.4.2.7. Индикаторы на основе органических электролюминесцентных
структур (OLEDs)
При всей своей значимости в современных системах визуального отображения ЖКИ
как индикаторы пассивного типа не могут удовлетворить требованиям, предъявля-
емым к «идеальным индикаторам» даже в такой важной сфере, как мониторы
для переносных персональных компьютеров. Даже самый плоский современный
ЖКИ-экран с размером по диагонали 265 мм имеет толщину порядка 11,5 мм и
весит он около 500 г. Такой экран представляет собой достаточно сложную много-
ярусную систему с ярусами поляризаторов, ЖК-слоев, цветных фильтров и стек-
лянных подложек с прозрачными проводящими электродами. В такой системе ис-
пользуется внешний источник подсветки белым светом, а сам экран по сути выпол-
няет функцию активного фильтра. К числу недостатков ЖКИ-экранов следует от-
нести и намного худшую цветопередачу, например по сравнению, с традиционны-
ми цветными электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Несмотря на то, что техноло-
гия ЖКИ-экранов достигла зрелого состояния в настоящее время идут интенсив-
ные поиски альтернативных технологий.
В качестве одной из возможных альтернатив ЖКИ в последнее время рассмат-
риваются индикаторные системы на основе органических электролюминесцент-
ных структур (OLEDs), рассмотренных ранее в главе 1.
Еще раз подчеркнем, что есть «генетическая» связь этого направления с ПЗСИ,
поскольку в данном случае мы имеем дело с органическими полупроводниками, и
в последнее время,как правило, с т.н. сопряженными полимерами. Это направле-
ние представляет особый интерес также с точки зрения междисциплинарного вза-
имодействия, когда организуется эффективное взаимодействие исследователей как
в области физики, так и химии.
История разработки OLEDs, по-видимому, начинается с 1965 г., когда в нацио-
нальной химической лаборатории (Оттава) было обнаружено голубое свечение ан-
трацена. Четырьмя годами позже исследователями Дж. Дрезднером из Radio
Corporation of America в Принстоне было сообщено о достижении внутреннего кван-
тового выхода 8%. В то же время возбуждающее напряжение было еще слишком
велико - более 300 В.
Следующий этап развития OLEDs начинается с исследований, проведенных
исследователями лабораторий фирмы Kodak из Рочестера уже по прошествии двад-
цати лет со времени открытия электролюминесценции в антрацене. Диоды зеле-
ного цвета свечения на основе органического соединения алюминия (Alq) в своих
основных чертах имели ту же конструкцию, которая используется и сегодня.
Ключевым моментом новой концепции OLED была попытка разделения двух
функций (переноса носителей заряда и генерации света), которые в первых диодах
выполняла одна материальная среда — антрацен. Это повлекло за собой усложне-
ние конструкции диода с введением нескольких слоев органических материалов и,
включая диамин в качестве слоя переноса дырок и слоя Alq3 в качестве слоя перено-
са электронов, наносимых испарением. Первые результаты, полученные в диодах
нового поколения были очень обнадеживающими. В то время как в современных
ЖКИ-экранах яркость проходящего через фильтры излучения подсветки составля-
ет величину порядка 100 кд/м2, в первых приборах нового поколения этот параметр
был в 50—60 раз выше (на уровне 5000-6000 кд/м2).
Следующий этап развития OLED начинается с исследований физика
Р.Г. Фрэнда и химика А.Н. Холмса (Кембридж) в области молекулярной элект-
роники с использованием т.н. сопряженных полимеров, направленных на
создание совсем других приборов, а
именно-транзисторов на основе поли-
мерных материалов. Как часто случа-
ется в истории науки и техники, слу-
чайное обнаружение высокоэффектив-
ного свечения приборных структур,
сделало «побочный» продукт разработ-
ки основным направлением исследо-
ваний и привело к организации Display
Technology, фирмы, которая обладает,
по-видимому, наиболее важным патен-
том в рассматриваемой области, а
именно: патентом, содержащим фор-
мулу очень важного материала — поли-
парафенилен-винелена (PPV). Типич-
ная конструкция OLED на основе PPV
иллюстрируется рис. 5.26 [19].
Естественно, поиски эффективных
материалов для OLED отнюдь не закон-
чились, а продолжаются до сих пор.
Структурные формулы основных орга-
нических материалов, используемых в
OLED, иллюстрируются рис. 5.27 [19].
Как уже отмечалось ранее, базовым
и модельным материалом для созда-
ния OLED, остается PPV, обладающий
шириной запрещенной зоны около 2,5
эВ. Следует отметить, что в результате
стоксовского сдвига люминесценции в
приборах на основе PPV мы имеем
дело не с изумрудно-зеленой, а желто-
зеленой люминесценцией.
С точки зрения твердотельной по-
лупроводниковой оптоэлектроники в
данном случае мы имеем дело со струк-
турами на прозрачной подложке (как
правило, стекло с прозрачными ниж-
ними электродами на основе окиси ин-
дия-олова). При этом многоэлемент-
ные индикаторы на основе органичес-
ких материалов с точки зрения конст-
рукции в определенном смысле мож-
но рассматривать как аналог монолит-
ных ПЗСИ.
Рис. 5.26. Конструкция OLED на основе PPV.
2 МЕН-PPV R» CHjCH(Et)Bu
3 "ОС,С,0'PPV R«(CH2)3CH(Me)(CH2)2CHMe2
Рис. 5.27. Структура основных полимерных
материалов, используемых при изготовле-
нии OLED.
Характеристики цифрознаковых индикаторов с конструкцией, подобной приве-
денной на рис. 5.24, полученные в работе [20], были рассмотрены ранее в главе 1, при
этом подчеркивался ряд моментов, характерных как для твердотельных излучающих
приборов, так и OLED.
Интересным фактом, общим как для твердотельной, так и органической опто-
электроники является поистине стремительная динамика улучшения ключевых све-
тотехнических параметров приборов начиная с 1990 г., при этом рекордные параметры
OLED по уровню светоотдачи превосходят даже достижения СИД на основе широко-
зонных нитридов (рис. 5.28) [21].
При всей привлекательности OLEDjyin перспективных оптоэлектронных приме-
нений для этого класса приборов присуща серьезная проблема, связанная с их ресурс-
ными характеристиками и обусловленная деградационными явлениями. Можно пред-
положить, что специфика протекания таких деградационных процессов в OLED обус-
ловлена особенностями переноса заряда в нелинейной и неупорядоченной среде, ког-
да в процессе переноса заряда через среду происходит ее деформация.
Еще раз подчеркнем, что в случае органических материалов мы имеем дело с полу-
проводниками и в этом смысле уместно использование таких базисных понятий фи-
зики полупроводников, как ширина запрещенной зоны, а также основных типов ква-
зичастиц (электронов и дырок). Вместе с тем для адекватного описания процессов в
таких средах по-видимому недостаточно использование основного инструментария
физики твердого тела в виде линейного уравнения Шредингера.В данном случае, по-
видимому, речь должна идти о нелинейном уравнении Шредингера для частиц, окру-
женных «облаком» деформации, называемых поляронами или иногда солитонами.
Тем не менее, в настоящее время уже серийно выпускаются индикаторные систе-
мы небольшого размера и формата, обладающие ресурсом более 10 000 часов, что явля-
ется уже достаточным для практических применений. При этом в данном направле-
нии интенсивные исследования проводит ряд зарубежных фирм, таких как Pioneer,
Idemitsu, Philips. Наряду с этим целый ряд других зарубежных фирм включая Kodak
(фирму, которая обладает рядом важных патентов в этой области), Xerox, Bell Telephone,
Lucent Technologies занимает заинтересованную, но выжидательную позицию.
100
Флуоресцентная лампа
Лампа GaAsP:N w
Эдисона Красно-желтый
GuP:N Зеленый
Галогенная лампа
Лампа накаливания
без фильтра
Лампа накаливания
с красным
фильтром
GaP:Zn/O
Красный
ОД zd
1960
lAsBf
/ Красный
AlGaAs/GaAs
о
Красно-оранжевый
AlGaAs/GaAs
Красный
Красно-оранжевый
AlGaAs/GaP
Желтый
InGaN
Голубой
SM
OLED
Polymer
OLED
InGaN
Green
InGaN
Blue
SiC I
Голубой I PPV
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Рис. 5.28. Динамика улучше-
ния светотехнических пара-
метров твердотельных и орга-
нических СИД.
~ 10 -
5
5.4.2.8. Проблемы разработки стереоскопических систем
отображения информации.
Создание высокоразрешающих полноцветных стереоскопических систем визуаль-
ного отображения информации считается в настоящее время одной из т.н. крити-
ческих, или принципиальных технологических целей, возможность реализации
которой обеспечена успешным решением на протяжении последних десятилетий
первоочередных проблем систем этого направления, включая высокое разрешение
и многоцветное отображение.
Как это уже неоднократно подчеркивалось на протяжении этой главы, проблема
получения стереоскопических изображений имеет давнюю историю: еще в 1947 г. Д. Га-
бором была изобретена голография как метод получения объемных изображений объек-
тов за счет использования явления интерференции двух когерентных световых полей:
т.н. предметного и опорного. Несмотря на очевидные преимущества метода он по
выражению самого автора на протяжении пятнадцати лет « пребывал в спячке», что
впрочем, как мы увидим далее имеет свои основания. Современная история эффек-
тивного использования этого метода началась с записи лазерных голограмм на повер-
хности (ЭЛейт, Ю. Паниекс, 1962 г.) и в объеме вещества (Ю.Н.Денисюк, 1963 г.).
В связи с этим для реализации концепции стереоскопической системы визуаль-
ного отображения информации естественным представляется использование гологра-
фических методов, при этом следует подчеркнуть, что сама разработка таких систем
является предметом междисциплинарного взаимодействия различных областей на-
уки и техники, включая оптику, физику полупроводников, материаловедение, микро-
схемотехнику, технологию.
В значительной мере рассматриваемый круг вопросов близок к проведенному ра-
нее в главе 3 рассмотрению оптоэлектронных процессоров.
Для иллюстрации сложности возникающих задач наше рассмотрение начнем с
более простого, но чрезвычайно важного для получения качественного отображения,
случая использования голографических методов для коррекции световых пучков и, в
частности, устранения эллиптичности и астигматизма луча ЛД [22].
Как известно, в основе получения дифракционных голографических элементов ле-
жит формирование интерференционной картины с использованием двух когерентных
оптических пучков. При этом точечный источник будет воспроизводиться без искаже-
ний только в том случае, когда геометрия воспроизведения соответствует геометрии за-
писи голограммы. Схему голографической записи и воспроизведения иллюстрирует
рис. 5.29 [22].
Процесс голографической записи описывается общим фазовым уравнением:
Фо = Ф,+ ( Ф\ - &)> <5-14)
где: индексы о, /, 1 и 2 относятся к фазам входного и выходного пучка, а также двух
записывающих световых пучков.
Угловые параметры на рис. 5.29. связаны друг с другом уравнением дифракции:
sin cr0 = sin at + /л (sin ах — sin cr2), (5.15)
Рис. 5.29. Меридиональная схема голографической записи и воспроизведения
Помимо этого, должны также удовлетворяться и уравнения для двух плоскостей
отображения:
1 1 Г1 1Л
R/?o R2)
(5.16)
cos2 ап cos2 а, \ cos2 a. cos2 а?
----------- =----------- 4- Ц\ -------L-------------
/?0 ^i|| \ Л] R2
(5.17)
Для устранения аберраций более низкого порядка должны выполняться допол-
нительные уравнения:
sin ао sin a, (sin а} sin а2 Л
р 2 р2 р 2 р2 ,
*Ъ|| \ *4 ^2 )
sin а0 sin3 ау (sin3 a, sin3 а.
Яо2 R2, R2 R2 J
(5.18)
(5.19)
Несмотря на сравнительно простую форму каждого из приведенных уравнений,
получить их аналитическое решение затруднительно. Уже на этой стадии возникает
потребность использования численных методов с применением компьютера.
Естественно, в еще большей степени возрастают трудности и необходимость
компьютерного моделирования при распространении дифракционного гологра-
фического подхода к проблеме стереоскопических систем визуального отображе-
ния информации.
Концептуально стереоскопическая
система визуального отображения ин-
формации может быть представлена в
виде электрооптической среды, нане-
сенной на поверхность сверхбольшой
интегральной схемы (СБИС), реализу-
ющей формирование нестационарной
дифракционной решетки за счет моду-
ляции оптических характеристик верх-
него слоя при воздействии электричес-
кого поля и по определенному алгорит-
му, задаваемому СБИС[23].
С точки зрения сохранения высо-
кого разрешения при достижении сте-
реоскопического эффекта перспектив-
Рис. 5.30. Концептуальная схема стерео-
скопического экрана, демонстрирующая
зоны освещения и наблюдения.
ным представляется подход, основанный на использовании т.н. торцевых полей.
В отличие от традиционного похода, в рамках которого, конечной целью разра-
ботки является создание системы, ключевым элементом которой является пик-
сель, отображающий информацию, в рассматриваемом случае этот отображаю-
щий элемент представляет собой набор дифракционных элементов. На рисунке
5.30 представлена концептуальная схема стереоскопического экрана с использо-
ванием дифракционных элементов с т.н. торцевыми полями.
На первой стадии исследований для формирования стереоскопического изоб-
ражения используется только первый дифракционный порядок
При этом излучение других дифракционных порядков направляется за преде-
лы зоны наблюдения.
Более детальная схема дифракционной решетки, формируемой в каждом сег-
менте, иллюстрируется рис. 5.31.
В рамках предлагаемого подхода расположенная на первом ярусе устройства
СБИС обеспечивает возбуждение встречно-штыревых электродов на втором ярусе
структуры, которые, в свою очередь, генерируют электрическое поле, приводящее к
модуляции оптических характеристик слоя нематических ЖК, образующего третий
ярус структуры. При этом СБИС строится по традиционной КМОП-технологии.
Слой ЖК
SiO2
Силовые линии
Слой
планаризации
Ярус СБИС
Электроды ITO
Тонкий металлический слой
Рис. 5.81. Дифракцион-
ная решётка, формиру-
емая в верхнем слое ЖК
за счёт использования
торцевых полей.
Рис. 5.32. Схематическое представление
геометрии рассматриваемой модели ячей-
ки стереоскопической индикаторной сис-
темы на основе переориентации ЖК в элек-
трическом поле.
В рассматриваемом случае слой го-
меотропно ориентированной ЖК-среды
осаждается на поверхности чипа СБИС.
При возбуждении электроды создают
электростатическое поле вЖК-области,
которое, в свою очередь, приводит к про-
явлению сильного двойного лучепрелом-
ления в этой среде, которое (в силу пери-
одичности топологии электродов) и
приводит к формированию фазовой диф-
ракционной решетки, при этом торце-
вая геометрия электродов локализует об-
ласть сильного двойного лучепреломле-
ния непосредственно над областью над
электродами, что, в свою очередь, обес-
печивает высокую дифракционную эф-
фективность и более высокое разреше-
ние устройства по сравнению с альтер-
нативной поперечной геометрией возбуждения.
Помимо чисто оптической задачи, связанной с обеспечением безаберрацион-
ного формирования изображения и схематично рассмотренной ранее, рассматри-
ваемая проблема распадается на несколько нетривиальных частей.
Во-первых, это проблема электростатического анализа,подразумевающего ре-
шение трехмерного уравнения Лапласа, во-вторых это решение уравнений непре-
рывности для ЖК-среды, определяющих геометрию ориентации директора актив-
ного слоя.
В-третьих, задача дифракционной оптики в рассматриваемом случае также не-
тривиальна из-за неоднородности ЖК-среды в направлении, перпендикулярном
плоскости дифракционной решетки. Тем не менее, в первом приближении она
может быть решена методом связанных волн.
Следует сразу подчеркнуть, что в качестве активной электрооптической среды
используется такой хорошо отработанный и изученный материал как ЖК.
Схематически геометрия рассматриваемой модели иллюстрируется рис. 5.32.
С учетом приведенных выше предварительных замечаний математическая
модель рассматриваемой модели содержит несколько десятков уравнений и, бе-
зусловно требует использования методов компьютерного моделирования. К со-
жалению, ограниченность объема настоящей книги не позволяет привести в
полном объеме упомянутый выше алгоритм расчетов. Тем не менее представля-
ется обоснованным отметить основные особенности используемой математи-
ческой модели.
Во-первых, проводимый анализ относится к ЖК-приборам, при этом элект-
ростатическая проблема анализируется в предположении, что ЖК-среда прояв-
ляет характеристики обычного линейного и изотропного диэлектрика, который
не вносит изменения в электростатическое поле по мере своей ориентации.
Другим допущением является то, что
поле молекулярного директора ЖК ис-
пытывает индуцированную ориента-
цию, когда внешнее поле превышает оп-
ределенный пороговый уровень. В дан-
ном кратком изложении мы вынужде-
ны опустить аспекты, связанные с влия-
нием т.н. дисклинаций.
Один из результатов компьютерного
моделирования распределения электро-
статического поля приведен на рис. 5.33.
Результаты расчетов показывают рез-
кое распределение электростатическо-
го поля, при этом следует отметить тот
факт, что составляющие электрическо-
го поля Ех и Еу не тождественны для од-
ного и того же значения х,у.
Как уже отмечалось ранее, следую-
щим важным этапом является расчет ин-
дуцированного изменения характерис-
тик ЖК-среды.
В отсутствие электрического поля тен-
зор диэлектрической проницаемости опи-
сывается выражением:
Nonsymmetnc
0.'0 1.3 2.7 4.0 5.3 6.7 В.0
Рис. 5.33. Результаты компьютерного рас-
чёта распределения напряжённости элек-
тростатического поля в ячей
О
£е0 о
0 £о
(5.20)
где: ео и ее — соответственно диэлектрическая проницаемость в направлении т.н.
обыкновенного и необыкновенного лучей.
При переориентации ЖК в электрическом поле (рис. 5.32) на угол у = tg | ЕJEy |
тензор диэлектрической проницаемости принимает вид:
£ =
е0 + Af sin2 ip
Afsin у/cosip
Afsin^cos^/ 0
£й + AfCOS2 ip 0
0 Ег
(5.21)
0
Задача следующего этапа анализа заключается в определении дифракцион-
ных характеристик ЖК среды, описываемых диэлектрическим тензором (соот-
ношение (5.21)). Оптическая геометрия в рассматриваемом случае иллюстри-
руется рис. 5.34.
тм ЖК
Рис. 5.34. Геометрия дифракционной ре-
шётки с электродами на основе ITO в схе-
ме без зеркала (а) и с зеркалом (б).
Алгоритм дифракционного анали-
за базируется на решении трех задач:
• решении уравнений Максвелла в об-
ласти без дифракции (области 1,3 на
рис. 5.33);
• решении уравнений Максвелла в
дифракционной области (область 2
на рис. 5.33);
• использовании полученных выше ре-
шений для согласования граничных
электромагнитных условий на верх-
ней и нижней границах системы.
В том случае, когда используется
несимметричная конфигурация
(К7 ф О, V2 = О, И7 ф 0) фундаменталь-
ный период дифракционной решет-
ки составляет Л= 2 Ле, что вдвое пре-
вышает межэлектродный интервал в
то время как в конфигурации с пос-
ледовательным возбуждением 0,5 V —
0,5 V}... фундаментальный период
дифракционной решетки составляет
Ле. Этот факт означает также угловое расхождение различных дифракционных по-
рядков в асимметричной конфигурации вдвое меньше чем, в симметричной.
Сердцевиной используемого метода связанных волн является решение уравне-
ний Максвелла для случая однородной решетки, которые представляются в виде
рядов, члены которых представляют собой плоские волны (волны Флоке) вида:
Е= S Sj (y)ex/>(-jy.).
(5.22)
Я=//Л5Ц(у)егр(-)У1). (5.23)
Конечным результатом этой сложной задачи, представляемой несколькими
десятками уравнений, является установление эффективности дифракции, опреде-
ляемой соотношением:
, = -5=^ *100%. (5 24)
* INCIDENT
Из представленных результатов численных расчетов следует, что наличие зер-
кала приводит к перекачке энергии из нулевого порядка в более высокие порядки
при меньшей энергии, чем это имеет место в отсутствие зеркала.
В то время, как продолжаются интенсивные теоретические и экспериментальные
исследования в области создания подлинно стереоскопических индикаторных сис-
тем, на международном и российском рынках бытовой техники уже появились устрой-
ства квазистереоскопического отображения информации [24].
Такие системы базируются на IBM/V-совместимых персональных компьюте-
рах и содержат стереоскопические ЖК-очки с контроллерами и соответствующим
программным обеспечением, что позволяет:
• реализовать стереоскопическое отображение сотен современных компьютер-
ных игр;
• просматривать стереоскопические видеофильмы, записанные на CD, DVD, а так-
же жестких дисках;
• просматривать и создавать стереофотографии и синтезированные изображения.
Простейший телевизионный комплект позволяет на любом телевизоре, соеди-
ненном по НЧ-видеоканалу с соответствующим стереовидеосигналом просматри-
вать стереовидеофильмы.
Литература
Волоконно-оптическая связь: Приборы, схемы и системы. Под ред. М. Дж. Хауса, Д.В. Моргана/
Пер. с англ, под ред. М. Е. Жаботинского. — М.: Радио и связь. 1982 - 268 с.
Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. М.: Радио и
связь. 1990. —239 с.
Дисплеи. Под ред. Ж. Панкова / Пер. с англ, под ред. А.Г. Филиппова. — М.: Мир. 1982. — 316 с.
Библиографический список
1. Yamada J., Kawana A.,Miga Т. et al. // IEEE Trans, on Microwave Theory and Technology.—
1982.V.30.N 10. P. 1525-1535.
2. Фотон-экспресс. 2003. № 1. C. 4—6.
3. Фотон-экспресс. 2003. № 1. C.7-9.
4. Гфеллер Ф.Р., Бапст A. // ТИИЭР. 1979. T 67. T 1 l.C. 5-20.
5. Бердичевский Б.Е., Королькевич B.A., Лавренцов B.A., Маджарова Т.Б./ / Зарубежная электрон,
техн. 1987. № 3 (ЗЮ).С. 3 - 68.
6. Бартолини Р.А. // ТИИЭР. 1982. Т.70. № 6. С. 45 - 74.
7. Гладких Д.В., Жуков Н.Д., Репьев В.А. и др. // Электрон, промышл. 2002. № 1. С. 22—24.
8. Логинов А., Русина Е. // Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 69—70.
9. Абаньшин Н.П., Горфинкель Б. И. // Электрон, промышл. 2003. № 3. С. 12—13.
10. Кузнецов О., Коростышевский Г., Шестеркин А. // Электрон, компоненты. 2003. № 3.
С. 76 - 76.
11. Опо А. // Annu. Rev. Mater. Sci. 1997. V. 27. P. 283-303
12. Зайцев В. 11 Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 55-58.
13. Самарин А. // Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 45—53.
14. Ermakov O.N.// Proceed. SPIE. 2002. V. 4761. Р. 90-97.
15. Ermakov ON., Nosov Yu. R. // Proceed. SPIE. 1999.V. 3901. P. 14-20.
16. Трофимов Ю. 11 Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 31—35.
17. Ermakov O.N., Kaplunov M.G., Efimov O.N. et al.// Microel. Engineer. 2003. V. 69. P. 208—212.
18. Кручинин П., Кочетков Д. // Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 78-79.
19. Friend R.H., Gymer R. W., Holmes A. B. et al. // Nature. 1999. V. 397. P. 121-128.
20. Ермаков O.H., Каплунов M.Г.,Белов М.Ю. // Матер, электрон, техн. 2001. № 1. С. 65-69.
21. Bergh A., Craford G„ Duggal A., Haitz R. 11 Physics Today. 2001. V. 54.N 12. P. 42-48.
22. Miler M., Koudela I., Aubrecht I. // Appl. Opt. 1999. V. 38. N 14 P. 3019-3024.
23. Kulick J. H., Jarem J. M.,Lindquist R. G. // Appl. Opt. 1995. V. 34. Nil. P. 1901-1922.
24. Ежов В. // Электрон, компоненты. 2003. № 3. С. 80—81.
Глава 6
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ФОРМИРОВАТЕЛИ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
6.1. Введение
Хотя с формальной точки зрения рассматриваемый здесь материал вписывается в
рамки предыдущей главы, посвященной оптоэлектронным системам, он настолько
важен, что заслуживает специального рассмотрения. Важность рассматриваемых си-
стем обусловлена тем, что проблема формирователей изображения имеет не только
технические, но и биофизические и биомедицинские аспекты, поскольку такие си-
стемы резко расширяют возможности человеческого зрения. Достаточно отметить,
что более 90 % информации человек получает в виде видеоинформации в очень уз-
ком спектральном диапазоне (Л » 380 — 800 нм). Современные технические возмож-
ности позволяют не только реализовать «искусственное зрение», что очень важно,
например для робототехники, но и резко расширить его спектральный диапазон за
пределы человеческого зрения.
В первую очередь, это относится к т.н. тепловизионным системам или системам
ночного видения, регистрирующим тепловое (ИК) излучение. В первую очередь та-
кие системы решают задачи спецтехники и глобального контроля окружающей сре-
ды и т.д. В последнее время отчетливо проявляется тенденция все большего расши-
рения сфер применения таких систем (в том числе в бытовой технике).
Однако подлинного прорыва в массовой бытовой технике удалось добиться благо-
даря успехам технологии т.н. фоточувствительных ПЗС-матриц (ФПЗС), использова-
ние которых в телевизионных и фотокамерах началось в 80- е годы прошлого века. В то
же время использование таких систем выявило как их достоинства, так и определен-
ные ограничения. Начавшая развиваться примерно в то же время технология форми-
рователей изображения с использованием т.н. активных сегментов на основе КМОП-
технологии рассматривается в настоящее время как одна из перспективных альтерна-
тив ФПЗС-формирователям изображения.
Следует отметить, что использование в настоящей главе рубрикации с особым выде-
лением тепловизионных, ФПЗС- и КМОП-формирователей изображения лишено пре-
тензий на строгую классификацию фотоэлектрических формирователей изображения,
а скорее отражает степень востребованности того или иного приборного направления.
Как мы увидим далее, ФПЗС- и КМОП-технологии, строго говоря, эффектив-
но используются и в тепловизионных системах, являясь одновременно ветвями
одной МОП-технологии. Более того, при разработке фотоэлектрических форми-
рователей изображения используются и альтернативные технологии (с использо-
ванием рп, pzn-структур, микроболометров, пироэлектриков).
Рассмотрению перечисленного круга вопросов и посвящена настоящая глава.
6.2. Тепловизионные системы
6.2.1. Архитектура
Успехи технологии фоточувствительных материалов уже во второй половине про-
шлого века привели к разработке тепловизионных систем первого поколения в
виде линейных или двухрядных тепловизионных формирователей изображения на
основе Hg£dTejxj\n спектральных диапазонов 3-5 мкм и 8-14 мкм и с числом эле-
ментов 10, 20 60 (64), 120 (128), а аткже на основе InSb с числом элементов 48 — 64.
Функциональная схема таких устройств иллюстрируется рис. 6.1 [ 1 ].
В рассматриваемой конфигурации использовались фотоэлектрические модули
в газонаполненных или вакуумированных оболочках, криогенные системы и пре-
дусилители фотосигнала. Чрезвычайно продуктивным и экономичным оказался
модульный принцип построения таких систем, что позволило приступить к массо-
вому производству систем первого поколения.
Второе поколение тепловизионных систем, основанное на успехах в области
разработки активных многоэлементных матричных сенсоров на основе HgCdTe, InSb
и микроболометров, характеризуется существенно улучшенной фото ^увствитель-
Рис. 6.1. Функциональная схема линейно-
го тепловизионного формирователя изобра-
жения первого поколения [1].
1 — входной оптический модуль (ILM),
2 - сканирующее устройство (SDM),
3 — фотоэлектрический модуль, 4 — модуль
контроля, управления и формирования ТВ-
изображения (СММ), 5 — вторичный источ-
ник питания (SPSM). РА — многоканальные
малошумящие предусилители, GSM — кри-
огенная система, PD — многоэлементный
фотоприёмник.
Фотоэлектрический модуль
Рис. 6.2. Функциональная схема теплови-
зионного формирователя изображения вто-
рого поколения:
1 — входной оптический модуль (ILM),
2 — сканирующее устройство (SDM), 3 — фо-
тоэлектронный модуль, 3 - вторичный ис-
точник питания (SPSM), 4 — модуль цифро-
вой обработки (DPM), 5 — модуль аналого-
вой обработки(ЛРА/), 6 — АЦП (ADC),
7 — калибровочные элементы на основе чёр-
ного тела (BBp ВВ2), 8 — криогенная систе-
ма (GSM).
ностью и пространственным разрешением. Функциональная схема тепловизион-
ных систем второго поколения иллюстрируется рис. 6.2 [1].
В рассматриваемом случае подмодуль цифровой обработки формирует выходной
сигнал в ТВ-формате, при этом переход от одной тепловизионной системы к другой
осуществляется простым перепрограммированием подмодуля цифровой обработки,
что согласуется с модульным принципом построения систем.
Перейдем теперь к краткому рассмотрению самих матриц фокальной плос-
кости.
При создании матриц фокальной плоскости со схемами обрамления исполь-
зуются как гибридная, так и монолитная конструкции. Подход с использованием
гибридной конструкции рассмотрим на примере устройства форматом 384x384,
разработанного НПО «Орион».
В рассматриваемом случае матрица ФД на основе HgfZdTe, содержащая более
11000 элементов, подсоединяется через микроконтакты на основе In непосред-
ственно к мультиплексору на основе МОП-транзисторов, выполненному по КМОП-
технологии. При этом число выходов для передачи фотосигналов в подмодули ана-
логового и цифрового преобразования равно 4.
Другим примером является устройство форматом 4x288 [1].
В отличие от устройств первого поколения в рассматриваемом случае обработ-
ка фотосигнала (мультиплексирование) также осуществляется в т.н. «холодной»
зоне устройства.
Подход с использованием гибридной конструкции фоточувствительных при-
боров на основе H^JdTe позволяет также реализовывать двухцветные матрицы фо-
кальной плоскости [1].
По-видимому, подход с использованием монолитной конструкции является
магистральным для дальнейшего развития рассматриваемого направления. Поми-
мо других преимуществ он обеспечивает возможность создания и неохлаждаемых
тепловизионных формирователей изображения, в том числе и микроболометри-
ческих матриц[ 1]. Различные варианты реализации монолитной конструкции мат-
риц фокольной плоскости иллюстрирует рис 6.3.
6.2.2. Классификация и характеристики
По широте спектра альтернативных технологий, используемых для изготовления
многоэлементных тепловизионных сенсоров их можно сравнить с системами ви-
зуального отображения информации. Это, по-видимому, отражает тот факт, что
они еще не реализуют все требования, предъявляемые к идеальному тепловизи-
онному приемнику излучения.
По физическому принципу функционирования рассматриваемые приборы
можно разделить на фотонные и тепловые приемники.
К числу преимуществ тепловых фотоприемников (термопар, болометрических
и пироэлектрических приемников излучения) следует отнести их малый вес, ма-
лую стоимость, а также возможность функционирования при комнатной темпера-
туре. В то же время они обладают малой обнаружительной способностью на высо-
ких частотах и малым быстродействием (порядка мс).
Рис. 6.3. Различные ва-
рианты реализации мо-
нолитной конструкции
матрицы фокальной
плоскости: а) технология
с использованием толь-
ко кремния; Ь) гетеро-
эпитаксия на кремнии;
с) технология с исполь-
зованием других матери-
алов (например HgpdTe)',
d) микроболометричес-
кая матрица.
В свою очередь, фотонные приемники излучения могут быть разделены на при-
боры с собственным и примесным фотоэффектом.
К первой группе приемников относятся приборы на основе соединений А4 В6
(PbS, PbSe, PbSnTe). К числу преимуществ этих материалов относится их техноло-
гичность и стабильность. В то же время они характеризуются достаточно большим
коэффициентом термического расширения и большой диэлектрической проница-
емостью.
К числу преимуществ Hg£dTe как материала для тепловизионных приемников
относится возможность использования эффектов зонной структуры при проектиро-
вании приборов, хорошо проработанные теоретические основы функционирования
приборов и большой объем экспериментальных исследований. На основе этого ма-
териала могут быть разработаны многоцветные сенсоры. К числу недостатков отно-
сятся: недостаточная однородность характеристик в пределах большой площади
структур, большие производственные издержки, нестабильность поверхности.
Группа соединений А3 В5 (JnGaAs, InAs, InSb, InAsSb) представляет интерес бла-
годаря достаточно хорошо отработанной технологии, включая вопросы легирова-
ния, а также благодаря потенциальной возможности монолитной интеграции. В
то же время сохраняются проблемы гетероэпитаксии с достаточно большим рас-
согласованием постоянных решетки. К тому же длинноволновая граница спектров
фоточувствительности ограничена 7 мкм.
Длинноволновые фотоприемники на основе примесного фотоэффекта могут
быть реализованы с использованием Si: Ga, Si: As, Ge: Си, Ge: Hg. К числу преиму-
ществ такой технологии относятся: возможность реализации приборов с длинно-
волновой границей спектров фоточувствительности, сильно продвинутой в ИК-
область, а также сравнительная простота технологии. В то же время недостатками
таких приборов являются сильное проявление эффектов тепловой генерации, а
также необходимость использования сверхнизких рабочих температур.
Фотоприемники на основе эффектов свободных носителей заряда могут быть реа-
лизованы с использованием силицидов благородных металлов {PtSi, Pt2Si,IrSi). К чис-
лу достоинств такой технологии относятся: малые производственные издержки, высо-
кий выход годных, возможность изготовления крупноформатных матриц. В то же вре-
мя недостатками этой технологии являются: небольшая квантовая эффективность,
необходимость использования достаточно низких рабочих температур.
В последнее время возрос интерес к квантово-размерным фотоприемникам
(QWIP). Достоинствами технологии 0И7Рна основе структур типа I (GaAs /AlGaAs,
InGaAs /AlGaAs) относятся: продвинутая технология синтеза, достаточно высокая
однородность параметров в пределах большой площади, возможность разработки
многоцветных приборов. В то же время в приборах этого типа достаточно сильно
проявление эффектов термогенерации.
Квантово-размерные приемники на основе структур типа П {InAs /\nGaS, InAs/
InAsSb) характеризуются слабым проявлением эффектов, связанных с Оже-реком-
бинацией, сравнительной простотой управления длиной волны.
В то же время недостатками этой технологии являются достаточно сложное про-
ектирование и синтез структур, а также проблемы, связанные с границами раздела.
Формирователи ИК-изображения, как правило требуют использование крио-
генных или термоэлектрических систем охлаждения, достаточно сложной ИК-
оптики, при этом стоимость таких охлаждаемых систем на уровне 50 000 долларов
США безусловно ограничивает возможности их использования даже в военных
системах, не говоря уже о более широком спектре применений. Это ограничение
охлаждаемых систем с разностью температуры, эквивалентной шуму (NEDT), на
уровне 100 мК, стимулировало поиск новых подходов, способных обеспечить ра-
боту тепловизионных систем при температуре, близкой к комнатной.
В связи с этим возрос интерес к т.н. тепловым приемникам излучения, в част-
ности к болометрическим (или термисторным) и пироэлектрическим приемни-
кам излучения.
Наиболее популярным термисторным материалом является диоксид ваннадия
(И?2). С точки зрения использования в тепловизионной технике, пожалуй, одним из
наиболее важных свойств VO2 является его большой отрицательный температурный
коэффициент сопротивления, превышающий 4%/К. Рассматриваемая технология обес-
печивает формирование матриц форматом 240 х320 и размером пикселов 50x50 мкм
с монолитно интегрированными схемами считывания. В то же время именно недоста-
точно малый размер пикселей является одним из ограничений рассматриваемой тех-
нологии. Разработка высокочувствительных микроболометрических матриц с разме-
рами пикселов 25x25 мкм сопряжена с существенными изменениями как процесса
изготовления, так и самой конструкции пикселей. Ктому же и обнаружительная спо-
собность таких устройств оставляет желать лучшего (одной из перспективных целей
является достижение уровня 10 см Гц1/2/Вт).Современный же уровень разработки та-
ких систем характеризуется вольтовой чувствительностью 2,5-107 В/Вт.
Альтернативной технологией высокотемпературных тепловизионных сенсоров
является технология пироэлектрических приемников излучения. В качестве базового
материала используются системы на основе оксида свинца со структурой перовскита,
например титанат свинца (РЬТЮ3 или РТ), титанат-цирконат свинца (Pb (ZrTi) О3 или
PZT), танталат свинца-скандия или ниобат магния-свинца (Pb (Mg]/3 NbJ/) О или
PMN). К числу недостатков рассматриваемой технологии следует, во-первых, отнести
необходимость использования оптических модуляторов. Кроме того, этот тип прибо-
ров характеризуется невысокой чувствительностью (тепловизионные матрицы форма-
том 320x240 характеризуются NEDTна уровне 400 мК).
Несмотря на то, что формирователи изображения на основе термопар имеют
достаточно ограниченный диапазон применений, они тем не менее обладают соче-
танием характеристик, предпочтительным для применений, требующих малого энер-
гопотребления. В качестве базовых материалов используются системы Bi—Те или
Bi—Sb— Те—К достоинствам рассматриваемых приборов следует отнести их достаточно
высокую линейность, отсутствие необходимости в модуляторах, при этом их обнару-
жительная способность сравнима с микроболометрическими и пироэлектрическими
приемниками излучения. Они не требуют никакого электрического смещения, что
приводит к пренебрежимому 1 //-шуму. Несмотря на это, в отличие от рассмотренных
выше тепловых приемников излучения, этому направлению уделялось существенно
меньше внимания. Одной из основных причин является все-таки их недостаточная
чувствительность, требующая использования малошумящей электроники.
Современное состояние в области разработки неохлаждаемых матриц фокаль-
ной плоскости иллюстрируют данные таблицы 6.1.
Таблица 6.1. Современное состояние и тенденции развития неохлаждаемых
матриц фокальной плоскости.
Характеристики системы Стоимость (долл. США)
Формат 120x240, болометрическая матрица (50x50 мкм) 15 000- 20 000
Формат 320x240, болометрическая матрица (50x50 мкм) 20 000 - 50 000
Формат 120x1, термоэлектрическая матрица (50x50 мкм) 15 000
Формат 120x240, болометрическая матрица (50x50 мкм) 20 000 - 40 000
Тенденции развития. Разработка новых типов экономичных тепловых формирователей.
Изображения с параметрами Стоимость (долл. США)
Формат 160x120, болометрическая матрица (50x50 мкм) (тепловизоры) Формат 160x120, болометрическая матрица (50x50 мкм) (радиометры) Формат 160x120, болометрическая матрица (50x50 мкм) с системойусиления изображения Формат 160x120, болометрическая матрица (50x50 мкм) с системой усиления изображения (большие объемы поставки) 3 000 5 000 2 000 1 000
Проведенному выше краткому анализу альтернативных тепловизионных тех-
нологий подводит итог таблица 6.2, в которой приведены сравнительные характе-
ристики коммерчески выпускаемых матриц фокальной плоскости.
Таблица 6.2. Основные характеристики матриц фокальной плоскости
Фрма Формат Размер пикселя, мкм Материал Спектральный диапазон (мкм) Рабочая температура (К) D* (смГц/Вг)/ NEID (мК)
Raytheon 256х256/Г 30x30 InSb 1-5,5 10-77
1024Х1024/Г 27x27 InSb 0-5,0 35
320х240/Г 50x50 Si:As 2-28 4-10
128х128/Г 40x40 HgCdTe 9-11 80
256х256/Г 30x30 HgCdTe 8,5-11 77-100
320x240/M 48x48 VOX(6) 8-14 300 50
З28х245/Г 35x35 BST(n) 8-14 300 50
Rockwell 256х256/Г 40x40 HgCdTe 15 77
(Boeing) 640х480/Г 27x27 HgCdTe 10 77
225х256/Г 40x40 HgCdTe 1-4,6 120 10
640х480/Г 27x27 HgCdTe 1-4,6 120 25
2048х2048/Г 18x18 HgCdTe 1-2,5 95-120 1х1014
320x240/M 48x48 VOx(6) 8-14 300 50
Mitsubishi 256x256/M 52x40 PtSi 3-5 77 36
512x512/M 26x20 PtSi 3-5 77 33
1024x1024 17x17 PtSi 3-5 77 100
BAE 256х256/Г 30x30 HgCdTe 1-10 80
Systems 432х432/Г HgCdTe 1-5 80
640x480/M 28x28 VOx(6) 8-14 300 60
Sofradir 128х128/Г 50x50 HgCdTe 7,7-10 80 1,1х10н/10
128x128/Г 50x50 HgCtTe 3,7-4,8 90 4,Зх10и/7
128х128/Г 50x50 HgCdTe 2,5-4,2 195 7,5xl0n/36
120х240/Г 30x50 HgCdTe 3,7-4,8 120 1,0х1012/8
120x240/M 45x45 a-Si(6) 8-14 -20: +60°С 80
Sarnoff 320x240/M 23x32 PtSi 1-5 77
640x480/M 24x24 PtSi 1-5 77
Eastman/ 486x640/M 25x25 PtSi 1-5 77
Kodak 128х128/Г 50x50 HgCdTe 8-12 77
Marconi 256x128/Г 56x56 PST (n) 8-14 300 90
З84х288/Г 40x40 PST (n) 8-14 300 130
AEG 256x256/M 24x24 PtSi 3-5 77 75
486x640/M 24x24 PtSi 3-5 77 70
256х256/Г 40x40 HgCdTe 8-10 80 20
640х512/Г 24x24 HgCdTe 3-5 80 20
256х256/Г 40x40 QWIP 8-10 60 10
Фирма Формат Размер пикселя, мкм Материал Спектральный диапазон (мкм) Рабочая температура (К) D* (смГц/Вт) / NETD(mK)
640x512/Г 24x24 QWIP 8-10 60 20
JPL 128x128/Г 50x50 QWIP 15 45 30
256x256/Г 38x38 QWIP 9 70 40
640x512/Г 18x18 QWIP 9 70 36
Sensors 128х128/Г 60x60 InGaAs 0,9-1,7 300 1013
Unlimited 320х240/Г 40x40 InGaAs 0,9-1,7 300 1012
Примечания: D’ — обнаружительная способность, NETD — разность температур , эквивалентная
шуму, Г — гибридная архитектура, М — монолитная архитектура , п — пироэлектрические прием-
ники, б — болометрические приемники, QWIP — квантово-размерные приемники.
Есть своя специфика в востребованности той или иной из рассмотренных тех-
нологий в военной и гражданской сферах, что иллюстрируется рис. 6.4 и 6.5.
Основным производителем матриц тепловизионных систем в России является НПО
«Орион». Разработана и выпускается широкая гамма приборов форматом 2x96,128х 128,
384x288 на основе HgCdTe и InSb. Одновременно с этим проводятся исследования и
разработки тепловых матриц фокальной плоскости на основе новых материалов.
Подводя итоги краткому рассмотрению тепловизионных систем, еще раз под-
черкнем, что область их применений очень широка и захватывает как военную, так
и гражданскую сферу, что иллюстрируется рис. 6.5 [1].
Рис. 6.4. Сравнительное процентное распределение тепловизионных систем по ос-
новным областям применения в военной (а) и гражданской (б) технике:
а) 1 — системы фронтального обзора, 2 — системы поиска ракетных целей,
3 — поиск и отслеживание целей, 3 — сбор данных по целям, 4 — косми-
ческие системы, 5 — другие применения.
б) 1 — контроль окружающей среды, 2 — контроль продукции, 3 — систе-
мы безопасности, 4 — транспорт, 5 — медицина, 6 - другие применения.
1 - CdHgTe
2 - PbS, PbSe
3 - InSb
4 - PtSi
5 - Si:X
6-Ge
7 - InAs,
InGa As, AlGaAs
8 - other
Рис.6.5. Сравнительное распределение степени использования различных
тепловизионных технологий в военной (а) и гражданской (б) технике.
6.3. ФПЗС-формирователи изображения
Как уже отмечалось ранее, именно использование фоточувствительных ПЗС-мат-
риц (матриц на основе приборов с переносом заряда) или ФПЗС привело к под-
линному прорыву в массовую бытовую технику. ФПЗС преобразили технологию
фотографии, известную уже более двух столетий. ФПЗС стали сердцевиной совре-
менных систем оптической записи информации таких, как камкодеры и факси-
мильные аппараты в миллионах домов и офисов, а также в бортовых системах (дос-
таточно упомянуть орбитальный телескоп Хаббл). Огромным преимуществом
ФПЗС является их исключительно высокая чувствительность, намного превосхо-
дящая чувствительность фотоэмульсионных материалов, возможность работы в
различных спектральных областях (от рентгеновского диапазона до ближней ИК-
области). Совместимость технологии ФПЗС с базовыми процессами полупровод-
никовой микроэлектроники сделала ее чрезвычайно экономичной и обеспечиваю-
щей массовый выпуск недорогих приборов. В отечественной специальной литера-
туре иногда приводятся несколько альтернативных вариантов аббревиатуры назва-
ния рассматриваемых приборов (просто ПЗС или ФППЗ). Мы же в дальнейшем
будем придерживаться аббревиатуры ФПЗС.
6.3.1. Принципы функционирования и архитектура
Впервые идея ПЗС (приборов с зарядовой связью) в виде т.н. «пожарных цепочек»
была предложена именно в связи с проблемами развития телевидения еще в ЗО-е
годы прошлого века В. К. Зворыкиным, но подлинного расцвета эта технология по-
лучила примерно через полвека спустя. ФПЗС-матрицы содержат большие массивы
пикселов, каждый из которых представляют МОП-конденсаторы на основе крем-
ния, в которых верхний металлический электрод располагается на слое двуокиси
кремния, сформированном на Si. При приложении смещения дырки движутся из
обедненной области в кремнии под затвором, образующей потенциальную яму. При
освещении прибора генерируются электроны, которые аккумулируются в этой
потенциальной яме, при этом концентрация генерированных электронов про-
порциональна интенсивности засветки.
Рис. 6.6. Схематическое представление
конструкции пиксела трёхфазного «-ка-
нального ФПЗС: топология прибора (а), раз-
рез по А-А
Конструкцию прибора иллюстриру-
ет рис. 6.6.
Ключевым моментом ФПЗС-техно-
логии является метод считывания ин-
формации. С этой целью система счи-
тывания периодически изменяет на-
пряжение, подаваемое на соседние
пиксели. Принцип работы ФПЗС схе-
матически иллюстрируется рис. 6.7.
Сначала напряжение на соседнем
электроде понижается до уровня, соот-
ветствующего потенциалу ямы МОП-
конденсатора, в которой аккумулирова-
ны электроны, после чего на МОП-кон-
денсатор подается импульс отрицатель-
ного напряжения, что приводит к пере-
несу электронов в соседний пиксель. Этот процесс многократно повторяется, что
приводит к последовательному переносу электронов из одного пиксела в другой
вплоть до периферии матрицы. Рассмотренная схема считывания (т.н. строчная
адресация) является простейшей и ее основным недостатком является избыточ-
ное накопление заряда в процессе его переноса, что приводит к размыванию изоб-
ражения. При малых уровнях засветки, когда времена экспозиции намного боль-
ше времени считывания, это не приводит к особым проблемам. В то же время при
малых временах экспозиции необходимо использование модулятора.
Для решения указанной проблемы могут быть использованы и другие подхо-
ды. При межстрочном переносе заряды каждого столбца пикселей переносятся в
соседний столбец, который экранирован от засветки. Недостатком такого подхода
является то, что при этом тратится половина площади структуры. Третьей альтер-
нативой является т.н. кадровый перенос, при котором осуществляется быстрый
перенос в сдвиговую матрицу, после чего происходит более медленное считывание
информации.
Логический сигнал
Электроды на
легированной
подложке
.ж».
01
el
01
02
Уровни напряжения, задающие потенциальные ямы, содержащие фотозаряды —
Последователь-
ность модифи-
каций потенци-
альных ям,
необходимая
для переноса
фотозарядов
от одной ямы
к следующей.
Рис. 6.7. Схематичес-
кое представление
ФПЗС и принципа
работы этого прибора.
В ряде применений проблема размывания изображения может быть решена
перемещением регистрируемой картины по матрице синхронно со считыванием.
При этом по мере того, как заряд переносится от пиксела к пикселу имеет место
экспозиция того же самого участка изображения. Такая схема интеграции с задер-
жкой обеспечивает стабильное считывание информации, а также максимизацию
времени экспозиции. Модифицируя тактовую схему (двух -, трех-, четырехтакто-
вая схемы) можно добиться большей гибкости ФПЗС и расширения их возможно-
стей, включая возможность электронной модуляции, самопроверки, сканирова-
ния изображения.
С точки зрения характера ввода излучения ФПЗС могут быть ориентированы
либо фронтально, когда излучение попадает в прибор через электроды, либо в об-
ращенной геометрии, когда излучение падает прямо на полупроводник. В первом
случае необходима прозрачность электродов, что реализуется за счет использова-
ния сверхтонких слоев сильно легированного кремния. Недостатком этого подхода
является то, что пропускание сильно падает в УФ-области (в области длин волн
короче 0,41 мкм). В том случае, когда с точки зрения применения это имеет прин-
ципиальное значение, электроды могут быть выполнены на основе прозрачных
проводящих материалов, например, на основе окиси индия-олова.
В обращенной геометрии эта проблема устраняется, но одновременно возни-
кают новые трудности. В синей и ближней УФ-области спектра эти проблемы свя-
заны с тем, что глубина области поглощения настолько мала (порядка 0,3 мкм для
длины волны излучения 0,4 мкм), что фотоэлектроны генерируются лишь вблизи
поверхности пикселя. В то же время, если уменьшить толщину пикселя до 15—20
мкм, то электроны смогут диффундировать в обедненную область. В то же время
поскольку надлине волны 1 мкм глубина области поглощения составляет порядка
80 мкм, такие ФПЗС будут обладать очень малой чувствительностью в ИК-области
спектра. Тем не менее современные технологические возможности и уровень пони-
мания процессов в ФПЗС позволяют проектировать приборы, способные работать
в диапазоне от рентгеновской до ближней ИК-области спектра вплоть до предель-
ной для кремния длины волны (1,1 мкм).
К настоящему времени разработан целый ряд подходов, обеспечивающих повы-
шение чувствительности ФПЗС в коротковолновой области спектра. Один из них
основан на предварительной засветке прибора интенсивным УФ-излучением, что
приводит к генерации электронов в объеме кремния, которые перемещаются к тыль-
ной стороне и захватываются слоем оксида. При этом возникает отрицательный по-
тенциал, «выталкивающий» фотоэлектроны, генерируемые под действием засветки,
по направлению к потенциальным ямам, в которых они и аккумулируются.
Основным преимуществом ФПЗС, объясняющим их популярность, является ис-
ключительная чувствительность этих приборов: во многих случаях эффективность
фотон-электронного преобразования в этих приборах приближается к 100 %. При
этом единственный источник шума в рассматриваемых приборах обусловлен тепло-
вой генерацией электронов. При комнатной температуре этот источник шума на-
столько незначителен, что им можно пренебречь по сравнению с регистрируемым
сигналом. В том случае, когда уровень засветки невелик, шум может быть ослаблен
за счет охлаждения. Например, в случае, когда требуется регистрация чрезвычайно
слабых потоков излучения (например, в астрономии) охлаждением до температуры
жидкого азота темновой ток может быть уменьшен до уровня в 1 электрон в час.
Имеется также возможность компромиссного выбора оптимального подхода.
Например чувствительность может быть увеличена за счет ухудшения разрешения,
например, объединением нескольких пикселей (binning).
Хотя технология ФПЗС и достигла достаточно зрелого уровня, имеется ряд
направлений, по которым необходимо добиться существенного улучшения. Од-
ним из узких мест этой технологии является недостаточная скорость считывания.
Обработка уровней экспозиции с пикселей матрицы использует аналого-цифро-
вое преобразование, при этом чем больше скорость считывания, тем выше уровень
шумов, привносимый этой операцией. Таким образом, при заданном отношении
сигнал/шум скорость считывания ограничена, что приводит к ограничению кадро-
вой частоты. Это является фактором, ограничивающим использование ФПЗС для
регистрации быстропротекающих процессов. Например, частоте считывания 2 МГц
кадровая частота типичной ФПЗС-матрицы форматом 512x512 составит всего 8
кадров в секунду, при этом на практике и такая частота недостижима, так как опре-
деленная часть времени уходит на экспозицию и перенос заряда.
Имеется два подхода для решения этой проблемы. Во-первых, уже упоминав-
шееся ранее объединение нескольких пикселей, которое позволяет улучшить от-
ношение сигнал/шум и кадровую частоту за счет ухудшения пространственного
разрешения. Второй подход основан на кадровом переносе. Использование этих
двух подходов вместе дает потребителю возможность гибкого выбора необходимо-
го баланса между временным разрешением, пространственным разрешением, кад-
ровой частотой, чувствительностью и отношением сигнал/шум.
Другим важным направлением улучшения характеристик ФПЗС является рас-
ширение их динамического диапазона. Динамический диапазон современных
ФПЗС при комнатной температуре составляет чуть более 3 порядков, в то время
как типичные регистрируемые сцены могут потребовать динамический диапазон
вплоть до 6 порядков.
В настоящее время имеются конструкторские и технологические предпосылки
решения этой проблемы. В частности, представляется перспективной концепция
ФПЗС, в которой каждый пиксель автоматически регулирует свою чувствитель-
ность в зависимости от уровня засветки.
6.3.2. Линейные ФПЗС-формирователи изображения
Исторически первые формирователи видеосигналов на основе ФПЗС имели линей-
ную конфигурацию. В рассматриваемом случае генератор управляющих импульсов
на некоторое время останавливается и при фиксированном распределении потенци-
ала на электродах происходит накопление заряда. Затем считывание возобновляется
и информация выводится из ФПЗС. Недостатками такого режима работы являются:
засветка прибора в процессе считывания информации, что приводит к расплыванию
изображения, а также возможное переполнение потенциальных ям.
Естественно, простейшим, но не
лучшим путем решения этой пробле-
мы является использование модулято-
ра, прерывающего световой поток на
время считывания. Более приемлемое
решение основано на разделении про-
цессов накопления и считывания в са-
мой структуре ФПЗС за счет использо-
вания в ней фоточувствительного на-
копительного регистра, затвора парал-
лельного переноса и считывающего
ПЗС-регистра сдвига, защищенного от
засветки алюминиевым экраном. В
приборах этого типа могут использо-
ваться трехфазные структуры с пере-
крывающимися электродами или двух-
фазные — с барьерами, сформирован-
ными имплантацией. В качестве мате-
риала электродов используются поли-
кремний, обладающий необходимой
прозрачностью в рабочем спектраль-
ном диапазоне, а также алюминий.
К числу требований, определяющих
особенности конструкции линейных
ФПЗС относятся: расположение пиксе-
лей вдоль прямой линии, наличие од-
ного или нескольких считывающих ре-
7
Рис. 6.8. Двухрегистровый ФПЗС фирмы
Fairchild'. 1 — выходной затвор, 2 — сток тран-
зистора сброса, 3 - затвор сброса, 4 - ос-
новной выход; 5 — сток выходных усилите-
лей; 6 — компенсационный выход; 7 - под-
ложка; 8 — затворы передачи; 9 — затвор на-
копления.
гистров; минимизация числа переносов
в процессе считывания; минимизация размеров кристалла. В 1728-элементном
ФПЗС, применяемом для передачи факсимильных изображений, используется
двухрегистровый принцип, при этом фоточувствительные пиксели располагаются
по оси прибора, а по обе стороны от них находятся регистры считывания, объеди-
няемые на выходе в один общий канал.
Двухрегистровая схема линейного ФПЗС иллюстрируется рис. 6.8 на примере
прибора фирмы Fairchild.
Рассматриваемый 1728-элементный прибор содержит пару двухфазных сдвиго-
вых регистров с барьерами, сформированными ионной имплантацией. Все фото-
чувствительные пиксели располагаются под общим поликремниевым затвором.
Параллельный перенос осуществляется в конце периода накопления заряда при
подаче импульсов на затворы параллельной передачи, при этом заряды нечетных
пикселей поступают в правый регистр, а заряды четных пикселей — в левый ре-
гистр. В рассматриваемом случае выходное устройство построено по принципу стро-
бируемого интегратора заряда.
Рис.6.9. Схема считывания сигнала
с ФПЗС: 1 — регистр сканирования,
2 — сигнальная шина,3 — ключи адресации,
4 — ключи параллельного сброса;
5 - элементы ФПЗС; 6 - импульс инжек-
ции; 7 — выборка; 8 — сигнал; 9 — сброс;
10 - первая выборка.
В заключение этого раздела оста-
новимся несколько более подробно на
схеме считывания сигнала, иллюстри-
руемой рис. 6.9 [3].
В рассматриваемой схеме импульс
инжекции прикладывается последова-
тельно к МОП-элементам линейки че-
рез кремниевый регистр, состоящий,
например, из ключей на полевых
МОП-транзисторах. Таким образом,
осуществляется электронное сканиро-
вание по строке. При считывании сиг-
нала в одномерной линейке каждый из
фоточувствительных пикселов, пред-
ставленных на рисунке в виде емкос-
ти, которая через ключ полевого МОП-транзистора связана с общей линией
считывания сигнала, подключается ключом сброса 9 к эталонному напряже-
нию. Затвор каждого из ключей управляется сдвиговым регистром сканирова-
ния. После сброса измеряется потенциал на входе предусилителя при выклю-
ченном ключе 9. Так осуществляется первая выборка для обеспечения двойной
коррелированной выборки, исключающей КТС-шум сброса, обычно преобла-
дающий по величине над всеми другими шумами в многоэлементных приемни-
ках тепловизионного диапазона. Через емкостной вход 6 к линии считывания
прикладывается инжектирующий импульс, приводящий к исчезновению по-
тенциальной ямы в пикселе и протеканию импульса тока, обеспечивающего
рекомбинацию накопленных в яме носителей. После установления стационар-
ного режима производится вторая выборка. Разность напряжений между двумя
выборками определяется величиной заряда, инжектрированного из потенци-
альной ямы. В течение интервала между процессами считывания сигнала с пос-
ледовательных пикселей включаются ключи 3 и на всех фоточувствительных пик-
селах устанавливается эталонное напряжение.
6.3.3. Матричные ФПЗС-формирователи изображения
Исходные требования к проектированию матричных ФПЗС-формирователей
изображения идентичны рассмотренным выше. И в рассматриваемом случае
элементы накопления и считывания заряда конструктивно разделены.
Существует несколько типов архитектуры матричных ФПЗС, иллюстрируе-
мых рис. 6.10.
При использовании приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) выборка пик-
селя осуществляется методом двухкоординатной адресации, при этом во время
опроса матрицы информационный заряд осуществляет многократное переме-
щение между двумя областями в пределах одного и того же пикселя, а полезным
сигналом является изменение плавающего потенциала в расположенном на
поверхности электроде. Недостаток
такого подхода обусловлен большой
емкостью выходного узла, связанной
со всей строчной шиной и приводящей
к увеличению уровня шумов выходно-
го устройства.
Характерной особенностью
ФПЗС с кадровым переносом являет-
ся наличие секции хранения или па-
мяти, выполняющей функцию буфе-
ра и равной по площади фоточувстви-
тельной секции. По окончании пери-
ода накопления зарядовое изображе-
ние кадра сдвигается из фоточувстви-
тельной секции в секцию памяти, эк-
ранированную от воздействия света,
после чего в фоточувствительной сек-
ции начинается накопление заряда
следующего кадра, при этом инфор-
мация из секции памяти построчно
выводится. Параллельный перенос
строки в регистр считывания осуще-
ствляется в течение обратного хода
строчной развертки. Схематически
архитектура ФПЗС с кадровым пере-
носом иллюстрируется рис. 6.11.
Архитектура ФПЗС с кадровым пе-
реносом дает возможность реализовать
чересстрочное разложение. С этой це-
лью в трехфазном ФПЗС накопление
в нечетных пикселях осуществляется
под электродами фазы Ф1, а в четных
— под фазой Ф1. К числу преимуществ
ФПЗС с межстрочным переносом от-
Рис. 6 .10. Архитектура матричных ФПЗС:
а — матрица на основе приборов с зарядовой
инжекцией; б — матрица с кадровым перено-
сом; в — матрица с межстрочным переносом.
ЮГ/////
» 'ЛОЖ!». М////Ю 'ЛМЯОШШ.
а ЮЮМЛ *ШгЖ/////7/4>.
----J-*! *ЮИГ///Ь///М0‘‘''
-г- - ОШИ» ГЛШ^////////. I
ааитк *//////& ^/////>^//////л
кить чшямш* '•
МИМ» Г/////Ю ШЮМШк
'ант» г///////др////ш *
• Секция
памяти^
hUOfCHUU
затвор о—
передачи.
Выходной,
регистр
Выходной
диод
/////////, лИИГ///. r////////\////z/// ъ
</////// W//////' у//////И/\/К7////// >.
ЮГ/////' ////////, <//Я7/Г/Зг/////Ю»
" &7/////Л '///////// ,/&/////М//Ш^
^ЮШ^//////^
затвор
Рис. 6.11. Архитектура ФПЗС с кадровым
переносом. Входной регистр служит для
электрического ввода сигнала в ФПЗС.
носится то, что при одинаковом разрешении они имеют вдвое меньшую пло-
щадь по сравнению с приборами с кадровым переносом. В большинстве мат-
ричных ФПЗС используются электродные структуры и технология линейных
ФПЗС, при этом наиболее распространены структуры на основе многослойного
поликремния или с локально легированным поликремнием.
ФПЗС, применяемые в телевизионных системах, как правило, работают в
режиме чересстрочного разложения, при этом соответствующими телевизион-
ными стандартами рекомендуется чересстрочная развертка с кратностью 2:1.
6.3.4. Потребительские системы
На современном рынке очень широко представлены сравнительно недорогие по-
требительские электронные камеры, обладающие умеренными характеристика-
ми разрешения [4,5].
В данном случае также используется модульный принцип построения изде-
лия. Например модуль камеры фирмы Sharp, содержит плату ФПЗС-формирова-
теля изображения с интегрированным объективом и схемой обработки.
Основными поставщиками таких сравнительно недорогих линейных и мат-
ричных ФПЗС являются, в основном, японские фирмы Panasonic, Sharp, Sony,
Toshiba. Например, фирмой Toshiba разработана и поставляется серия линейных
ФПЗС с числом пикселов от 128 до 5340. Стоимость приборов, монтируемых в
12-выводных корпусах типа CERDP или в 22-выводных корпусах типа DIP, варьи-
руется в диапазоне от 50 до 265 долларов США. В свою очередь, такие изделия
широко используются другими японскими фирмами для выпуска широкой гам-
мы продукции, включая видеомагнитофоны, электронные камеры.
Фирмой Sony Semiconductors Со of America разработана серия миниатюрных
цветных и черно- белых ФПЗС, соответствующих стандартам EIA и CCIR. Прибо-
ры типа ICXQ16AL и ICXW17AL обладают высокой фоточувствительностью, имеют
формат 362x492 и поставляются в 14-выводных корпусах типа DIP. Малый размер
(1/5 дюйма) приборов и их невысокая стоимость (19 долл, при объеме поставки
10 000 шт.) позволяют широко использовать их в системах видеонаблюдения, в
дуплексных видеосистемах (видеоконференции), видеофонах.
Фирмой Sharp разработаны матричные ФПЗС размером 1/4 дюйма и форма-
том 811x507. Прибор типа LZ 2453 стоимостью 80 долл, содержит электронный
затвор, выпускается в 14-выводном корпусе и соответствует цветовому стандарту
NTSC. Фирма Sharp поставляет продукцию трех типов: ФПЗС-чипы, чипы, встро-
енные в модули, содержащие схемы обработки, а также готовые электронные ка-
меры. При этом основная доля выпускаемой продукции приходится на ФПЗС-
модули.
В число перспективных областей разработки новых систем с использованием
ФПЗС, например, входят: системы на основе миниатюрных приборов, обеспечи-
вающих возможность видеонаблюдения в пределах крайне ограниченного про-
странства, системы, сочетающие волоконно-оптический кабель и электронную
камеру.
Следует подчеркнуть, что все компании, производящие ФПЗС, предоставля-
ют сервисные услуги, позволяющие потребителю в случае необходимости разра-
батывать свои собственные законченные системы.
Возможности современных цифровых камер для стандартных применений,
включая высокоскоростное машинное зрение, контроль в полупроводниковой
технологии, считывание сцинцилляционных сигналов, анализ биочипов, индус-
триальный контроль, исследование биомедицинских систем, иллюстрирует се-
рия ФПЗС-камер С8484—05/— 75фирмы Hamamatsu, характеристики которых при-
ведены в таблице 6.3[4].
Таблица 6.3. Характеристики цифровых ФПЗС-камер типа С8484—05/—15
фирмы Hamamtsu.
Наименование параметра Величина параметра
Эффективное число пикселей Размер пикселя, мкм Эффективная площадь, мм2 Темновой ток пикселя, эл./с Шум считывания, эл. Полная емкость потенциальной ямы, эл. Динамический диапазон АЦП, бит Интерфейс 1344x1024 6,45x6,45 8,58x6,86 20 10 18 000 1800: 1 12 С8484—05 C8484—05G С84484—05С
Кадровая частота, Гц: RS232CIEEE 8,3 1394(FkWk) 8,9 RS-232C 12,2
без группирования пикселей с группированием пикселей в формате 2х2/4х4/8х8 16/28/45 16/28/43 22/41/68
Тактовая частота, МГц 14,75 14,75 20
Время экспозиции, мс 0,15-1000 0,15-1000 0,15-1000
Источник питания (мощность/напряжение), Вт/В 8/12 8/12 8/12
6.3.5. Специализированные системы
Специализированные ФПЗС-системы предназначаются для использования в
таких областях, как астрономия, военные системы, медицинские системы,
спектроскопия и робототехнические системы. На рынке таких систем широко
представлены японские, американские и европейские компании. При этом
стоимость таких специализированных ФПЗС, поставляемых американскими
и европейскими компаниями может варьироваться от 500 до 100 000 долларов
США.
По-видимому, наиболее уникальными характеристиками обладают камеры,
предназначенные для научных исследований. В качестве примера приведем циф-
ровую камеру с высокой кадровой частотой типа С7770 фирмы Hamamatsu [4].
Она обеспечивает кадровую частоту вплоть до 300 кадров в секунду при средне-
квадратичном уровне шума в 20 электронов.
Основные характеристики этой системы приведены в таблице 6.4.
Таблица 6.4. Основные характеристики специализированной цифровой
камеры С 7770.
Наименование параметра Величина параметра
Формат Размер пикселя, мкм Число электронов в заполненной потенциальной яме Шум считывания, эл./пиксель Динамический диапазон Кадровая частота при максимальном разрешении, Гц Время экспозиции мс Группирование пикселей для кадровой частоты: 640x480 9,9x9,9 24 000 20 1000: 1 291 0,0408-3,38
531 Гц 904 Гц 1377 Гц Внешний контроль Внешнее ЗУ, Гбайт 2x2 4x4 8x8 RS232 2
Камера предназначается для высокоскоростного микроскопического отобра-
жения (например, эффектов отбеливания), отображения динамических явлений
(динамика жидкостей), динамического рентгеновского отображения при неразру-
шающем контроле, для использования в системах считывания в пузырьковых ка-
мерах.
6.4. КМОП-формирователи изображения
Практически одновременно и параллельно с разработкой ФПЗС-формирователей
изображения проводились и исследования в области создания аналогичных сис-
тем по КМОП-технологии, обеспечивающей возможность интеграции в одном кри-
сталле как собственно фоточувствительной матрицы, так и схем считывания.
6.4.1. Архитектура
С использованием КМОП-технологии смогут быть реализованы два типа форми-
рователей изображения, а именно приборы с активными и пассивными пикселя-
ми. Их основное различие заключается в том, что в устройствах с пассивными пик-
селями не производится усиление сигнала, что имеет место в приборах активного
типа. Пиксел пассивного прибора представляет собой просто фотодиод (МОП-
илир/7?-диод), фотоэлектрический сигнал которого выводится к усилителю за пре-
делами фоточувствительной матрицы.
Термин же «активный пиксел» относит-
ся к пикселю, содержащему активный
элемент, например усилитель, содержа-
щий, как правило 1 или несколько тран-
зисторов. Возможные варианты конст-
рукции фоточувствительных элементов,
выполненных по КМОП-технологии ил-
люстрируются рис. 6.12 [6].
В КМОП-формирователях изобра-
жения может быть легко реализована X-
У-адресация пикселей. В простейшем
случае пиксель содержит фотодиод и
переключатель ряда.
Эта идея отнюдь не нова. Первые
приборы с активными пикселями
были разработаны еще в 60-х годах про-
шлого века. Однако лишь достижения
последних лет в КМОП-технологии
позволили достичь такого уровня, ког-
да КМОП-формирователи изображе-
Рис. 6.12. Различные варианты конструк-
ции фоточувствительных элементов, выпол-
ненных по КМОП-технологии
ния стали находить все более широкое применение.
В формирователях изображения с пассивными пикселами регистры горизон-
тального и вертикального сканирования подсоединяют фоточувствительные пиксе-
лы к шинам считывания для последующего усиления фотогенерированного сигнала.
Во многом такая архитектура аналогична традиционным полупроводниковым ЗУ. В
то же время имеется и существенное отличие. В то время, как микросхемы ЗУ долж-
ны «различать» пустые («0») и заполненные («1») ячейки, содержащие порядка 10 000
электронов, в многоэлементном формирователе изображения должна быть обеспе-
чена однородность фоточувствительности по всей матрице, а также обеспечено раз-
решение во много градаций серой шкалы (как правило, от 256 до 10 000, что соответ-
ствует изменению отношения сигнал/шум в диапазоне от 40 до 80 дБ).
Основными недостатками простой архитектуры КМОП-формирователей изоб-
ражения с пассивными пикселями являются высокий уровень шума, малый коэф-
фициент заполнения, а также технологические проблемы, связанные с токами утеч-
ки, которые визуально проявляются в виде белых точек в поле изображения.
В то же время к числу преимуществ такого подхода следует отнести малый раз-
мер чипа, что связано с простотой конструкции, а также возможность использова-
ния базовых процессов цифровых или аналоговых КМОП-микросхем.
Одной из специфических проблем такого подхода является проявление т.н.
шума фиксированной картины, возникающего в процессе переноса заряда, гене-
рируемого в пикселе, по столбцовой шине, неизбежно обладающей большой емко-
стью. Проявление такого шума можно образно сравнить с наблюдением через за-
пыленное стекло.
Рис.6.13. Функциональные узлы, выпол-
ненные по КМОП — технологии: а) адрес-
ный буфер; б) ячейка ЗУ; в) усилитель
Свой дополнительный вклад в пол-
ный шум вносит и усилитель. Для улуч-
шения шумовых характеристик КМОП-
формирователя в его пиксели можно
встроить усиливающие элементы, на-
пример КМОП-транзистор. Формиро-
ватели изображения с активными пик-
селями обладают лучшими шумовыми
характеристиками, но одновременно с
этим и меньшим коэффициентом за-
полнения. В то же время по мере того,
как успехи технологии обеспечивают
возможность формирования элементов
со все меньшими топологическими раз-
мерами, влияние коэффициента запол-
нения все более перестает быть факто-
ром, ограничивающим потенциал
КМОП-формирователей изображения с
активными пикселями.
К числу несомненных преимуществ
КМОП-технологии относится возмож-
ность формирования схем обработки сиг-
нала, что иллюстрируется рис. 6.13 [6].
Помимо возможности высокой
степени интеграции КМОП-форми-
рователи изображения по сравнению
с традиционными ФПЗС-формирователями обладают еще одним очень важ-
ным преимуществом: в то время, как традиционные ФПЗС-формирователи
потребляют достаточно много энергии и требуют целого набора входных на-
пряжений в диапазоне 8—10 В, КМОП-формирователи изображения потреб-
ляют крайне незначительный ток от единственного низковольтного источни-
ка питания (3—5 В).
Достоинством КМОП-технологии является не меньшая себестоимость самого
чипа формирователя изображения, а скорее — более высокий уровень интеграции,
предлагаемый этой технологией, что обеспечивает возможность использования
меньшего числа таких чипов при разработке системы и таким образом, приводит к
уменьшению себестоимости самой системы.
6.4.2. Характеристики
На современном рынке формирователей изображения достаточно широко пред-
ставлены КМОП-устройства. В качестве примера можно привести линейные фор-
мирователи изображения серии 88311/8318фирмы Hamamatsu, основные характе-
ристики которых представлены в таблице 6.5.
Таблица 6.5. Основные характеристики линейных КМОП-формирователей
изображения фирмы Hamamtsu.
Наименование параметра Величина параметра
Число пикселей 128/256/512 256/512/1024
Длина корпуса, мм 15,8/22,2/ 35 15,8/22,2/35,0
Тактовая частота:
минимальная, кГц 0,1
максимальная, кГц 500
Энергопотребление, мВт 25 25
Спектральный диапазон, нм 20-1000 200-1000
Фоточувствительность, В /лк с:
-низкое усиление 4,4 4,4
-высокое усиление 22 22
Темновой ток, пА *0,24 *0,12
Заряд насыщения, пКл 12,5 6,3
емкость °C зарядового услителя, пФ 10,5
Темновое выходное напряжение, мВ:
-низкое усиление 1,6 1,6
-высокое усиление 8,0 8,0
Порог насыщения выходного напряжения, В:
-низкое усиление 2,5 2,5
-высокое усиление 3,2 3,2
Порог экспозиции насыщения, млк с
- низкое усиление 570 570
-высокое усиление 145 145
Неравномерность
Фоточувствительности, % 3 3
Представленные линейные формирователи изображения функционируют от
одного источника питания (5 В), содержат встроенный зарядовый усилитель и обес-
печивают считывание сигнала с тактовой частотой 500 кГц.
В обеспечение системного использования этих формирователей изображения
фирмой Hamamatsu разработаны драйверы типа С9001, характеристики которых
представлены в таблице 6.6.
Таблица 6.6. Характеристики драйвера С 9001.
Наименование параметра Величина параметра
Напряжение питания, В 5,0
Потребляемый ток, мА 20
Длительность импульса запуска,нс 2//
Тактовая частота, кГц 500
Времена нарастания/спада, нс 14
Порог насыщения на выходе, В 3,3-4, 0
Представленный драйвер обеспечивает функционирование линейных форми-
рователей изображения за счет подачи лишь двух входных сигналов (тактового ге-
нератора и запуска). На его выходе также формируется триггерный сигнал для АЦП
Наряду с КМОП-устройствами изображения на рынке формирователей изоб-
ражения достаточно широко представлены и устройства на основе «-канальных
МОП-транзисторов. В частности, фирмой Hamamatsu разработана серия самоска-
нирующих n-МОП-формирователей изображения, предназначенных для исполь-
зования в многоканальной спектроскопии. Приборы имеют большую площадь,
обладают достаточно большой фоточувствительностью в УФ-области спектра, дос-
таточно малым шумом, что обеспечивает детектирование слабых сигналов с высо-
ким о отношением сигнал/шум. Основные характеристики этих приборов с токо-
вым выходным сигналом представлены таблице 6.7.
Таблица 6 .7. Характеристики л-МОП-формирователей изображения
с токовым выходным сигналом.
Тип Охлаждение Число пикселей Размер пикселей Тип драйвера
S 3901 Неохлаждаемый 128, 256, 512, 1024 50 мкмх2,5 мм С7883
S3904 Неохлаждаемый 256, 512, 1024, 2048 25 мкмх0,5 мм С7884
S3902 Неохлаждаемый 128, 256, 512 50 мкмх0,5 мм
S 3903 Неохлаждаемый 256, 512. 1024 25 мкмх0,5 мм
S5930 Охлаждаемый* 256, 512 50 мкмх2,5 мм
S5931 Охлаждаемый* 512, 1024 25 мкмх2,5 мм
Примечание: * — одноступенчатое термоэлектрическое охлаждение.
При использовании схемы интеграции заряда считывания типа С7884 приборы обеспе-
чивают высокую точность регистрации слабых сигналов. Использование схемы преобра-
зования ток/напряжение типа С7883обеспечивает высокоскоростное считывание инфор-
мации с частотой 2 МГц. Наличие в приборах типа S5930/S5931 встроенной системы
термоэлектрического охлаждения, обеспечивающей температуру датчика О °C, делает эти
устройства идеальными для применений, требующих большого времени интеграции.
Увеличение чувствительности в ИК-области спектра обеспечивают приборы типа
S8380, S8381, S 8382, S8383, характеристики которых представлены в таблице 6.8.
Таблица 6.8. Характеристики л-МОП-формирователей изображения с
усиленной чувствительностью в ИК- области.
Тип Охлаждение Число пикселей Размер пикселей Тип драйвера
S8380 Неохлаждаемый 128, 256, 512 50 мкмх2,5 мм С7883
S8381 Неохлаждаемый 256, 512, 1024 25 мкмх2,5 мм С7884
S8382 Охлаждаемый* 256, 512 50 мкмх2,5 мм
S8383 Охлаждаемый* 512, 1024 25 мкмх2,5 мм
Примечание: * — одноступенчатое термоэлектрическое охлаждение.
Наряду с рассмотренными выше приборами, обеспечивающими токовый вы-
ходной сигнал разработана и серийно выпускается серия п-МОП-формирователей
изображения с выходным сигналом по напряжению, дающих возможность исполь-
зования более простых схем считывания. Характеристики этих приборов представ-
лены в таблице 6.9.
Таблица 6.9. Характеристики л-МОП-формирователей изображения с
выходным сигналом по напряжению.
Тип Охлаждение Число пикселей Размер пикселей Тип драйвера
S3921 Неохлаждаемый 128, 256, 512 50 мкмх2,5 мм С7885
S3924 Неохлаждаемый 256, 512, 1024 25 мкмх2,5 мм
S3922 Неохлаждаемый 128, 256, 512 50 мкмх0,5 мм
S3923 Неохлаждаемый 256, 512, 1024 25 мкмх0,5 мм
6.4.3. Комбинированные ФПЗС-КМОП системы
Помимо формирователей изображения, основанных на ПЗС-или КМОП-техноло-
гии в чистом виде был предложен и комбинированный подход, призванный исполь-
зовать достоинства рассмотренных ранее технологий.
В частности, фирмой Suni Imaging Microsystems была предложены [7] оптимизиро-
ванный КМОП-ПЗС подход и технология реализации устройств с напряжением пита-
ния 5 В. В этом случае используется традиционная структура ПЗС-пикселей, КМОП-
формирователи с активными пикселями и различные архитектуры фотодиод-усили-
тель. Этот подход позволяет реализовать разнообразные аналоговые и цифровые КМОП-
схемы, такие как АЦП, быстродействующие генераторы тактовой частоты, мультиплек-
соры. В чип ПЗС и фотодиодами может быть встроен даже микропроцессор.
Переход от КМОП технологии к технологии КМОП-ФПЗС сравнительно прост,
поскольку в обоих случаях используются базовые процессы кремниевой МОП-техноло-
гии. В обоих случаях используются одни и те же материалы, типы оборудования и может
быть использован тот же самый персонал. В то же время имеются и определенные разли-
чия, обусловливающие неполную совместимость обоих типов технологии.
В предложенном фирмой Sunilmaging Microsystems подходе проводится оптими-
зация как технологии ФПЗС (уменьшение токов утечки, увеличение выхода годных,
повышение фоточувствительности, эффективности переноса заряда), так и техноло-
гии КМОП-транзисторов.
6.5. Альтернативные технологии
Возможности современных фотоэлектрических формирователей изображения, бе-
зусловно, не ограничиваются только ФПЗС-, КМОП-приборами. В первую очередь,
это обусловлено системными проблемами. Подобно тому, как тепловизионные при-
емники излучения призваны решать задачи высокоразрешающей регистрации
тепловых изображений в спектральном диапазоне с 2 > 3 мкм, существует масса
прикладных задач, связанных с регистрацией излучения как в ближнем ИК-диапа-
зоне с 2 < 3 мкм, так и в коротковолновом диапазоне вплоть до рентгеновского
диапазона. Во многом эта задача связана с материаловедческими проблемами. Од-
новременно с этим в качестве базового элемента фотоэлектрического формирова-
теля изображения могут быть выбраны не только МОП-элементы, но и другие типы
фотоэлектрических приборов.
6.5.1. Материаловедческие и физико-технологические аспекты
Хотя базовым материалом для рассмотренных выше многоэлементных приемни-
ков излучения (ФПЗС и КМОП) является кремний, существуют фундаментальны-
ограничения для его использования как в среднем ИК-диапазоне (Л > 1 мкм), так
и в коротковолновом диапазоне.
Как уже отмечалось ранее (применительно к магистральным ВОЛПИ), ближ-
ний спектральный диапазон (2 > 1 мкм) может быть обеспечен приборами на осно-
ве гетероструктур в системе In—Ga —As. Использование таких гетероструктур позво-
лило фирме Hamamatsu разработать серию линейных формирователей изображе-
ния типа С8909-01 с диапазоном спектральной чувствительности, перекрываю-
щим ближний ИК-диапазон вплоть до Л ~ 2 мкм.
В рассматриваемом случае в качестве базового элемента используются р/п-ФД
на основе гетероструктур InGaAs различного состава (этот класс материалов был
достаточно подробно рассмотрен ранее в главе 2).
Альтернативный подход для решения этой задачи заключается в использовании
другой чрезвычайно интересной системы твердых растворов на основе SiGe. В связи с
тем, что эти материалы представляют большой интерес не только для оптоэлектроники,
Рис. 6.14. Композиционные зависимости
ширины запрещенной зоны ненапряжен-
ных (верхняя кривая) и когерентно напря-
жённых (нижние кривые) слоёв SiGe.
но и для микроэлектроники в целом оста-
новимся на этом вопросе более подробно.
Одной из причин, вызвавших боль-
шой интерес к структурам на основе SiGe,
было желание преодолеть один из недо-
статков кремния, связанных с ограничен-
ным быстродействием приборов на его
основе. В 80-е годы прошлого века каза-
лось, что эта проблема может быть реше-
на за счет использования арсенида гал-
лия: приборы на его основе обладали су-
щественно большим быстродействием,
при этом в GaAs (как материале с пря-
мой структурой энергетических зон)
имеет место высокоэффективная излуча-
тельная рекомбинация. Успехи техноло-
гии приборов на основе GaAs были тако-
вы, что в то время казалось, что близится
время когда Кремниевая долина будет пе-
реименована в «Арсенид — галлиевый ка-
ньон» [8]. Но этого не случилось и одной
из причин является то, что кремний яв-
ляется более технологичным материалом,
в технологию которого к тому же были вло-
жены сотни миллиардов долларов.
Поэтому продолжались поиски но-
вых материалов на основе кремния, спо-
собных повысить быстродействие тран-
зисторов. И такими материалами ока-
зались твердые растворы SiGe. В те же
80-е годы прошлого века были созданы
прототипы быстродействующих тран-
Рис. 6.15. Спектры электролюминесценции
структур на основе SiGe.
зисторов на основе гетероструктур SiGe с быстродействием на 60% более высоким
по сравнению с аналогичным параметром транзисторов на основе кремния.
Благодаря т.н. полной растворимости в системе Si—Ge могут быть твердые раство-
ры любого состава. Как кремний, так и германий кристаллизуются в структуре алмаза.
В то же время одной из проблем является достаточно большое рассогласование посто-
янных решетки (4,17%), что приводит к возникновению сильных напряжений при
синтезе бездислокационных структур (с толщиной меньшей критической толщины).
Композиционные зависимости ширины запрещенной зоны напряженных и ненап-
ряженных слоев SiGe иллюстрируются рис. 6.14 [9].
Из представленного рисунка видно, какое сильное влияние оказывают эффекты
микронапряжений на ширину запрещен-
ной зоны SiGe. Резкий перелом в компо-
зиционной зависимости ширины запре-
щенной зоны при х 0,85, обусловлен из-
менением типа зонной структуры (сме-
щением минимума зоны проводимости
отX- в Z-точку зоны Бриллюэна).
Одновременно еще раз следует под-
черкнуть, что использование эффектов
зонной структуры, микронапряжений и
квантово-размерных эффектов (рас-
смотренных в главе 1) дает достаточно
широкие возможности для проектиро-
вания и реализации различных типов
оптоэлектронных структур.
В качестве иллюстрации приведем
принципиально важный пример реали-
зации достаточно эффективной люми-
несценции в структурах на основе SiGe
(рис. 6.15) [10].
Рис. 6.16. Спектральные зависимости кван-
товой эффективности кремниевых ФПЗС
со стандартной конструкцией с вводом из-
лучения через фронтальную поверхность
(нижняя кривая), с малой толщиной базы и
вводом излучения через тыльную сторону
(верхняя кривая).
Перейдем теперь к рассмотрению другого круга проблем, связанных с регист-
рацией излучения в коротковолновой области спектра.
Возможности регистрации УФ-излучения с помощью кремниевых ФПЗС иллюст-
рирует рис. 6.16.
Слои поликремния или диэлектрические слои, обычно наносимые на фоточув-
ствительную поверхность ФПЗС с фронтальной регистрацией излучения приводят к
ухудшению фоточувствительности прибора в коротковолновой области, в особенно-
сти в УФ-диапазоне. Использование конструкции с малой толщиной базовой обла-
сти, через которую и вводится излучение, позволяет существенно увеличить фото-
чувствительности в этой области спектра. При регистрации излучения в УФ-области
спектра существенное значение приобретает правильный выбор материала вход-
ного окна, которое может приводить к дополнительным потерям. Типичные зави-
симости коэффициента пропускания различных материалов окна иллюстрируют-
ся рис. 6.17.
Для регистрации излучения в области вакуумного ультрафиолета могут быть
использованы ФПЗС без входного окна (рис. 6.18).
Другой круг проблем связан с разработкой т.н. солнечно-слепых приборов,
т.е. нечувствительных к достаточно интенсивному фоновому излучению в види-
мой области спектра. Особый интерес такого рода формирователи изображения в
возможности оборонных применений [11] для регистрации излучения в области
длин волн 250—280 нм (отслеживание ракет). Одновременно с этим значительны
и возможности сугубо гражданского применения таких формирователей изобра-
жения в таких сферах, как технологический контроль в промышленности, биоме-
дицинские исследования, мониторинг озонового слоя Земли.
6.17. Спектральные зависимости коэффи-
циента пропускания кварца (штрих — пунк-
тирная кривая) и сапфира (сплошная кри-
вая).
Рис.6.18. Спектральные зависимости кван-
товой эффективности ФПЗС с малой тол-
щиной базы без входного окна в области
вакуумного ультрафиолета.
В связи с этим повышенный интерес вызывают приборы на основе т.н. широ-
козонных нитридов А3 В5, достаточно подробно рассмотренных в главе 2. Разуме-
ется, только этими материалами не ограничиваются возможности решения ука-
занной проблемы. Достаточно подробный анализ альтернативных вариантов ее
решения, проведенный в [ 12] показывает, что для этих целей могут быть исполь-
зованы «традиционные» структуры на основе соединений А3 В5, А2 В6, а также
структур КНС.
Другой круг задач (преимущественно медицинских) связан с регистрацией рен-
тгеновского излучения. Для решения этих задач может быть использовано несколь-
ко подходов. Для прямой регистрации мягкого рентгеновского излучения могут
быть использованы ФПЗС на основе кремния.
Прямое детектирование рентгеновского излучения в кремниевых детекторах
основано на том, что максимальная энергия для генерации одной электронно-ды-
рочной пары составляет примерно 3,65 эВ, при этом при энергии квантов излуче-
ния, больших 5 эВ, при падении одного фотона генерируется несколько электрон-
но-дырочных пар. Например, падение одного фотона с энергией 5,9 кэВ способно
породить в ФПЗС на основе кремния 1620 электронов. Таким образом, спектр рен-
тгеновского излучения может быть зарегистрирован даже в случае падения единич-
ных фотонов рентгеновского излучения.
В рассматриваемом случае существуют особые технологические приемы, спо-
собствующие наиболее эффективной прямой регистрации рентгеновского излуче-
ния. К ним, в частности относится использование структур с малой толщиной
тыльной поверхности, через которую и производится регистрация излучения.
Обычные ФПЗС с регистрацией через фронтальную поверхность имеют спект-
ральную характеристику, простирающуюся от 0,5 до 10 кэВ и не способны регистриро-
вать фотоны с энергией, меньшей 0,56 кэВ из-за т.н. «мертвого слоя», образующегося
на поверхности ФПЗС. В этом случае должны быть использованы приборы с умень-
шенной толщиной тыльной стороны.
Для обеспечения большой квантовой эффективности в рассматриваемом слу-
чае необходима достаточно большая толщина области обеднения.
Основными факторами, определяющими энергетическое разрешение прибора
при регистрации рентгеновского излучения с помощью ФПЗС являются эффек-
тивность переноса заряда и уровень шума. В том случае, когда неэффективность
переноса находится на уровне менее 10-4 и используется охлаждение прибора, энер-
гетическое разрешение будет определяться только схемой обработки сигнала и мо-
жет составлять всего несколько эквивалентных электронов, при этом энергетичес-
кое разрешение может составлять всего 140 эВ, что иллюстрируется рис. 6.19.
Для области энергий квантов рентгеновского излучения более 10 кэВ могут быть
использованы специальные сцинцилляторы, переизлучение которых и регистрируется
кремниевым ФПЗС -формирователем изображения. В качестве такого сцинциллятора
может использоваться CsI, дающий вторичную люминесценцию в зеленой области спек-
тра. При этом хотя сцинциллятор может наноситься непосредственно на поверхность
фотоэлектрического формирователя, в приборах фирмы Hamamatsu используется под-
ход с использованием волоконно-оптической пластины (ЮР) с сцинциллятором.
Энергия фотона, кэВ
Рис. 6.19. Пример регистрации с помощью
ФПЗС рентгеновского излучения от источ-
ника Fe-55.
Рис. 6.20. Спектральная зависимость кван-
товой эффективности ФПЗС в режиме ре-
гистрации потока излучения (а) и счёта фо-
тонов (б)
Квантовую эффективность ФПЗС, работающих в рентгеновском диапазоне спектра,
можно определить, исходя из двух режимов работы устройства, а именно: режима реги-
страции потока излучения и режима счета фотонов, что иллюстрируется рис. 6. 20.
Альтернативный подход для регистрации достаточно жесткого рентгеновского
излучения с энергией квантов в диапазоне от 30 до 100 кэВ основан на использова-
нии широкозонных материалов на основе CdZnTe [13].
Перечисленные выше технологии обеспечивают расширение функциональных воз-
можностей фотоэлектрических формирователей изображения, в основном, за счет ис-
пользования новых полупроводниковых материалов или новых принципов регистрации.
Вместе с тем, строго говоря, даже доминирующие на рынке ФПЗС- и КМОП-
технологии имеют достаточно широкий спектр модификаций. Применительно к
ФПЗС - это приборы с фронтальной и тыльной засветкой, с зарядовой связью и
зарядовой инжекцией и т.д.
В заключение остановимся более подробно на МОП- технологии для фото-
электрических формирователей изображения.
Исторически сложилось так, что все 1970-е годы прошли под знаком МОП —
микросхем с одним типом проводимости канала, причем изначально это были р-
канальные приборы, на смену которым пришли п -канальные микросхемы, кото-
рые и сейчас сохраняют свое место среди формирователей изображения.
В то же время подлинный прорыв был достигнут именно благодаря успехам
КМОП-технологии. Это было обусловлено целым рядом факторов:
• необходимостью уменьшения рассеиваемой мощности и одновременно рабочей
температуры элементов БИС;
• необходимостью повышения устойчивости к разовым случайным сбоям;
• необходимостью преодоления сложности изготовления n-канальных схем;
• необходимостью лучшего использования площади кристалла.
Рис. 6.21. Схемы опера-
ционного усилителя, вы-
полненного на основе
л-канальных МОП-при-
боров (а) и по КМОП-
технологии (б).
Последний фактор ярко иллюстрируется рис. 6.21, на котором приведены фун-
кционально близкие схемы операционного усилителя на «-канальных МОП- при-
борах (а) и КМОП-приборах (б) [14].
В общем случае «-канальные ир-канальные МОП- транзисторы в отдельности пред-
ставляют собой «подмножества» КМОП-структур. При этом разработчик ИС может
использовать в одних областях кристалла только «-канальные МОП-приборы, в пери-
ферийных областях— КМОП-приборы, а в других областях—только/?- канальные МОП-
приборы, что обеспечивает оптимальное сочетание производительности и стоимости
ИС, а также позволяет уменьшить величину дополнительной площади кристалла.
6.5.2. Характеритики
Не все из рассмотренных выше альтернативных технологий доведены в настоящее
время до стадии серийного производства. В соответствии с приведенной в преды-
дущем разделе последовательностью начнем наше рассмотрение с приборов ближ-
него ИК-диапазона.
Целая серия линейных формирователей изображения на основе гетерострук-
тур InGaAs разработана фирмой Hamamatsu. В качестве примера приведем основ-
ные характеристики прибора G8909—01, использующего в качестве фоточувстви-
тельного элемента /л«-ФД (таблица 6.10).
Таблица 6.10. Основные характеристики линейного формирователя
изображения типа G8909-01.
Наименование параметра Величина параметра
Диаметр пиксела, мкм 80
Шаг, мкм 250
Число пикселов 40
Напряжение обратного смещения, В 6
Спектральный диапазон, мкм 0,9-1,7
Фоточувствительность, А/ Вт:
2 =1,31 мкм 0,9
2 =1,55 мкм 0,95
Разброс фоточувствительности, % 10%
Темновой ток, нА 0,02
Шунтирующее сопротивление, ГОм 8
емкость, пФ 1,4
Уровень развязки, дБ -33
Длина волны, мкм
Рис. 6.22. Спектральные зависимости фо-
точувствительности линейных
формирователей изображения на основе
InGaAs различного состава.
Другие типы линейных формировате-
лей изображения перекрывают спект-
ральный диапазон вплоть до 2 мкм
(рис. 6.22).
Целая серия специализированных
линейных формирователей изображе-
ния на основе InGaAs была разработана
фирмой Hamamatsu для спектрофото-
метрических целей. Встроенные в эти
приборы КМОП-схемы обеспечивают
упрощенный вариант обработки регис-
трируемой информации, в то время, как
наличие термоэлектрических охладите-
лей обеспечивает их высокую чувстви-
тельность для регистрации излучения в
диапазоне от 0,9 до 2,6 мкм. Основные
характеристики этих приборов приведе-
ны в таблице 6.11.
Таблица 6.11. Характеристики линейных формирователей изображения на
основе InGaAs для спектрофотометрии.
Тип Шаг, мкм Число пикселов Активная поверхность, ммхмм Допустимый уровень дефектности, % Тип драйвера
G8160-256* 50 256 12,8x0,25 2 С8601
G8161-512* 25 512 12,8x0,25 2 С8061
G8162-256* 50 . 256 12,8x0,5 2 С8061
G8163-512* 50 512 12,8x0,5 2 С8061
G8180-256* 50 256 12,8x0,25 2 С8062
Как отмечалось в предыдущем разделе, альтернативный подход для рассматривае-
мого спектрального диапазона использует структуры на основе твердых растворов SiGe.
Основные параметры приборов на основе структур SiGe представлены в таблице 6.12.
Таблица 6.12. Параметры фотоприемников на основе структур твердых
растворов SiGe.
Тип структуры Эффективность, % Рабочая длина волны, мкм Плотность темнового тока, мА/см2
pin 40 1,45 50 (Т=300 К)
СРШ (ФП) 39 1,3
СРШ 40 1,3 7
СРШ 25 0,98 0,005
Примечания: СРШ-сверхрешетка, ФП-фоторезистор.
В целом, следует отметить, что ФП на основе рассматриваемых структур су-
щественно уступают аналогичным приборам на основе гетероструктур InGaAs.
Продолжая последовательное рассмотрение характеристик приборов в соот-
ветствии с последовательностью, принятой в предыдущем разделе, перейдем к
приборам УФ-диапазона.
О разработке УФ-камеры исследователями государственного университета
Северной Каролины сообщалось в [ 11 ]. В рассматриваемом случае формирова-
тель УФ-изображения содержал матрицу форматом 32x32 из 11-ФД на основе
гетероструктур GaN/AlGaN. Устройство обладало достаточной фоточувствитель-
ностью в спектральном диапазоне от 320 до 365 нм. Излучение с длиной вол-
ны, меньшей 320 нм поглощается базовым слоем GaN, в то время как для излу-
чения с длиной волны 365 нм нитрид галлия прозрачен. К числу недостатков
этого устройства относится то, что хотя оно нечувствительно к излучению ви-
димой области спектра, но его еще нельзя назвать «солнечно-слепым» [11].
Тем не менее, существуют технологические предпосылки полного решения ука-
занной проблемы.
Для регистрации рентгеновского излучения фирмой Hamamatsu разработана
целая серия приборов с использованием сцинцилляторов и ФПЗС. Характерис-
тики некоторых таких приборов представлены в таблице 6.13.
Таблица 6.13. Характеристики ФПЗС с сцинциллятором для регистрации
рентгеновского излучения.
Тип Формат Число активных пикселов Активная поверхность, ммхмм Тип драйвера
S7361 608x402 600x400 28,800x19,200 -
S7362-01 608x402 600x400 28,800x19200 С6460
S71991 536x128 1536x128 73,728x6,144
О разработке линейного формирователя изображения на основе CdZn Те, пред-
назначенного для регистрации жесткого рентгеновского излучения сообщалось в
работе [13]. 32-элементный приборсшагом 250 мкм и размерами пикселов 175x800
мкм2 обладал высокой эффективностью собирания заряда (90%) при сравнительно
слабых электрических полях (600 В/см). Устройство характеризовалось очень ма-
лым темновым током на уровне 0,1 пА и высокой однородностью характеристик
пикселов. Относительная полуширина энергетической чувствительности прибора
составила 5,7%.
6.5.3. Сравнительный анализ ФПЗС- и КМОП-технологий
В настоящее время на рынке формирователей изображения представлены систе-
мы, реализованные с использованием целого ряда альтернативных технологий
(ФПЗС, КМОП, КМОП-ФПЗС и т.д.), потенциальные возможности которых, «с
высоты птичьего полета» сравниваются в таблице 6.14.
Таблица 6.14. Сравнительные характеристики альтернативных технологий
Вид Шумовые характеристики Чувстви- тельность Потенциал интегрпации Возможность произвольной выборки Цена Потенциал для реализации экономичных систем
ФПЗС Отличные Отличная Низкий Низкая Низкая Низкий
КМОП Потенциально Потенциально Высокий высокая Низкая Высокий
высокие высокая
КМОП- ПЗС Отличные Отличная Высокий Никая/Низкая Высокий Высогкая
После того, как мы привели сравнительные данные по потенциальным возмож-
ностям альтернативных технологий, сконцентрируем свое внимание преимуществен-
но на двух основных технологиях, а именно на ФПЗС- и КМОП- технологиях.
В течение последних двух десятилетий технология ФПЗС была предпочтительной
с точки зрения реализации твердотельных формирователей изображения. Эти систе-
мы способны детектировать, хранить и давать возможность считывать аналоговую и
цифровую информацию с большой однородностью. Даже сегодня большинство циф-
ровых камер используют ФПЗС. В то время, как популярность таких устройств для
отображения в видимой области спектра связана с их долговременной стабильностью,
одновременно ведется интенсивный поиск альтернативных технологий.
В самом деле, ФПЗС для применений в условиях сверхмалых световых потоков тре-
буют использования больших размеров сегментов (что связано с худшим разрешением)
с тем, чтобы обеспечить регистрацию сверхслабых световых потоков.В дополнению к
этому добавляется проблема достаточно малой частоты кадровой развертки. Безуслов-
но, существуют приемы, позволяющие на системном уровне решить ча зть возникаю-
щих проблем, В частности, понижая частоту кадрововой развертки и соответственно
ширину полосы пропускания, можно существенно улучшить отношение сигнал/шум,
что успешно продемонстрировано астрономическими применениями ФПЗС-камер.
В то же время, как это было рассмотрено ранее, существует реальная альтерна-
тива современным ФПЗС-камерам в виде КМОП-формирователей изображения.
Одним из полезных параметров, позволяющих оценить функциональные возмож-
ности альтернативных технологий, включая ФПЗС- и КМОП-технологии, являет-
ся уровень шума считывания.
В связи с тем, что доминирующим типом приборов для регистрации сверхсла-
бых световых потоков являются и-канальные ФПЗС, зачастую уровень шума считы-
вания выражают в единицах носителей заряда. При этом ключевыми вопросами
являются, где и каким образом следует усиливать сигнал.
Рассматриваемый тип приемников излучения характеризуется чрезвычайно
низким уровнем шумов на малых частотах. В то же время проблемы начинают воз-
никать при частотах видеосигнала, превышающих несколько МГц и необходимых
для реализации ТВ-отображения. Например, в случае видеодисплея, содержащего
2 миллиона пикселей, кадровой частоте 30 Гц соответствует частоте видеосигнала
100 МГц. А в этом случае шумы считывания практически на два порядка превыша-
ют низкочастотный уровень (рис. 6.23).
В связи с этим возникает вопрос, а
сможет ли альтернативная КМОП-тех-
нология обеспечить необходимое уси-
ление сигнала. Положительный ответ
на этот вопрос дают уже разработанные
КМОП-устройства. По фундаменталь-
ным причинам КМОП-формирователи
изображения способны обеспечить
меньший уровень шумов на видеочас-
тотах. Именно это преимущество и сти-
мулировало разработку как монолит-
ных, так и гибридных систем с КМОП-
усилением.
Монолитные приборы обладают ар-
хитектурой, подобной архитектуре
Рис. 6.23. Теоретическая (сплошная линия)
и эмпирическая (пунктирная линия) час-
тотные зависимости уровня шума.
ФПЗС лишь с тем отличием, что в данном случае перед мультиплексированием
каждый пиксель не только детектирует, но и усиливает сигнал. Гибридные же
устройства представляют собой вертикально интегрированные многокристаль-
ные модули.
К числу преимуществ гибридного подхода относится возможность независи-
мой оптимизации коэффициента заполнения и схемы усиления, поскольку фун-
кции детектирования и усиления пространственно разнесены. Таким образом, в
данном случае можно оптимизировать как сам многоэлементный фотодетектор,
так и КМОП- схему считывания, причем сделать это с использованием уже разра-
ботанной технологии.В частности, уже разработанные системы обеспечивают
квантовую эффективность более 80% в спектральном диапазоне от 350 до 920 нм
при коэффициенте заполнения, близком к 100%, и очень низком уровне шумов.
Для объективного сопоставления возможностей различных подходов могут
быть использованы стандарты ISO (International Organization for Standardization),
позволяющие пользователю оценить времена экспозиции и способность к реги-
страции слабых световых потоков как с
помощью традиционных фотокамер,
так и электронных камер.
В соответствии с ISO уровень 1000
соответствует частоте 1000 кадров в се-
кунду для получения качественной фо-
тографии в условиях дневного освеще-
ния. Эта же шкала ISO может быть ис-
пользована для сравнительной оценки
различных типов формирователей
изображения.
Рис. 6.24. Связь уровня ISO с размерами
пикселей при уровне шума в диапазоне от
1 до 40 электронов.
Связь уровня ISO с размерами пик-
села при различных уровнях шума [16]
иллюстрирует рис. 6.24.
Приведенные зависимости получены в предположении отношения сигнал/
шум, равного 10, для кадровой частоты 30 Гц, коэффициента заполнения 100%.
Оценки, проведенные с учетом представленных зависимостей, показывают, что
даже с учетом зрелого состояния современной ФПЗС-технологии этот тип прибо-
ров форматом в 1 миллион пикселей размером 5 мкм, работающих с кадровой час-
тотой существенно меньше 30 Гц, обеспечивает лишь уровень 100 по шкале ISO. В
то же время КМОП-формирователи изображения уже сейчас обеспечивают уро-
вень в несколько раз выше при кадровой частоте, приближающейся к уровню, не-
обходимому для ТВ-отображения. При этом предполагается, что в дальнейшем
для КМОП-систем достижимы уровни 3000 и 10 000 при размерах пикселей соот-
ветственно 5 и 9 мкм.
6.6. Системные аспекты
В настоящее время многоэлементные фотоэлектрические формирователи изобра-
жения с высокой степенью интеграции уже стали реальностью. Но при этом возни-
кает вопрос, каким образом можно превратить такие микросистемы в реальный
продукт.
6.6.1. Стандартные системы
Изобилие как готовых систем, так и их отдельных компонентов, выпускаемых в
настоящее время, таково, что оно открывает широкие возможности для пользова-
телей. При этом чрезвычайно продуктивным является модульный подход к пост-
роению систем. В соответствии с практикой, принятой у ведущих фирм — произво-
дителей, помимо ключевых функциональных устройств, определяющих потенци-
альные возможности системы, разработаны и серийно выпускается широкая но-
менклатура вспомогательных устройств и комплектующих (это и рассмотренные
выше драйверы или блоки обработки информации, специализированные кабели).
Одновременно с этим этими же фирмами оказываются сервисные услуги по сопро-
вождению выпускаемого ими продукта.
Указанный подход иллюстрирует рис. 6.25, на котором представлена конфигу-
рация системы формирования изображения с использованием комплектующих
фирмы Hamamatsu.
Сердцевиной рассматриваемой системы в данном случае является формирова-
тель изображения, выполненный по МОП-технологии с и-канальными транзисто-
рами, а также процессор типа С8799. В рассматриваемом случае система создается
из серийно выпускаемых комплектующих.
Перечень продукции, обеспечивающей комплектование систем, можно про-
должить многофункциональными драйверами. В частности, фирмой Hamamatsu
выпускаются т.н. многоканальные детекторные головки, представляющие собой
простые в использование драйверы и предназначенные для использования в комп-
лекте как с ФПЗС-формирователями изображения, так и с линейными формиро-
вателями изображения на основе InGaAs. К числу таких модулей относится прибор
тующих фирмы Hamamatsu.
С7041. Этот модуль обеспечивает возможность функционирования ФПЗС-матри-
цы в режиме группирования сегментов (binning), когда матрица работает как линей-
ный формирователь изображения. Устройство также содержит и встроенный тер-
моэлектрический охладитель, что обеспечивает увеличение его чувствительности
при регистрации слабых потоков. В свою очередь, для обеспечения функциониро-
вания устройств типа С704 разработаны микроконтроллеры типа С7757, содержа-
щие АЦП, ЗУ с информационной емкостью 4 Мбит и встроенный источник пита-
ния (5 В, 15 В, 12 В и 24 В).
6.6.2. Заказные системы
При всех своих зачастую уникальных характеристиках серийные системы или сис-
темы, построенные по модульному принципу все-таки специализированно ориен-
тированы.
До тех пор, пока не появятся многофункциональные «интеллектуальные» сис-
темы, единственным решением этой проблемы является разработка заказных сис-
тем, ориентированных на конкретное применение.
В связи с этим следует еще раз подчеркнуть необходимость многоуровневого
проектирования. Практика успешной разработки таких заказных систем показы-
вает, что она основана на тесной совместной работе как схемных, так и системных
разработчиков, включая разработчиков архитектуры системы, программистов, тех-
нологов и т.д.
Первым шагом на пути успешной реализации системы является четкое опреде-
ление технико-экономических характеристик разрабатываемого продукта. В том,
что касается формирователя изображения, необходимо четко определиться с ос-
новными техническими характеристиками, такими как необходимое разрешение,
Рис. 6.32. Альтернативные варианты пост-
роения КМОП-формирователей изображе-
ния: ЗТ (а), 4Т (б), 2,5Т (в) [17].
минимальный уровень регистрируемо-
го светового сигнала, архитектура опти-
ческой системы, конструкционные ог-
раничения.
На этой же стадии должен быть чет-
ко сделан выбор оптимальной техноло-
гии формирователя изображения из до-
статочно широкой гаммы альтернатив-
ных технологий. В качестве примеров
неудачного выбора можно привести ис-
пользование КМОП-формирователей
изображения для астрономической си-
стемы форматом 6000x6000 или же при-
менение ФПЗС-формирователя изоб-
ражения в датчиках штрих-кода.
После того как решены перечислен-
ные выше вопросы, необходимо опре-
делиться с типом корпуса, стыкующим-
ся с разрабатываемой оптической сис-
темой: стандартным, керамическим
или заказным.
В том случае, когда «стандартный»
набор предлагаемой рынком продук-
ции не удовлетворяет системного раз-
работчика, необходима разработка за-
казных устройств, обеспечивающих ко-
нечные характеристики системы.
На этом этапе решающую роль на-
чинает играть искусство микросхемо-
техники, при этом, как это зачастую бы-
вает, перед микросхемотехником также
возникает проблема выбора. Проиллю-
стрируем это на примере разработки
КМОП-формирователей изображения
с активными пикселями.
В настоящее время наиболее часто используется архитектура формирователя изоб-
ражения с 3 транзисторами на пиксель (3 Т), четырьмя транзисторами на пиксель
(4 Т) и пятью транзисторами на 2 пикселя (2,5 Т), что иллюстрируется.
Мощным оружием микросхемотехники, естественно, является компьютерное
моделирование, позволяющее не только выбрать оптимальную архитектуру уст-
ройства, но и оптимальную конструкцию функциональных элементов.
После определения оптимальной конструкции устройства наступает этап его
практической реализации (по возможности с использованием базовых технологи-
ческих процессов).
6.7. Микросистемы
Благодаря успехам современной микросхемотехники и технологии СБИС в на-
стоящее время очень популярной стала концепция систем на кристалле, орга-
нично вписывающаяся в проблематику интегральной оптоэлектроники, рассмот-
ренную ранее в главе 3.
Широкие возможности монолитной интеграции, предоставляемые КМОП-
технологией, делают ее магистральным путем создания систем на кристалле. Про-
иллюстрируем это несколькими примерами.
Первые попытки создания таких систем предпринимались уже в 80-е годы
прошлого века. К числу таких микросистем можно отнести устройство для обра-
ботки изображения буквенно-цифровых символов [18]. Оно выполнено в виде
гибридной сборки из двух кремниевых кристаллов, при этом первый кристалл
содержит матрицу МОП ФД, двоичный счетчик, генератор импульсов, линейку
усилителей, пороговое устройство и выходной мультиплексор. Второй кристалл
содержит препроцессор, корректирующий дефекты символов и распознающий
изображения среди картин, поступающих от матрицы ФД.
Фотоприемная секция форматом 64x24 формируется на кристалле размером
4,8х 1,8 мм2. В процессе работы устройства каждая из 24 строк матрицы последо-
вательно возбуждается с помощью дешифратора с максимальной частотой 1 Мгц
при тактовой частоте опроса 2 кГц.
В рассматриваемом случае черно-белый характер регистрируемого изображе-
ния позволяет использовать двоичный электрический сигнал до мультиплекси-
рования, что сильно упрощает мультиплексор. В рассматриваемом устройстве ис-
пользуется схема, чувствительная к градиенту видеосигнала вдоль столбца матри-
цы, при этом каждое приращение напряжения между двумя выбранными ФД срав-
нивается с т. н. гистерезисным напряжением, полярность которого определяется
предыдущим решением.
Конфигурация ФД в фоточувствительной матрице имеет вид зигзагообраз-
ного растра, что обеспечивает гистерезис перехода «от белого к черному» на 10%
выше, чем «от черного к белому».
Собственно процессорная схема, содержащая 424-разрядных регистра осу-
ществляет обработку бинарной картины, поступающей от фоточувствитель-
ной матрицы, при этом первой задачей процессора является исправление де-
фектов (пропущенные черные точки в собственных ветвях символа, паразит-
ные черные точки из-за пыли, пропущенные переходы «от белого к черному»
из-за низкого качества печати или символа) с помощью алгоритмов «заполне-
ния» и «удаления».
Второй задачей процессора является выбор лишь той картины, которая пред-
ставляет собой полный символ.
Одной из иллюстраций современного уровня разработки если не систем, то
по крайней мере, подсистем на кристалле является многофункциональная фото-
электрическая ИС, изготовленная по технологии КМОП-КНС и рассмотренная
ранее в главе 4.
Контроллер
синхронизации
Управление СМ
строками
Адрес строки
Адрес столбца
Фоточувствительноя
КМОП-матрица
Набор
управляющих
регистров
Reg О
Reg 1
£
&
?
X
3
Управление
столбцами
Коэффициент усиления
PGA О и PGA I
Управление
PGA
усилителями
СМ
| Управление СМ
Аналоговый буфер строки
Дешифратор столбца
Коэффициент
PGA0
Коэффициент
усиления
PGA1
ОЕ
Clrtffteg Polo |
Последова-
тельный
интерфейс
Синхронизация
ДОННЫХ
последовотельного
интерфейса
АЦП
Управление
параллельным
интерфейсом
Ctrl
АЦП О
АЦП 1
Выходной буфер
Данные последовательного
интерфейса(значения
управляющих регистров)
Сигналы синхронизации 10-бит параллельные
параллельного интерфейса, донные точек изображения
(Строб донных, строб строки,
строб кадра, IRQ)
о
a
3
I ^9 п |
a
3
W
Рис. 6.27. Архитектура формирователей изображения серии HDCS\
Р/50-буфер с параллельным входом и последовательным выходом;
5/Р-буфер с последовательным входом и последовательным
выходом,PGA — усилитель с программируемым коэффициентом
усиления; Reg 0... Regn - управляющие регистры;
Reg Data— значения регистров; Crl — управление.
Следует отметить, что такие подсистемы на кристалле постепенно приходят
на рынок фотоэлектрических формирователей изображения. Примером тому яв-
ляются серия матричных фотоэлектрических формирователей изображения фир-
мы Agilent Technologies, разработанная с использованием КМОП-технологии [19].
Эти однокристальные устройства содержат два АЦП (10 бит), два операционных
усилителя с программируемым (через 8 бит) коэффициентом усиления и сред-
ства полного управления внутренней синхронизацией. В приборе предусмотрена
возможность независмого управления каждым PGB-каналом.Архитектура фор-
мирователей изображения схематично представлена на рис. 6.27.
Формирователи изображения указанной серии выпускаются в двух вариан-
тах, отличающихся размером фоточувствительной матрицы: HDCS-2000/2100 —
приборы ИбЛ-формата (640x480) и HDCS-1000/1100-приборы С/Р-формата
(352x288). Основные характеристики рассматриваемых формирователей изобра-
жения приведены в таблице 6.15.
Таблица 6.15. Основные характеристики формирователей изображения серии
HDCS.
Наименование параметра Величина параметра
Размер пиксела, мкм Максимальная тактовая частота, МГц Динамический диапазон, дБ Отношение сигнал/шум, дБ Шум, эквивалентные электроны Темновой ток, нА/см2 Фоточувствительность при единичном усилении, В/ Лк Пиковая квантовая эффективность, % Порог насыщения, В емкость максимального заполнения потенциальной ямы электронами Диапазон программируемого коэффициента усиления Коэффициент заполнения, % Изменяемое время экспозиции, мкс Потребляемая мощность, мВт: 9x9 25 60 66 40 0,1 1,1 21 1,3 8100 1-40 42 0,5 — 4000 (с шагом 0,5)
рабочий режим режим ожидания 200 3
Для сопряжения рассматриваемых формирователей изображения с компь-
ютером предусмотрены микроконтроллеры типа //£>67*2000/2010, позволяю-
щие решать большое число задач, в частности, преобразование ЛСЛ-стандарта
в Kt/И-стандарт с последующим сжатием, автоматическое поддержание балан-
са белого цвета, гамма-коррекция, автоматическая установка времени экспо-
зиции.
В заключение следует отметить, что подобного типа матричные формиро-
ватели изображения с умеренным разрешением и с использованием КМОП-
технологии выпускает и целый ряд других фирм, а именно: Biomorphic VLSI,
Conexant Systems, Kodak, Eastman, Mitsubishi Electric, Toshiba и т.д.
6.8. Проблемные вопросы
Проблематика рассматриваемого направления связана, в первую очередь, с те-
кущими и перспективными стратегическими задачами, а именно: с разработ-
кой неохлаждаемых ИК-матриц фокальной плоскости большого формата для
тепловизионных систем (в том числе, многоцветных ИК-матриц с радиацион-
но-стойкими схемами считывания и обработки информации, с разработкой
ИК-матриц гибкой конструкции, интегрированных многоцветных и «интел-
лектуальных» (smart) ИК-матриц.
В области бытовой техники такими «стратегическими» задачами являются:
• высокоразрешающее телевидение (в соответствии с рекомендациями МРЕС-2
оно должно формирование изображений форматом 1152x2048 при 30 тактах в
секунду);
• сверхвысокоразрешающее телевидение (согласно рекомендациям МРЕС — оно
должно сделать возможным формирование изображений форматом 2048x2048
при 30 тактах в секунду)
В то же время несмотря на стремительное развитие рассматриваемого направ-
ления существует ряд проблем, ограничивающих все более широкое их примене-
ние. Эти проблемы носят многоплановый характер и затрагивают не только тех-
нические, но и организационные и экономические аспекты.
Ограниченный объем книги не позволяет дать детальное описание рассматри-
ваемого вопроса. Тем не менее в укрупненном плане можно выделить две основные
группы проблем.
Во-первых, это задачи, связанные с оптимальным формированием поля изоб-
ражения в плоскости отображения, причем автоматическим и задаваемым самой
системой регистрации, что вписывается в концепцию «интеллектуальных» {smart)
приборов.
Во-вторых, это задачи, связанные с оптимальной обработкой (процессирова-
нием) зарегистрированной информации с возможностью ее передачи по системам
связи.
Первый круг задач связан как с оптимизацией оптической системы (причем не
только с технической, но и экономической точек зрения), так и созданием техни-
ческих возможностей саморегулирования регистрирующей системы на основе объек-
тивного измерения геометрических размеров, пространственного положения ре-
гистрируемого объекта.
Примером успешной решения этой проблемы является разработка системы
автофокусировки фотокамер. Так, уже в 1978 г. фирмой Honewell был разработан
модуль, обеспечивающий автофокусировку объектива фото -, кино- и телекамер
[20]. С этой целью в разработанном модуле была предусмотрена специальная оп-
тическая система, удваивающая изображение объекта и передающая оба изображе-
ния на две матрицы ФД. В результате сравнения сигналов двух изображений ИС,
входящая в состав модуля, формируется корреляционный сигнал, максимум кото-
рого соответствует наибольшей четкости отображаемой картины. На кристалле ИС
были размещены обе матрицы ФД, а между ними — выходной усилитель, пиковый
детектор, источник опорного напряжения, суммирующий усилитель. По сигналу
этой схемы исполнительное устройство автоматически устанавливает объектив в
требуемое положение.
Второй круг задач непосредственно связан с проблемами обработки информа-
ции в условиях воздействия помех. Генеральный путь решения технических про-
блем вписывается в русло цифровой обработки информации, проблематика кото-
рой достаточно подробно рассмотрена в монографии, посвященной цифровому
ТВ, ссылка на которую приводится в конце настоящей главы. Круг технических
решений этих задач связан с вопросами кодирования с использованием различных
типов преобразований (в частности, Фурье-преобразования, преобразования Ада-
мара, а также специализированных функций Уолша, использования режимов на-
копления, корреляции, фильтрации и т.д.
Как ни странно, не смотря на достаточно глубокую техническую проработку
этих вопросов даже по прошествии уже достаточно длительного времени, вопрос
более эффективного продвижения цифрового ТВ остается актуальным [21]. При-
чиной тому — в первую очередь, организационные и экономические вопросы.
К числу организационно-стратегических вопросов относится адекватный вы-
бор стандарта, обеспечивающего ТВ-трафик. В настоящее время существует два
основных стандарта, призванных обеспечить улучшение качества ТВ: это амери-
канский стандарт A TSC (Advanced Television Systems Commitee), призванный вытес-
нить стандарт NTSC, и европейский стандарт DVB(Digital Video Broadcasting), при
этом несмотря на значительные технологические достижения США в этом вопросе
они явно не лидируют. Причиной тому являются чисто экономические показате-
ли. Потребителю приходится выбирать между достаточно дорогой цифровой тех-
никой с очень высоким качеством изображения и существенно более дешевой тех-
никой с умеренным, но достаточным качеством изображения, Статистика показы-
вает, что преимущественный выбор делается в пользу второго направления.
То же самое можно отнести и к другим типам систем на основе фотоэлектричес-
ких формирователей изображения: хотя практически общепризнанным является
то, что «наш мир приобретает преимущественно цифровой характер», до сих пор
продолжает выпускаться огромное количество видеокамер и видеомагнитофонов,
ФПЗС-камер с аналоговым выходом в формате NTSC, которые продолжаются ис-
пользоваться даже в областях применения, связанных с цифровой обработкой ин-
формации. При этом основной причиной этого являются, естественно, результаты
технико-экономического сравнения двух рассмотренных направлений.
Литература
Приборы с зарядовой связью. Под ред. М. Хоувза, Д. Моргана / Пер. с англ. Ф.П. Пресс. — М.:
Энергоатомиздат. 1981 — 370 с.
Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. / Пер. с англ, под ред. В.В. Поспелова,
Р.А. Суриса.М.: Мир. 1978 - 327 с.
Лнисимова И.Д., Викулин. И.М., Заитов Ф.И., Курмашев Ш.Д. Полупроводниковые фото-
приемники.Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. — М.: Радио
и связь, 1984. —216 с.
Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов.Под ред. Р. Дж. Киеса/Пер. с англ, под ред.
Стафеева В.И. - М.: Радио и связь. 1985 - 328 с.
Наймарк С.И. Многоэлементные МДП интегральные фотодиодные преобразователи оптических
сигналов. Обзоры по электронной технике. Сер. 3. — М.: ЦНИИ «Электроника». Вып. 2 (937). 1983
- 53 с.
Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника / Пер. с чешского под ред. Виленчика Л.С. —
М.: Радио и связь. 1990-528 с.
Библиографический список
1. PonomarenkoVP., Filachev A.M. // Proceed. SPIE. 2003. V. 5126. P. 1 — 12.
2. Rogalski A. // Handbook of Infrared Detection Technologies / Ed. M. Henini, M. Razeghi.Oxford:
Elsevir. 2002. P. 5-81.
3. Аигина Ч.Р., Богомолов П. А., Сидоров В. И. // Зарубежная электронная техника. 1982. № 5
(521). С. 3-81.
4. Opto Semiconductor News / Hamamatsu. 2003.
5. Gallant J. Ц EDN. V. 87. N 12. P. 87-93.
6. Adonin A. S., Petrocjanc К. O., Polyakov I. V. // Proceed. SPIE. 2001. V. 4761. P. 170—175.
7. Suni P. // Laser Focus World. 1997. V. 33. N 4. P. 73-83.
8. Peterson I. // Science News. 1994. V. 146. N 3. P. 40—41.
9. People R. //Phys. Rev. B. 1985. V. 32. N 2. P. 1405-1408.
10. Fukatsu S., Yoshida H., Fujiwara A. et al. // Appl. Phys. Lett. 1992. V. 61, N 7. P. 804-806.
11. Savage N. Ц Laser Focus World. 1999. V. 35. N 11. P. 15-16.
12. Ermakov O.N. // Proceed. SPIE.
13. Yoo S.S., Jennings G., Montano P. A. // J. Electronic Mat. 1997. V. 26. N 6. P. 750—755.
14. Фибиджер Д. // Электроника. 1984. Т 57. № 7. С. 23-26.
15. Presting Н. // Handbook of Infrared Detection Technologies / Ed. M. Hennini, M. Razeghi. Oxford:
Elsevir. 2002. P. 393-448.
16. Kozlowski L. J. // Laser Focus World. 2001. V. 37. N 4. P. 9—12.
17. Shilin V. A., Skrylev P. A., Stempovsky A. L. // Proceed. SPIE. 2001. V. 4761. P. 176—181.
18. lespers P. G. A.// IEEE Journal of Solid - State Circuits. 1981. V. SC - 16. N 3. P. 561-565.
19. Ванюшин И., Сафонов А., Тишин Ю. // Электроника: НТВ. 2002. № 1. С. 28—30.
20. Электроника. 1978. № 11. С. 12—13.
21. Щербак Н. // Электроника: НТВ. 2002. № 1. С. 14-17.
ГЛАВА 7
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
7.1. Введение
Из проведенного выше рассмотрения мы уже смогли убедиться в том, что сферы
применения оптоэлектронных приборов чрезвычайно широки и они непрерыв-
но продолжают расширяться, захватывая все новые и новые области применения.
Во многом это обусловлено непрерывным совершенствованием параметров опто-
электронных приборов и появлением их новых типов, что дает основание гово-
рить о появлении нового поколения оптоэлектронных приборов [1]. В основе
такого стремительного прогресса зачастую лежат технологические прорывы, по-
зволяющие реализовать на приборном уровне то, что ранее было невозможно.
Разнообразие новых типов оптоэлектронных приборов даже в пределах какого-
либо их класса в настоящее время столь велико, что даже специалисту подчас бывает
непросто разобраться и выбрать необходимый прибор. При этом следует подчерк-
нуть, что оптоэлектронные приборы становятся по большей частью многофункцио-
нальными, «интеллектуальными» {smart) и реализуются с использованием продви-
нутых интегральных технологий, что в обязательном порядке предполагает понима-
ние их основных характеристик и особенностей применения, в том числе иногда и
не совсем привычной системы единиц измерения. Особенно наглядно это демонст-
рируется прогрессом оптронной техники, гармонично использующей достижения
технологий как излучающих приборов, так и фотоприемников.
Как это уже неоднократно делалось по ходу изложения, еще раз следует под-
черкнуть, что появление нового поколения относительно доступных оптоэлект-
ронных приборов открывает широкий простор для инженерного творчества и од-
новременно поднимает целый пласт проблем, связанных с оптимизацией проек-
тируемой конфигурации оптоэлектронных систем, включая основные вопросы
многоуровневого проектирования с учетом оптических и схемотехнических аспек-
тов, в том числе проблему оптического бюджета оптоэлектронных систем.
Охватить все возможные сферы применения оптоэлектронных технологий в рам-
ках ограниченного объема настоящей книги, естественно, не представляется воз-
можным. Поэтому сконцентрируем свое внимание только на некоторых из перспек-
тивных областей применения, определяющих дальнейший прогресс современного
информационного (в расширительном смысле следовало бы выразиться иначе —
коммуникационного общества, предполагающего максимально возможную ско-
рость переноса как собственно информации,так и передвижения людей .
Предлагаемые оптоэлектроникой решения предполагают многовариантность под-
ходов. С одной стороны, использование новых типов оптоэлектронных приборов по-
зволяет, например, существенно улучшить характеристики (в первую очередь, потре-
бительские) существующих кабельных линий связи (например телефонной связи),
что чрезвычайно выгодно с экономической точки зрения, поскольку в существующую
инфраструктуру телефонной связи сделаны огромные капиталовложения. С другой
стороны, оптоэлектроника предлагает самостоятельные пути решения проблем теле-
коммуникации, предлагая, в частности как магистральные, таки многофункциональ-
ные объектовые ВОЛПИ, а также ИК — системы с открытым каналом (беспроводная
оптическая связь), позволяющие разгрузить современную компьютерную технику от
обременительного и иногда раздражающего изобилия традиционных кабелей.
В связи со сказанным выше еще одним важным аспектом современного постинду-
стриального общества является расширение широкого круга коммуникационных воз-
можностей. И здесь мы непосредственно выходим на проблемы современного транс-
порта, включая как его инфраструктуру, обеспечение условий безопасности, так и не-
посредственно транспортные средства, включая широкий диапазон развитых в насто-
ящее время транспортных систем (наземных, авиационных и космических).
Рассмотрению перечисленных выше вопросов и посвящена настоящая глава.
7.2. Новое поколение оптронов
ФП
- Изолятор
Излучатель
Излучение --
Кристалл ФП с
усилителем
Фото-приемни
(ФП)
Рис.7.1. Конструкция оптрона в керамичес-
ком корпусе.
Успешное решение физико-технологи-
ческих проблем позволило в последнее
время разработать и освоить в серийном
производстве широкую гамму новых оп-
тоэлектронных приборов различных ти-
пов. Это и т. н. сверхъяркие СИД с широ-
кой цветовой гаммой (глава 2) и системы
визуального отображения информации
на их основе (глава 5), и фотоэлектричес-
кие формирователи изображения (глава
6). Естественно, в стороне от такого стре-
мительного развития не мог остаться и та-
кой важный класс приборов, как оптро-
ны, сочетающие в себе функции как гене-
рации, так и регистрации излучения.
В связи с тем, что светоизлучающие и
фотоэлектрические приборы нового по-
коления были рассмотрены достаточно
подробно ранее, остановимся более под-
робно на прогрессе оптронной техники.
В монографии Ю. Р. Носова и
А. С. Сидорова, посвященной оптро-
нам и резюмирующей основные итоги
первого этапа развития оптронной тех-
ники, основные проблемы в области со-
здания новых типов приборов были
сформулированы следующим образом:
• создание приборов с высоким уров-
нем целой совокупности основных
параметров, включая быстродействие,
коэффициент передачи, изоляцию;
• расширение номенклатуры приборов
с новыми функциональными харак-
теристиками их выходных цепей;
• повышение быстродействия и осво-
ение наносекундного диапазона;
• разработка приборов с увеличенным
коэффициентом передачи (К 10—
20%) для использования в гальваничес-
ки развязанных источниках питания;
Рис. 7.2. Конструкция оптрона в металло-
стеклянном корпусе.
• создание приборов с повышенной степенью интеграции, в том числе много-
канальных оптронов и многоканальных оптронных интегральных схем;
• разработка оптронов с линейной передаточной характеристикой в достаточ-
но широком диапазоне входных токов;
• создание дифференциальных оптронов с неидентичностью передаточных ха-
рактеристик на уровне 0,1—0,01 %;
• разработка серии приборов для передачи информационных сигналов микро-
амперного диапазона (микромощная оптронная техника);
• создание разнообразных оптронных датчиков.
Проиллюстрируем на конкретных примерах, каким образом перечисленные
выше проблемы решались на протяжении последних двадцати лет. Но прежде, чем
приступить к рассмотрению характеристик нового поколения оптронов, подчерк-
нем правильность выбора базовых типов конструкции, сделанную много десятиле-
тий назад. Наиболее широко распространенной является конструкция приборов в
керамическом корпусе (рис. 7.1).
Такая конструкция достаточно экономична и позволяет реализовать многока-
нальные приборы. Наряду с этим для применений, требующих повышенной на-
дежности прибора, предпочтительной является конструкция в металло- стеклян-
ном корпусе (рис. 7.2).
7.2.1. Быстродействующие оптроны
Как уже отмечалось выше, повышение быстродействия оптронов было и про-
должает оставаться одной из актуальных задач оптронной техники. В последнее
время в этом направлении достигнут значительный прогресс, обусловленный
достижениями как в разработке быстродействующих излучателей, так и фото-
приемников. Современный уровень этого типа приборов обеспечивает возмож-
ность их использования в системах передачи данных со скоростью 1 Мбод.
Проиллюстрируем это основными характеристиками серии приборов фирмы
Hewlett Packardтипа HCNR135/6, HCNR 4502/3, HCNR-0452/3,HCNR 0500/l,HCNR
4502/3 (таблица 7.1) [2].
Таблица 7.1. Основные характеристики быстродействующих оптронов [2]
Параметр Тип прибора Величина параметра
Коэффициент передачи, % 6N135 18
HCPL 4502/3 24
HCPL 0501 24
HCPL 0452/3 25
HCNW136 25
HCNW 4502/3 25
Время задержки, мкс 0,2
Ширина полосы, МГц 9-11
7.2.2. Оптроны с большим коэффициентом передачи по току
Рис. 7.3. Оптрон с выходным каскадом по
схеме Дарлингтона
Одной из традиционных схем создания
оптронов с очень большим коэффици-
ентом передачи является использова-
ние для усиления фототока схемы Дар-
лингтона (рис. 7.3).
К числу таких оптронов относятся
оптроны типа 4N45,4N46 фирмы Hewlett
Packard, основные характеристики ко-
торых приведены в таблице 7.2 [2].
Большая величина коэффициента
передачи позволяет использовать в рас-
сматриваемом случае светодиоды на ос-
нове GaAsP.
Таблица 7.2. Основные характеристики оптронов с выходным каскадом по
схеме Дарлингтона [2].
Параметр Величина параметра
Коэффициент передачи по току, % 15000
Входной ток, мА 0,5
Входное напряжение, В 1,4
Время задержки, мкс 80
7.2.3. Слаботочные оптроны
Как уже отмечалось ранее одной из проблем оптронной техники 80-х годов про-
шлого века была разработка слаботочных оптронов. В ее основе лежит задача со-
здания излучателя с воспроизводимыми характеристиками, способного работать
в области сверхмалых токов. Как следует из проведенного ранее анализа, в основе
этой проблемы зачастую лежит существенный разброс ВАХ в области малых сме-
щений, обусловленный вкладом безызлучательного избыточного тока. Тем не ме-
нее, в настоящее время указанная в значительной степени уже решена, примером
чего являются оптроны типа HCPL—4701, HCPL—4731, HCPL—070A, HCPL—073А
фирмы Hewlett Packard [2].
Указанная серия приборов представляет собой оптроны с чрезвычайно ма-
лым энергопотреблением и высоким усилением. Оптрон типа HCPL—4701 явля-
ется одноканальным прибором, смонтированным в стандартном 8-выводном
корпусе типа DIP. Оптрон типа HCPL—4731 является двухканальным прибором,
смонтированным также в 8-выводном корпусе типа DIP. Каждый из каналов
прибора может возбуждаться сверхмалым входным током на уровне 40 мкА, при
этом типичный коэффициент передачи составляет 3500 %. В приборе исполь-
зуется высокоэффективный излучатель на основе AlGaAs и интегрированное ФПУ,
обеспечивающее столь большой коэффициент передачи по току. В конструкции
прибора предусмотрена разводка на отдельные выводы как выхода ФД, так и
оконечного каскада усилителя. Одновременно с этим прибор обеспечивает до-
статочно большое быстродействие. Основные характеристики приборов пред-
ставлены в таблице 7.3 [2].
Таблица 7.3. Основные характеристики слаботочных оптронов [2].
Параметр Типичное значение Условия измерения
Коэффициент передачи по току 3500% I = 40 мкА, V = 4,5 В
3000 % I = 0,5 мА, И = 4,5 В пр 7 7 сс 7
Прямое напряжение на входе 1,25 В I = 40 мкА — 500 мкА лр
Входная емкость 18 пФ /= 1 МГц,
Время задержки Коэффициент подавления 65 мкс I = 40 мкА, R = 11—16 кОм пр 7 н
по линии развязки 10 000 В/мкс
Малая мощность потребления и малый входной ток обеспечивают возможность
использования приборов в автономных системах с питанием от батареи, в телефо-
нии и т.д.
7.2.4. Аналоговые оптроны
Рассматриваемый класс приборов, в первую очередь, необходим для использова-
ния в аналоговой технике, модемах, телекоммуникационных системах. Как уже
отмечалось ранее, для реализации такого рода приборов используется концепция
дифференциального оптрона, в соответствии с которой один СИД освещает два
близко расположенных фотодиода. При этом один из них (входной ФД) может
быть использован для контроля СИД и устранения нелинейности его дрейфа и
нелинейности интенсивности излучения. В то же время выходной ФД как раз и
генерирует фототок, линейно связанный с мощностью излучения СИД.
К числу современных аналоговых оптронов такого типа следует отнести приборы
типа HCNR 200/201 фирмы Hewlett Packard [2]. В зависимости от схемотехники при-
менения могут быть использованы различные режимы, включая униполярный/ би-
полярный режимы, ac/dc-режимы, инвертирующем /неинвертирующем режимах.
В качестве излучателей в приборах рассматриваемого типа используются СИД
на основе AlGaAs. Основные характеристики приборов указанной серии приведены
в таблице 7.4 [2].
Таблица 7.4. Основные характеристики аналоговых оптронов [2].
Параметр Тип прибора Типичное значение
Коэффициент нелинейности HCNR 200 0,01 %
Коэффициент передачи HCNR 201 0,01 %
по току входного ФД HCNR200 0,50 % /°C
Температурный коэффициент HCNR201 0,48 %
передачи по току — 0,3%
емкость ФД 22 пФ
Прямое напряжение СИД 1,6 В
Входной ток 10 мА
7.2.5. Оптически изолированные усилители
Потребности целого ряда применений, включая управление электродвигателями,
детектирование тока инвертора, вторичные источники питания и т.д. стимулиро-
вали разработку такого важного класса оптронных приборов, как оптически изоли-
рованные усилители.
В качестве примера приведем прибор этого класса типа HCPL-7840 фирмы
Hewlett Packard. Прибор обеспечивает усиление напряжения и тока и характеризу-
ется высокой надежностью.
Структурно прибор представляет собой АЦП, оптически связанный с ЦАП.
Важным достоинством этого прибора является большой коэффициент подавления
полинии развязки (CMR), составляющий 15 кВ /мкс, что позволяет использовать
его даже в силовых применениях, связанных с переключением высокоэффектив-
ных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Достоинством
прибора как аналогового устройства является также и достаточно небольшой коэф-
фициент нелинейности, составляющий 0,1 % при разбросе нелинейности на уров-
не 0,5 %. Одновременно с этим достаточно широкий температурный диапазон
работы прибора обеспечивает возможность его использования в неблагоприятных
условиях окружающей среды.
Основные характеристики HCPL—7840 приведены в таблице 7.5 [2].
Таблица 7.5. Основные характеристики оптически изолированных
аналоговых усилителей типа HCPL—840 [2].
Параметр Типичное значение Условия измерения
Коэффициент усиления 8,00 И= —200 мВ,И=+200 мВ
Нелинейность 0,1 % И=—200 мВ, И= + 200 мВ
Максимальное входное
напряжение 320 мВ
Коэффициент подавления
по линии развязки 15 кВ/мкс Исмл=1кВ
Время задержки по уровню 3,7 мкс 50%
Время задержки по уровню 90% 5,7 мкс
Входной ток 8,7 мА
Перечень оптически ихзолированных приборов такого класса можно было бы
продолжить, упомянув, в частности, оптически изолированные 15-разрядные АЦП
типа ЯСР1-7860, ЯСР1-0870 и HCPL-7MQ.
7.2.6. Оптронные ИС
Современные оптоэлектронные технологии активно используют достижения тех-
нологии ИС, что отражает общую тенденцию перехода к интегральной оптоэлект-
ронике. В этом смысле показательны быстродействующие оптроны, реализован-
ные с использованием КМОП—ИС. К числу таких устройств относятся приборы
типа HCPL— 7100 и HCPL—7101 фирмы Hewlett Packard [2].
В этих приборах используются последние достижения КМОП-технологи и с
технологическим допуском 1 мкм, новые быстродействующие и высокоэффектив-
ные СИД на основе AIGaAs, а также усовершенствованная геометрия передачи излу-
чения от излучателя к фотоприемнику.
Основными блоками устройства являются драйвер СИД, выполненный по
КМОП-технологии, СИД на основе AlGaAs, а также фотоприемная ИС, также вы-
полненная по КМОП-технологии. Фотоприемный терминал представляет собой
ФД, интегрированный с быстродействующим трансимпедансным усилителем и
компаратором напряжения.
Рассматриваемые приборы потребляют очень мало энергии именно благодаря
использованию КМОП-технологии. Типичная величина тока, потребляемого уст-
ройством, составляет всего 10 мА.
Основные параметры рассматриваемых приборов приведены в таблице
7.6 [2].
Таблица 7.6. Основные параметры интегральных оптронных ИС [2].
Параметр Типичное значение
Входной ток низкого логического уровня, мА 5
Входной ток высокого логического уровня, мА 0,6
Выходной ток низкого логического уровня, мА 9
Выходной ток высокого логического уровня 9
Время задержки по низкому логическому уровню выхода, нс 40-70
Время задержки по высокому логическому уровню выхода, нс 40-70
Скорость передачи, Мбод 65
7.2.7. Оптоэлектронные реле
Традиционно для реализации изолированного управления сигнальных линий ис-
пользовались электромагнитные реле. В то же время благодаря успехам оптронной
техники появилась достойная альтернатива традиционным устройствам в виде оп-
тоэлектронных реле. В этом случае в отличие от своего традиционного аналога не
происходит никакого механического перемещения контактирующих элементов.С
входной стороны в оптоэлектронных реле стоит управляющий СИД, преобразую-
щий входной сигнал в излучение в то время, как с контактной стороны оптическое
излучение претерпевает обратное преобразование в электрический сигнал, обес-
печивающий замыкание реле. По типу контактного терминала оптоэлектронные
реле можно подразделить на 3 вида: приборы, работающие только по переменному
сигналу (ас), приборы, работающие только по постоянному сигналу (de) или по
сигналу смешанного типа. По характеру исходного состояния оптоэлектронные
реле делятся на 2 основных типа: тип А (с нормально разомкнутым состоянием) и
тип Б (с нормально замкнутым состоянием).
Рассмотрим основные характеристики этого класса приборов на примере опто-
электронного реле типа HSSR -8200. Схематическая диаграмма прибора представле-
на на рис. 7.4 [2].
Конструктивно этот прибор выполняется в 8-выводном корпусе типа DIP. Пе-
реключение прибора (замыкание контактов) происходит при подаче очень малого
тока величиной всего 1 мА, при этом
twj' гМ Т Т г-Й-| * 1 ’ N 4 Рис. 7.4. Схемная диаграмма оптоэлектрон- ного реле типа HSSR-8200 [2]. входное напряжение лишь слегка пре- вышает 1 В. Ряд применений требует не- сколько больших входных токов, но сле- дует отметить, что поскольку в этой об- ласти смещений ток через СИД возрас- тает экспоненциально с напряжением, то большей величины тока можно до- биться лишь слегка увеличив входное на- пряжение. Одновременно с этим рабо- та при больших токах обеспечивает большее быстродействие прибора.
Для полного отключения оптоэлектронного реле достаточно уменьшить входное
напряжение до величины немного меньше 0,8 В. Во многих применениях величи-
на сопротивления в включенном и выключенном состоянии соответственно на-
столько малы (много меньше 0,00025 Мом и велики (много больше 50 000 Мом),
что ими просто можно пренебречь. В заключение приведем основные характерис-
тики этого типа приборов (таблица 7.7) [2].
Таблица 7.7. Основные характеристики оптоэлектронных реле [2].
Параметр Тип прибора
HSSR-8400 HSSR-8060 HSSR-8200
Максимальная скорость включения, мс 0,95 1,4 1,5
Максимальное сопротивление во включенном состоянии, Ом 10 0,7 200
Максимальное выходное напряжение, В 400 60 200
Максимальный выходной ток во включенном состоянии, мА 150 750 4
Минимальный входной ток, мА 5 5 1
7.2.8. Интегральные оптронные датчики
При проектировании современных оптронов активно используются достиже-
ния современных технологий ИС. В сочетании с великолепными характеристи-
ками гальванической развязки и высокой защищенностью от воздействия ЭМИ
это позволяет разрабатывать высокочувствительные оптронные датчики. В ка-
честве примера приведем интегральный оптронный датчик тока типа H788J,
предназначенный для использования в системах управления электродвигателя-
ми [3].
Измерение тока с использованием шунтирующих резисторов предоставля-
ет ряд преимуществ благодаря малой себестоимости прибора и его малым раз-
мерам. Однако при использовании такой схемы датчика в условиях сильных
электромагнитных полей, генерируемых электродвигателями, возникает целый
ряд проблем, которые успешно решаются при использовании оптронной схемы
построения такого датчика.
В приборе H788J используется оптически изолирующий усилитель, обес-
печивающий решение ряда специфических задач, возникающих при контроле
фазовых токов электродвигателя. К числу требований, предъявляемых к прибо-
ру относится обеспечение точного токового сигнала обратной связи и детекти-
рование ошибочных сигналов тока перегрузки.
Для удовлетворения этих двух требований в рассматриваемом приборе ис-
пользуется комбинация аналоговой и цифровой обработки информации.
11—2735
Рис. 7.5. Прибор H788J.
В приборе используется высокоэф-
фективный СИД на основе AlGaAs и 2
КМОП ИС с топологической нормой
0,8 мкм (рис. 7.5) [3].
Прибор смонтирован в 16.выводном
корпусе типа SMDSO. С целью устране-
ния возможного влияния вариаций па-
раметров оптического канала на усиле-
ние небольшое напряжение шунтирова-
ния (величиной от -200 до +200 мВ)
преобразуется с использованием т.н.
Sigma Delta-модулятора (SD). Этот зако-
дированный сигнал передается по опти-
ческому каналу на вход фотоприемной ИС, где он обратно преобразуется в анало-
говый сигнал.
Основные параметры рассматриваемого прибора приведены в таблице 7.8 [3].
Таблица 7.8. Основные параметры прибора H788J\3\.
Параметр Типичное значение
Ширина полосы, кГц Время детектирования ошибки, мкс Коэффициент подавления по линии развязки, кВ/мкс Дрейф коэффициента усиления %/ °C Нелинейность, % 30 3,4 25 0,5 0,06
7.2.9. Приемо-передатчики оптронного типа
Еще одним типом оптронных приборов, ведущем свое начало от т.н. щелевых оп-
тронов с открытым оптическим каналом, являются оптронные приемо-пере-
датчики, развитие которых обусловлено необходимостью формирования вы-
сокоэффективных систем беспроводной оптической связи для периферийно-
го обеспечения современных компьютеров (как настольных, так и типа ноут-
бук, принтеров и т. д.). В качестве примера приведем оптронные приемо-пе-
редатчики типа HSDL-1000 фирмы Hewlett Packard. Эти приборы представля-
ют собой кристаллы высокоэффективного СИД на основе AlGaAs на длину вол-
ны 870 нм,кремниевого pzn-ФД и биполярной ИС драйвера СИД и усилителя
ФД, смонтированные в одном корпусе. Схема усилителя спроектирована т.
обр., чтобы обеспечить максимальную чувствительность к полезному ИК- сиг-
налу и одновременно минимальную чувствительность к посторонним сигна-
лам. Основные параметры рассматриваемого типа приборов приведены в таб-
лице 7.9 [4].
Таблица 7.9. Основные параметры приеме-передатчика типа HSDL-1000 [4].
Параметр Величина параметра
Длина волны передатчика, нм 880 нм
Входной ток низкого уровня, мкА 1
Входной ток высокого уровня, мА 6,6
Сила излучения передатчика,мВт/ср 180
Полуширина спектра, нм 35
Угол излучения, °. 30
Эффективная площадь ФД, см2 0,2
Длительность импульса излучения, мкс 1,6
Времена нарастания и спада импульса излучения, нс 40
Время восстановления фотоприемника, мс 1,0
7.2.10. Оптроны для силовой техники
Как мы увидим далее,чрезвычайно важной областью использования современных
оптронов является их применение в силовой технике. Для решения проблем
этого направления был предложен целый ряд решений. Одним из них являются
оптроны возбуждения базы силовых биполярных транзисторов, что необходи-
мо для управления драйверами электродвигателей. К числу таких приборов от-
носятся устройства типа HCPL—3000 фирмы Hewlett Packard.
Рассматриваемые приборы содержат СИД на основе GaAs, легированного Si,
оптически связанного с ИС, содержащей мощный выходной каскад. Большой
пиковый и стационарный выходной ток выходного каскада обеспечивают воз-
можность подключения к силовым устройствам без использования промежу-
точных буферных каскадов. Одновременно следует отметить, что достаточно
высокий коэффициент подавления по линии развязки на уровне 1,5 кВ/мкс
обеспечивает защищенность этого типа оптронов от помех, возникающих вслед-
ствие протекания переходных процессов. Работу прибора иллюстрирует функ-
циональная диаграмма, приведенная на рис. 7.6 [2].
В рассматриваемом приборе СИД контролирует состояние выходного кас-
када. При отсутствии тока через СИД транзистор Q2 в выходном каскаде нахо-
дится в выключенном состоянии, что
поддерживает базу силового прибора в
состоянии низкого уровня. При пода-
че тока на СИД включается транзис-
тор Q2, что приводит к переключению
транзистора Q 7 и т. о. обеспечивает ток
возбуждения мощного биполярного
транзистора.
Основные параметры силового оп-
трона указанного типа приведены в рИс. 7.6. Функциональная диаграмма си-
таблице 7.10 [2]. левого оптрона [2].
Таблица 7 ЛО. Основные параметры силового оптрона HCPL—3000 [2].
Параметр Величина параметра
Входное прямое напряжение, В 1,1
Обратный ток на входе, мкА 10
Входная емкость, пФ 30
Ток питания, мА 9
Времена задержки, мкс 2
Постоянный ток на выходе 1, А 0,5
Пиковая амплитуда импульсного тока на выходе 1, А 1
Постоянный ток на выходе 2, А 0,6
Пиковая амплитуда импульсного тока на выходе 2, А 2
Полная мощность рассеяния, мВт 500
Еще большие выходные токи (вплоть до 2 А) обеспечивают оптроны типа HCPL—
3120, предназначенные для использования в качестве драйверов мощных бипо-
лярных транзисторов с изолированным затвором (JGBT). Позже в главе 8 мы более
подробно рассмотрим эти и другие приборы в связи с проблемами силовой элект-
роники и гелиоэнергетики.
Стремительное развитие в последнее время таких приборов силовой техники,
как силовые МОП ПТ и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
стимулировало развитие интегральных драйверов таких приборов.
Серия интегральных оптронов для драйверов биполярных и полевых транзис-
торов разработана фирмой Toshiba. Основные характеристики этих приборов при-
ведены в таблице 7.11.
Таблица 7.11. Основные характеристики интегральных оптронов фирмы Toshiba.
Тип Входной ток, мА Выходной ток, мА Время задержки, мкс
TLP582 5 8 0,2
TLP1144 16 8 0,7
TLP559 16 8 0,7
TLP759 16 8 0,7
TLP557 5 0,5 Ах 0,25 А 1
TLP250 5 0,5 Ах 0,5 А 0,2
TLP251 5 0,1 Ах0,1 А 0,3
Следует отметить, что как следует из приведенной таблицы лишь немногие
из рассматриваемых приборов обладают достаточно высоким быстродействи-
ем. В основном они способны лишь включить или выключить ПТ подобно ста-
тическим ключам. Такие приборы трудно использовать в таких применениях,
которые связаны с широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией.
Вместе с тем появились приборы, способные обеспечивать достаточно высокое
быстродействие. Так, компанией Teledyne Components объявлено о разработке пер-
вых оптронных ИС-драйверов [5], способных обеспечить высокоскоростную
передачу сигналов управления и одновременно высоковольтную изоляцию.
Такими приборами являются инвертирующие (ТС4803) и неинвертирующие
(ТС4804) драйверы, обеспечивающие напряжение изоляции 2500 В между входом
и выходом, преобразуя входные логические сигналы амплитудой 5 В в выходные
импульсы тока амплитудой 2 А при напряжении 18 В.
Рассматриваемые приборы обладают впечатляющим быстродействием: после
задержки продолжительностью 140 нс, сопутствующей быстрому логическому сиг-
налу, их выходные транзисторы способны обеспечить зарядку затворной емкости
силового полевого транзистора величиной 1000 пФ в течение 45 нс. Одновременно
время разрядки емкости с 18 до 1 В может составлять всего 60 нс. Благодаря таким
небольшим временам задержки, нарастания и спада приборы способны обеспе-
чить частоту переключения на уровне 2 МГц. Следует отметить, что низкий логи-
ческий уровень ТС803 соответствует возбуждению СИД этой ИС, в то время как в
случае прибора ТС804 имеет место обратная картина.
Подобно большинству зарубежных приборов рассматриваемые устройства мон-
тируются в 8-выводном миникорпусе типа DIP. Кроме того, естественно, на входе
стоит СИД, излучение которого переносится через изолирующую среду к фоточув-
ствительной площадке фотоприемного терминала. Единственным (но существен-
ным) отличием является то, что в рассматриваемом случае используется не диск-
ретный ФД, а фотоэлектрическая драйверная ИС, включающая помимо ФД и диф-
ференциальный усилитель, питающий инверторы, выходной каскад, использую-
щий вертикальный прп -транзистор и л-канальный МОП ПТ. Приборы типа ТС4803
и ТС804 отличаются только числом инвертирующих каскадов.
Оба типа приборов разработаны с использованием БиКМОП-технологии с ме-
таллическим затвором с топологическим допуском 5 мкм. Как и у большинства
современных оптронов эти приборы строятся по принципу оптимального сочета-
ния конструкции и достижений интегральной технологии. В конструкции прибо-
ров используются СИД фирмы Hewlett Packard, а также фотоэлектрическая ИС,
смонтированные на различных изолированных частях рамки. С этой целью был
проработан ряд новых технологических процессов. В частности, особое внимание
было уделено оптимальному сочетанию спектральных характеристик ФД и СИД.
Одновременно с этим использовалось уменьшение толщины чипов. Кроме того
используется юстировка взаимного положения излучателя и фотоприемника для
обеспечения максимальной энергопередачи по оптическому каналу.
Для одновременного обеспечения высокой эффективности передачи по оптическо-
му каналу в процессе изготовления рассматриваемых приборов используется 3 этапа
формирования пластиковых покрытий. СИД вместе с проволочной разводкой гермети-
зируется в прозрачном мягком пластмассовом покрытии, которое, в первом приближе-
нии обеспечивает также и линзовый эффект. После посадки кристалла на рамку между
СИД и фотодетекторной ИС вводится изолирующая пленка с тем, чтобы гарантировать
напряжение изоляции 2500 В. После чего вся рамка герметизируется прозрачной внут-
ренней пластмассой, после чего формируется непрозрачное внешнее покрытие. Еще
одной мерой обеспечения необходимого напряжения изоляции развязки является раз-
водка входа СИД и выхода ИС на противоположные ножки корпуса типа DIP.
Разумеется, только рассмотренными
выше устройствами не ограничиваются
решения, предлагаемые оптоэлектрони-
кой для силовых применений. Одним из
таких решений являются силовые опто-
тиристоры, представляющие собой при-
боры на основе четырехслойной полу-
проводниковой структуры с переменным
типом проводимости типа прпр. Чрезвы-
чайно интересные особенности таких
структур, в которых реализуется меха-
низм ОС был подчеркнут уже давно,
Рис. 7.7. ВАХ оптотиристора при различ- практически с момента изобретения это-
ных уровнях засветки. го класса приборов. Этот тип приборов
обладает 5-типом ВАХ, что явно пред-
назначает его для использования в качестве ключевого элемента (рис. 7.7).
Такой характер ВАХ и ее эволюция является общим для обширного семейства
оптотиристоров. Выгоды использования этого класса приборов именно в силовой
технике привели к тому, что была разработана достаточно широкая номенклатура
приборов такого типа, основные параметры которых приведены в табл. 7.12.
Таблица 7.12. Основные параметры силовых оптотиристоров типа FT 4000GU
фирмы Mitsubishi Electric.
Параметр Величина параметра
Класс по напряжению, кВ Средний ток в открытом состоянии, А Ударный ток, кА Напряжение в открытом состоянии (при токе 3 кА), В Критическая скорость нарастания напряжения в выключенном состоянии, В/мс Время выключения, мкс Тепловое сопротивление переход — корпус, °С/Вт 8 3600 54 2,8 2300 400 0,004
Подобно другим силовым приборам, способным выдерживать большие токи,
в рассматриваемом случае особые требования предъявляются к корпусу прибо-
ра, который должен обеспечивать необходимый теплоотвод.
7.3. Рекомендации по применению
Уникальные характеристики оптронов как элементов гальванической развязки обус-
ловили то повышенное внимание, которое уделялось и уделяется такому важному
параметру как «подавление по общей линии развязки» (CMR).
7.3.1. Подавление помех по линии развязки
Схемные разработчики часто сталкиваются при проектировании с негативным
влиянием шумов или помех развязки, проявляющихся различным образом.
Проблема шумов развязки проявляется в различных электронных схемах. К
этому типу шумов может оказаться чувствительной любая схема с «плавающи-
ми» входом и выходом.
Иногда этот тип помех принципиально присущ самой схеме, но иногда их
проявление обусловлено индуктивной или емкостной связью с внешним источ-
ником помех, например проходящей рядом силовой линией.
В ряде случаев такой сигнал помех может генерироваться и самой схемой. В
качестве примера можно привести силовой инвертор, преобразующий напря-
жение амплитудой в сотни вольт.
Способность системы быть нечувствительной к такого рода помехам обыч-
но описывают с помощью такого понятия, как «подавление по линии развязки
(CMR). В свою очередь, это понятие может быть детализировано несколькими
способами. Иногда используется такое понятие, как напряжение по линии раз-
вязки (CMV). Оно характеризует максимальную амплитуду напряжения поме-
хи, которая может воздействовать на прибор, не вызывая сбоев в его работе.
Схематически частотная зависимость CMR при воздействии синусоидальной
помехи иллюстрируется рис. 7.8.
Как видно из представленного рисунка амплитуда очень велика на малых
частотах, достигает минимального значения на некоторой промежуточной час-
тоте и затем вновь возрастает.
В аналоговых системах CMR, выражаемое в дБ, определяется отношением
дифференциального усиления к усилению помехи.
Другой путь описания CMR учитывает динамику помехи (CMTR) и опреде-
ляет максимально допустимую скорость нарастания или спада помехи. Обыч-
но CMTR выражают в единицах В/мкс. Рисунок 7.10 схематически иллюстри-
рует ступенчатое изменение напряже-
ния, которое может воздействовать на
вход системы.
В данном случае напряжение поме-
хи может нарастать до тех пор, пока оно
не вызовет сбой на выходе прибора. По-
нятно, что иммунитет системы к воздей-
ствию помехи определяется как ее амп-
литудой (максимальное напряжение),
так и скоростью изменения напряжения.
Помехи по линии развязки могут быть
связаны с рядом причин. В качестве при-
мера можно привести мостовой инвертор,
обычно используемый в цепях управле-
ния мотором. Обычно такие устройства
Рис. 7.8. Частотная зависимость CMR при
воздействии синусоидальной помехи.
Рис. 7.9. СЛ/ГЛ-характеристика.
Рис. 7.10. Мостовая схема силового пере-
ключателя.
используются для преобразования вход-
ного постоянного сигнала в переменный
выходной сигнал, что иллюстрируется рис.
7.10.
В рассматриваемом случае истоки од-
ного набора транзисторов (А1,В1) при-
соединяются к истокам второго набора
транзисторов (Л2, В2). Когда набор тран-
зисторов А открывается, набор транзис-
торов Z? закрывается. При включении на-
бора транзисторов А соответственно от-
ключается набор транзисторов В, при
этом обращается полярность тока, про-
текающего через индуктивность.
Каким же образом в данном случае
возникают проблемы, связанные с шу-
мами по линии развязки? Ответ таков.
Сигнал на входе драйвера возбуждения
каждого затвора определяется разно-
стью потенциалов по отношению к ли-
нии «земли» цифровой схемы управле-
ния, при этом общая шина выхода яв-
ляется «плавающей» и ее потенциал оп-
ределяется по отношению к истоку со-
ответствующего силового транзистора.
В этом случае общая «плавающая» шина
драйвера затворов быстро переключается между источниками положительного и
отрицательного напряжения, при этом быстрое переключение приводит к боль-
шому изменению напряжения между входом и выходом драйвера.
В качестве примера можно привести полумостовую схему, переключающуюся от
потенциала +250 В к потенциалу —250 В в течение 100 нс со скоростью 5000 В /мкс.
Устройство, которое переносит управляющую информацию к МОП- ПТ должно быть
в состоянии противостоять этому уровню помех. Хотя в определенном смысле этот
пример может показаться экстремальным, тем не менее продолжается инженерный
поиск ускорения переключения с тем, чтобы сделать его более эффективным.
Например, в силовых инверторах, как правило, используются мощные МОП
ПТ, способные реализовать режим переключения большой мощности с большой
частотой. В то же время большая скорость переключения может сопровождаться
очень большим уровнем помех по линии развязки.
На уровень шума по линии развязки может влиять также обратное восстановле-
ние диодов D1 и D2 на рис. 7.11.
Если инвертор возбуждает индуктивную нагрузку, например обмотку электро-
мотора, то в нормальном режиме работы инвертора эти диоды могут быть смещены
в прямом направлении. Предположим для определенности, например, что тран-
зистор Q1 включен, а транзистор Q2
выключен, при этом ток протекает че-
рез Q1 в индуктивную нагрузку. Когда
Q1 выключается имеет место отрица-
тельный перепад напряжения до тех
пор, пока диод D2 не будет смещен в
прямом направлении и начнет пропус-
кать ток нагрузки.
Именно тогда, когда диод D1 вновь
переходит в открытое состояние, имеет
место чрезвычайно высокое нарастание
напряжения. В экстремальном случае,
когда диод D1 включается, скорость на-
Рис.7 .11. Пример полумостовой схемы.
растания напряжения определяется тем, насколько быстро произойдет восстанов-
ление диода 2 из состояния прямого смещения. Форму импульсов тока и напряже-
ния в этом случае иллюстрирует рис. 7.12.
Этот рисунок показывает, что происходит, когда вновь включается транзистор
Q2. Когда начинает включаться транзистор Q1, ток через диод D2 начинает умень-
шаться. Этот процесс продолжается и более того, ток в течение короткого времени
может даже поменять направление из-за эффекта накопления носителей заряда в
ри-переходе. Именно тогда, когда произойдет «рассасывание» этого накопленного
заряда, диод D2 начнет отключаться и Vcm начнет возрастать. В том случае, когда
диод D2 выключается очень быстро, напряжение Vcm также изменяется очень быст-
ро, что генерирует очень большую помеху по линии развязки.
Естественно и внешние электромагнитные помехи, характерные для промыш-
ленной инфраструктуры, также дают свой вклад в шумы по линии развязки. В час-
тности, запуск мощного электромотора сопровождается большим первоначальным
током для того, чтобы ввести систему в рабочий режим, и этот «всплеск» тока,
естественно, генерирует интенсивные помехи как в самом электромоторе, так и в
расположенных рядом установках.
Как уже отмечалось ранее помехи по
линии развязки проникают в систему
из-за наличия емкостной или индук-
тивной связи. В качестве примера емко-
стного ввода таких помех можно приве-
сти небольшое различие потенциала
шины заземления, которое может воз-
никнуть между двумя промышленны-
ми установками, что может привести
к протеканию тока по шине заземле-
ния, что в свою очередь может приве-
сти к достаточно большой амплитуде
помех. Емкостная или индуктивная
связь резко усиливается в том случае,
Рис. 7.12. Форма импульсов тока и напря-
жения в полумостовом инверторе.
когда сигнальные шины располагаются вблизи силовых кабелей. Наведенное элек-
тромагнитное воздействие (ЕМГ) может быть обусловлено и проходящими рядом
сигнальными шинами других установок. Другими причинами шумов могут быть
всплески режима освещения и электростатические разряды.
Существует несколько вариантов ограничения уровня шума по линии развяз-
ки, входящего в систему. Одним из них является оптимальное проектирование си-
стемы. В частности, разработчик должен оптимизировать разводку устройства, в
которой сигнальные шины должны бать по возможности удалены от силовых, что
минимизирует влияние сетевых шумов. Можно использовать также и традицион-
ные радиотехнические приемы с применением шунтирующего конденсатора, транс-
форматоров и т.д. Нас же естественно интересует, в первую очередь, технология
оптической изоляции. Подобно трансформаторам оптроны обеспечивают гальва-
ническую развязку между входом и выходом системы. На них не воздействуют вне-
шние магнитные поля и, как правило, современные оптроны обеспечивают лучшее
подавление по линии развязки по сравнению с трансформаторами. Диапазон на-
пряжения развязки этих приборов составляет 10—1500 В, а диапазон допустимой
скорости изменения уровня помехи: 50—30 000 В/мкс. Другим преимуществом
оптронов является то, что они способны пропускать как постоянный, так и пере-
менный сигналы, что в случае их использования устраняет необходимость преоб-
разования данных при передаче TVAZ-информации. И наконец, это-миниатюрные
приборы, занимающие мало место на плате.
Любой оптрон состроит из СИД и фотоприемника (фототранзистора, ФД с
транзистором или фотодиода с интегрированной логической схемой). В идеаль-
ном случае оптрон реализует функцию гальванической развязки между входом и
выходом, но, к сожалению, геометрическая близость входной рамочной области к
выходной области прибора приводит к емкостной связи между ними.
В связи с этим наиболее важным фактором становится интерференция из-за
паразитной проходной емкости (рис. 7.13)
Как видно из представленного рисунка, Сст представляет собой лишь часть пол-
ной проходной емкости Со, но тем не менее она является основным параметром,
влияющим на способность оптрона обеспечивать гальваническую развязку. Таким
образом, чем меньше величина Сст, тем лучше реализуется подавление по линии
Рис. 7.13. Схематическое представление
оптрона с проходной ёмкостью.
развязки.
Особый интерес представляют осо-
бенности конструкции нового поколе-
ния оптронов фирмы Hewlett Packard.
Для улучшения гальванической развяз-
ки в этих приборах используется внут-
ренний экран между излучателем и фо-
топриемником, представляющий собой
проводящую, но прозрачную пластину,
которая отводит наведенный ток на
ножку заземления корпуса типа DIP. Та-
кой подход обеспечивает улучшение
CMR, по крайней мере, на порядок. Например, стандартный оптрон без внутрен-
него экрана обеспечивает CMR величиной 1000 В/мкс, в то время как у приборов с
внутренним экраном этот параметр может достигать 30 000 В/мкс.
7.3.2. Напряжение развязки
Одной из основных проблем, составляющих «головную боль» разработчиков систем,
является обеспечение высоковольтной развязки между входом и выходом. При рас-
смотрении этой проблемы, естественно,
возникает несколько вопросов. Во-пер-
вых, в течение какого времени может быть
приложено постоянное или переменное
высокое напряжение между входом и вы-
ходом, не приводя к деградации полупро-
водниковых элементов или изоляции
оптрона? Во-вторых, как часто можно
прикладывать высокое напряжение без
деградации прибора?
Ответ на эти вопросы применитель-
но к приборам фирмы Hewlett Packard
иллюстрирует рис. 7.15 [2].
Существует ряд факторов, влияющих
на напряжение изоляции. Это: напряже-
ние смещения на входе и выходе, темпера-
Рис.7.14. Связь между напряжением изо-
ляции и временем наработки для приборов
фирмы Hewlett Packard [2].
тура, влажность, механические напряже-
ния и воздействие химических реагентов.
Результаты экспериментального ис-
следования сбоя в работе из-за воздей-
ствия высокого переменного напряжения показывают, что «износ» приборов про-
является в более сильной степени при температуре —40 °C, чем при комнатной и
более высокой температуре. При температуре —40 °C электрическая деградация
ускоряется примерно втрое по сравнению с комнатной температурой.
Аналогичная картина наблюдается и при воздействии постоянного высокого
напряжения.
Температура, естественно, является важным фактором, определяющим дег-
радацию приборов в условиях высокого уровня электрического смещения. В при-
борах фирмы Hewlett Packard, использующих органические полимеры в каче-
стве развязывающей среды, казалось бы для процесса деградации должно вы-
полняться соотношение Аррениуса между временем наработки и температурой.
В том случае, когда прибор работает в области оптимального уровня напряже-
ния развязки, температура не оказывает существенного влияния. Одновремен-
но с этим следует отметить, что конкретные особенности конструкции прибора
приводят к тому, что наиболее благоприятными являются более высокотемпе-
ратурные условия.
7.3.3. Коэффициент передачи по току
Рис. 7.15. Типичная зависимость коэффи-
циента передачи по току от величины тока.
Коэффициент передачи по току являет-
ся одним из основных параметров оп-
тронов, при этом для целого ряда ана-
логовых применений важна не только
абсолютная величина этого параметра,
но и степень его линейности в широ-
ком диапазоне токов. Большинство
применений оптронов ограничивает-
ся областью цифровой техники.
При использовании стандартных
оптронов в аналоговых применениях
обычно возникают трудности, связан-
ные с нелинейностью передаточной
характеристики, что иллюстрируется
рис. 7.15.
Мы уже рассматривали аналоговые
оптроны фирмы Hewlett Packard. В ос-
нове этого типа приборов лежит не
обычная двухкристальная, но трехкристальная конфигурация построения при-
бора. Рассмотрим на примере другого прибора IL300 фирмы Siemens возможно-
сти, которые открывает использование такой конфигурации для инженерного
проектирования новых устройств [6].
Особенностью рассматриваемого оптрона является его высокое напряжение
изоляции. Прибор способен выдержать переменное напряжение амплитудой
7500 В в течение 1 с (4420 В эфф.) или напряжение 6250 В (4420 В эфф.) в
течение 1 мин. И хотя его быстродействие не очень велико (типовые времена
нарастания и спада составляют 1,75 мкс) он представляет несомненный инте-
рес для проектирования высоковольтных аналоговых систем, интересных, в ча-
стности, для медицинских применений.
Как уже говорилось выше, в конструкции прибора используются 3 кристал-
ла: помимо кристалла излучателя на основе AlGaAs рассматриваемый оптрон
содержит 2 57-ФД, гальванически изолированные друг от друга и от СИД, что
иллюстрируется рис. 7.16 [6].
В конструкции рассматриваемого прибора ИК-СИД освещает оба ФД, один
из которых (Do) вырабатывает выходной сигнал в то время, как второй ФД (Z))
генерирует сигнал ОС за счет облучения частью излучения СИД, при этом гене-
рируемый им сигнал можно использовать для управления током возбуждения
СИД. Это, в свою очередь, позволяет сгладить нелинейность выходной характе-
ристики СИД, а также компенсировать (хотя бы частично) температурные и
временные изменения мощности его излучения. Выходной ФД вырабатывает
выходной сигнал, который практически линейно связан с мощностью излуче-
ния СИД.
Рис. 7.16. Схемотехника использования высоковольтного оптрона типа IL300 [6].
Типичным примером использования гальванической развязки является линей-
ная передача сигнала ОС с выхода импульсного источника питания к его схеме
управления. К другим возможным применениям относятся медицинские и про-
мышленные системы сбора данных, а также измерение токов в проводниках, нахо-
дящихся под высоким напряжением.
В случае медицинского применения прибор можно устанавливать между дат-
чиками (например ЭКГ-пробником) и системой контроля состояния пациента.
Наличие высоковольтной гальванической развязки в этом случае предохраняет па-
циента от поражения током при сетевых неисправностях как внутри прибора, так и
вне его. К промышленным применениям относится контроль импульсных напря-
жений и токов мощных электродвигателей переменного и постоянного тока и си-
пользованием полупроводниковых систем управления.
В типичной схеме применения используются два операционных усилителя (ОУ)
— А1 и Л2, которые должны быть расположены на отдельных кремниевых кристал-
лах, обеспечивающих их электрическую изоляцию (рис. 7. 15). С ОУ Л 7 на вход
СИД подается ток возбуждения. ФД цепи ОС вырабатывает ток, протекающий че-
рез резистор Rr подключенный к инвертирующему входе ОУ А1. Фототок от этого
диода устанавливается посредством цепи ОС на уровне, удовлетворяющем уравне-
нию:
-I = V. /R.. (7.1)
р\ т ' 1 v 7
Величина этого тока прямо пропорциональна коэффициенту передачи цепи
ОС К1, умноженному на величину тока возбуждения СИД:
-Vin=KJf, (7.2)
где:^/ = /,///
Сигнал ОС в оптоэлектронном контуре с выхода ОУ А1 проходит через СИД.
Под действием сигнала этот ОУ вырабатывает выходной ток If величина которого
достаточна для генерации такого фототока, чтобы напряжение Vb было равно на-
пряжению V.
Выходной ФД подключается к ОУ А2, включенному по схеме простого повторите-
ля напряжения. Нагрузочный резистор диода R2 служит для преобразования тока в
напряжение. При этом выходное напряжение ОУА2, Неравно произведению прямого
коэффициента передачи по току А2СИД и сопротивления нагрузки выходного ФД:
— V = IfLRr (7.3)
out f 2 2 v '
В рассматриваемом случае общий коэффициент передачи рассмотренной схе-
мы K3=VouJV.n будет равен отношению произведения прямого коэффициента пере-
дачи А^на сопротивление нагрузки ФД к произведению коэффициента передачи
цепи обратной связи К1 на сопротивление входного резистора
K=VJV=K2R2/KxRv (7.4)
Из приведенного уравнения видно, что общий коэффициент передачи К3 не
зависит оттока возбуждения СИД. В этом случае параметр общего коэффициента
передачи равен отношению прямого коэффициента передачи К2к коэффициенту
передачи цепи ОС К} в соответствии с соотношением:
V JV. = К R /R}. (7.5)
out' in 3 2 ' 1 v '
Рассмотренная схема работает в неинвертирующем режиме, однако любой из
ОУ может быть включен как инвертор.
Разброс значений коэффициента передачи К3 у рассматриваемых оптронов ле-
жит от минимального значения 0,56 до максимального значения 1,65. В то же вре-
мя интервал значений коэффициента передачи цепи ОС К1 составляет, как прави-
ло, величину в диапазоне 0, 0036 до 0,011.
Сравнительно большой разброс коэффициента передачи приборов устраняется до-
статочно простым приемом разбраковки по группам в процессе их изготовления. Сна-
чала оптроны рассортировываются на 2 группы в соответствии с их коэффициентом
передачи по цепи ОС. После этого каждая группа рассортировывается на десять катего-
рий по величине коэффициента передачи, при этом каждая группа характеризуется оп-
ределенным разбросом коэффициентом передачи (например, типичная группа содер-
жит оптроны с коэффициентом передачи, лежащим в пределах от 1,056 до 1,175).
7.4. Системы связи
Новое поколение оптоэлектронных приборов позволяет как модернизировать уже
существующие системы связи, так и разрабатывать принципиально новые. Проил-
люстрируем это несколькими примерами.
7.4.1. Телефонные системы связи
По мере того, как в системах обработки информации все большее применение на-
ходят модемы, факсимильные установки, устройства автоматического набора но-
мера вызываемого абонента, а также отвечающие устройства, возрастает сложность
систем коммутации и проверки двухпроводных абонентских сетей. Именно этим
обусловлено то, что все большее число инженерно-технических работников в на-
стоящее время занято разработкой интерфейсных схем для средств связи автома-
тически коммутируемой телефонной сети общего назначения. Создание таких
систем ставит целый ряд непростых проблем, в том числе связанных с необходимо-
стью использования типичного напряжения батарейного питания амплитудой 48
В и вызывных переменных сигналов, пиковые значения напряжения которых пре-
вышают 100 В. К числу дополнительных проблем относится также и возможное
проявление переходных наводок от силовых линий, а также помех, инициируемых
грозовой активностью, амплитудой более 1000 В. Кроме того модернизируемое
оборудование должно соответствовать требованиям спецификаций, предусмотрен-
ных соответствующими стандартами.
С учетом перечисленных выше сложностей многим разработчикам чрезвычай-
но перспективной представляется концепция использования оптоэлектронных или
твердотельных реле (SSR, solid-state relay) на основе МОП-транзисторов с оптичес-
кой связью, обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с другими типа-
ми реле (таблица 7.13).
Таблица 7.13. Сравнительные характеристики различных типов реле.
Тип реле Выходной элемент Связь привода Напряжение питания, В Тип контакта
Электро- магнитное Обмотка катушки Электромагнитное 1000-5000 Металлический
Язычковое Обмотка катушки Электромагнитная 500 Металлический
Твердотельное Трансформатор Трансформаторная 1000 Полупроводниковый
Оптоэлек- тронное Светодиод Оптическая 1500-3750 Полупроводниковый
Интегральное КМОП Емкостная 500 Полупроводниковый
Разработка систем с использованием оптоэлектронных реле оказывается намного
проще по сравнению с электромеханическими устройствами, для которых помимо
всего прочего характерен такой эффект, как «дребезг контактов», искрение и акус-
тический шум. Кроме того, такие устройства зачастую являются источником элек-
тромагнитных помех.
Оптоэлектронные реле не обладают такими недостатками и одновременно позво-
ляют сократить число компонентов системы, уменьшить затраты. Кроме того, благода-
ря их малым размерам можно получить выигрыш в экономии площади печатных плат.
Но самое главное они характеризуются намного большей надежностью, что обеспечива-
ет в сотни раз большее число срабатываний. Выходная схема на основе МОП- транзисто-
ров обладает высокой степенью линейности и способна надежно осуществлять коммута-
цию как при активной, так и и при ндуктивной нагрузке в диапазоне коммутируемых
напряжений от милливольт до сотен вольт. И, наконец, эти приборы могут управляться
сигналами, поступающими непосредственно от логических вентилей.
Такие реле идеально подходят для использования в оборудовании, предназ-
наченном для проведения испытаний и технического обслуживания АТС. При
этом условия применения приборов в рассматриваемом случае характеризуются
преобладающим влиянием продольных дифференциальных и т.н. «металличес-
ких» синфазных составляющих выбросов напряжения.
Для таких условий применения с заземлением могут быть использованы ИС с
питанием от батареи или от системного источника питания. Для абонентских
телефонных интерфейсных схем наилучшие результаты дает применение опто-
электронных реле с МОП-транзисторами.
Стандартные оптоэлектронные реле этого типа включают в себя СИД, управ-
ляемый входным сигналом, фотодиодную матрицу для управления вентилем на
МОП-транзисторе, а также полевой транзистор с рл-переходом для разрядной
емкости вентиля. В рассматриваемом случае коммутирующий элемент состоит
из двух МОП- транзисторов, соединенных истоками (рис. 7.17) [7].
Главным элементом оптоэлектронного реле является матрица ФД, являюща-
яся источником энергии для коммутирующих элементов на МОП-транзисторах,
для полного переключения которых в открытое или закрытое состояние требуют-
ся подача на затворы соответственно 5 и 4 В. Для гарантированного получения
такого напряжения на выходе матрицы ФД в условиях повышенной температуры
эти матрицы обычно проектируются таким образом, чтобы они могли обеспе-
чить получение 10 В при комнатной температуре.
Для реализации оптоэлектронных реле с нормально разомкнутыми контакта-
ми (тип А) или с нормально замкнутыми контактами (тип В) используются МОП-
транзисторы соответственно в режиме обогащения и обеднения. Полевой транзи-
стор срл-переходом, помещенный между затворами и истоками МОП-транзисто-
ров быстро разряжает емкость затвора, используемого для выключения реле.
Выбор оптоэлектронного реле ставит перед разработчиком ряд проблем. Во-
первых, со стороны входа требуется небольшой ток включения СИД для установки
реле в состояние «включено» или для переключения нормально замкнутого реле в
состояние «выключено». Обычно этот ток составляет величину 1— 10 мА в зависи-
Рис. 7.17. Схема интерфейса для телефонной связи с использованием
оптоэлектронного реле.
мости от реле, тока нагрузки и окружающей температуры. Обычно ток включения
обеспечивается подключением выхода логического вентиля к катоду СИД и соеди-
нением анода с высоким потенциалом через нагрузочный резистор. Когда логи-
ческий вентиль переключает реле в состояние «выключено», выходное напряжение
высокого уровня должно быть достаточным для того, чтобы уменьшить ток через
СИД до уровня ниже, чем ток включения. Для большинства типов реле допускает-
ся наличие небольшого тока через СИД, когда эти реле находятся в выключенном
состоянии.
емкость входа/выхода оптоэлектронных реле обычно составляет 1—3 пФ. Такая
величина емкости вполне допустима в применениях, связанных с проектировани-
ем интерфейсов телефонных линий. Время переключения обычно составляет ме-
нее 2 мс в зависимости от коммутируемых токов и напряжений. Для указанных
применений данной скорости срабатывания более, чем достаточно.
При включении сопротивление оптоэлектронного реле оказывает влияние на
общий импеданс двухпроводной абонентской линии и оно должно учитываться
при разработке. Значения этого сопротивления во включенном состоянии, состав-
ляющие от 20 до 50 Ом, оказываются приемлемыми и обеспечиваются оптоэлект-
ронными реле с МОП-транзисторами.
Вольт-амперная характеристка должна быть рассчитана на самое высокое на-
пряжение, которое может возникнуть в сети в случае, связанном с воздействием
молний. При этом важное значение имеет использование приборов, предохраня-
ющих реле от перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах. К числу ком-
пактных и недорогих приборов, решающих эту проблему относятся металл-оксид-
ные варисторы, твердотельные предохранители и небольшие газоразрядные труб-
ки.
Напряжение нагрузки реле должно быть выше напряжения нагрузки прибора
защиты для наихудшего случая перенапряжения при грозовом разряде. У боль-
шинства реле, предназначенных для использования в телефонных интерфейсах,
это напряжение лежит в диапазоне 350—400 В. В тех случаях, когда варисторы ис-
пользуются в цепях вызывного тока и работают при максимальном напряжении
130 В, адекватно номинальное значение напряжения нагрузки составляет 350 В.
Оптоэлектронные реле чувствительны также и к воздействию избыточного
тока, без ограничения которого разряд молнии способен вызвать лавинный про-
бой. Значение протекающего тока может уменьшено с помощью использования
резисторов в цепях эмиттер—база. Схема ограничения тока проектируется с от-
рицательным температурным коэффициентом, что сводит к минимуму мощность
рассеяния.
При использовании оптоэлектронных реле в абонентских двухпроводных ли-
ниях должен быть решен ряд проблем, связанных как с разработкой самой интер-
фейсной схемы, так и с рассмотрением поведения таких устройств в критических
ситуациях, оговариваемых различными стандартами.
Интерфейсная схема включает в себя устройство вызывного тока, схему управ-
ления для сигнальных состояний «трубка снята»/«трубка положена», схему развяз-
ки и защиты от перенапряжений.
Типичный линейный интерфейс
для модема или факсимильной установ-
ки включает в себя оптоэлектронное
реле типа А для управления сигнальны-
ми состояниями «трубка снята», «труб-
ка положена» (рис. 7.19).
В рассматриваемом случае рычаж-
ный переключатель, имеющий положе-
ния, соответствующие сигнальным со-
стояниям «трубка снята»/«трубка поло-
жена», подключает телефонное обору-
дование к учрежденческим АТС или к
коммутируемой сети общего пользова-
ния. Коммутационный прибор рычаж-
ного переключателя управляется с по-
Рис. 7.18. Схема линейного интерфейса с мощью простого логического вентиля с
использованием оптоэлектронного реле [7]. напряжением 5 В. Оптоэлектронное
реле обеспечивает высоковольтную раз-
вязку между телефонной абонентсткой парой и внутренней схемой модема, а вари-
сторы ограничивают напряжение между проводами пары до значений ниже напря-
жений нагрузки реле.
В типичном линейном интерфейсе для телефонного аппарата оптоэлектрон-
ные реле используются для получения импульсов набора номера и заглушения
посторонних шумов в схеме разговорного тракта.
В данном случае оптоэлектронное реле типа А управляет выдачей импульсов
набора, а реле типа В (нормально замкнутое) обеспечивает функцию глушения,
Рис. 7.19. Схема линейного интерфейса с использованием оптоэлектронного
реле для телефонного аппарата [7].
при этом поскольку для заглушения используется нормально замкнутое реле, пи-
тание требуется только тогда, когда происходит набор импульсов вызываемого тока.
Существует множество спецификаций, касающихся напряжений переходных
процессов на двухпроводной абонентской телефонной паре.
Продольные напряжения определяют развязку между входом и выходом опто-
электронного реле, в то время как т.н. «металлические «напряжения воздействуют
на коммутационный элемент реле, когда оно находится в состоянии «включено»,
как в случае сигнального состояния «трубка снята».
Согласно существующим стандартам требуется, чтобы телефонное оборудова-
ние подвергалось проверке на воздействие продольной и «металлической» состав-
ляющих при разрядах молний, вибрации, ударов, температуры и влажности. Как
правило в оптоэлектронных реле не возникает проблем, связанных с требованиями
к ударной и вибропрочности и они быстро восстанавливают свои параметры после
воздействия температуры и влажности.
Требования по продольной составляющей касаются по существу перегрузоч-
ной прочности между входом и выходом. В зависимости от конструктивного ис-
полнения возможны несколько уровней напряжения изоляции. Наиболее часто
встречающиеся значения номиналов включают в себя эффективное напряжение
1500, 2500 и 3750 В.
При проверке на воздействие «металлической» составляющей испытывается
эффективность варисторов, твердотельных предохранителей или газового разряд-
ника, предназначенных для защиты схемы интерфейса телефонной линии. Во вре-
мя разряда молнии, когда реле находится в состоянии «трубка снята», на него могут
воздействовать огромные по величине токи, которые могут многократно превы-
шать значения номинального статического или импульсного тока.
7.4.2. Беспроводная оптическая связь
Подобно тому, как использование нового поколения оптоэлектронных приборов по-
зволило добиться качественного улучше-
ния телефонной связи, аналогичный про-
цесс затронул и компьютерную технику.
Традиционные аппаратные сред-
ства, необходимые для установления
связи с другими компьютерами или
справочными базами данных иллюстри-
рует рис. 7.20.
Около пятнадцати лет назад счита-
лось, что для установления связи с дру-
гими компьютерами необходимы: встра-
иваемая плата порта асинхронной свя-
зи, модем, кабель, соединяющий порт
Акустический
модем
Телефон
любого
типа
с модемами и программное обеспече- Рис. 7.20. Традиционные аппаратные сред-
ние коммуникации. ства для реализации компьютерной связи.
Рис. 7.21. Преобразование сигнала при
цифровой связи по телефонной сети.
Хотя компьютеры и интерфейсы мо-
гут решать многие проблемы, они так-
же могут легко вносить и ошибки. Эти
ошибки бывают двух типов: ошибки пе-
редачи и ошибки преобразования дан-
ных. Первый тип ошибок можно обна-
ружить и передать данные заново. Хо-
роший компьютерный интерфейс (его
программное и аппаратное обеспече-
ние) включает средства перехвата оши-
бок и редакции на них.
Преобразование сигнала при циф-
ровой связи по телефонной сети иллю-
стрирует рис. 7.21.
За прошедшие 15 лет сильно изме-
нились как сами персональные компь-
ютеры, так и периферийные средства. Начать с того, что эти информационные
системы стали практически неотъемлемой частью бытовой техники. Одновремен-
но появились компактные системы типа ноутбуков, которые в явном виде подчер-
кнули устарелость традиционных систем связи в виде многочисленных кабелей. В
данном случае в решении проблемы связи свое веское слово в очередной раз сказа-
ли оптоэлектронные системы и, в частности, системы связи по открытому опти-
ческому каналу с использованием оптоэлектронных приемопередатчиков. Типич-
ная блок -схема современного интерфейса с использованием рассмотренных ранее
оптронных приемопередатчиков, приведена на рис 7.22.
Следует отметить, что в данном случае реализуется полудуплексный характер
оптической связи, что обусловлено геометрической близостью расположения из-
лучателя и фотоприемника. Без использования специальных дополнительных мер
Цепь драйвера Дисплейный
УАПП Цепь кодера/декодера усилителя элемент
Рис. 7.22. Блок-диаграмма современного интерфейса с использованием
оптронных приемопередатчиков. Здесь: SD — драйвер СИД, PRE —
предусилитель, POST — оконечный усилитель, Q — квантизатор.
излучение устройства в процессе генерации импульса излучения насыщает соб-
ственный фотоприемник, что приводит к временной потере его способности рабо-
тать на прием ответных импульсов сигнала. В этом случае должно пройти какое-то
время 10 мс) прежде, чем приемный тракт устройства восстановит свою способ-
ность работать на прием. Такая задержка (период времени между окончанием им-
пульса излучения и временем восстановления работоспособности фотоприемни-
ка) называется латентным периодом или периодом установки.
Для надлежащего функционирования системы должны быть обеспечены спе-
циальные меры защиты от внешнего электромагнитного излучения (ЭМИ), фоно-
вой засветки дневным светом или искусственным освещением.
Такого рода системы оказались чрезвычайно полезными в целом ряде приме-
нений. В частности, в настольных ПК и ноутбуках схемы ввода/вывода управляют
жестким и флоппи-дисками, модемами, параллельными портами, при этом в этом
случае могут быть использованы и рассматриваемые ИК-системы связи по откры-
тому каналу. В этом случае такие схемы ввода и вывода могут управлять также и ИК-
системами связи, при этом могут быть рекомендованы следующие микросхемы:
PC8734VLI, PC8733VJG фирмы National Semiconductors',
FDC37C665IR, FDC37C666IR фирмы Stanrd Microsystems Corporation.
Ряд применений основан на создании самостоятельных подсистем с использова-
нием стандартного интерфейса типа RS—232.
При использовании приемопередатчика типа HSDL— 1 000 фирмы Hewlett Packard
система ИК связи по открытому каналу способна обеспечить передачу данных со
скоростью 115 кбод. Особенности схемного решения обеспечивают безошибочную
передачу данных на расстояние вплоть до 1 м. Встроенная в 1-ый каскад усиления
схема обеспечивает вычитание фона, обусловленного фоновой засветкой. Это дости-
гается тем, что выход первого каскада имеет емкостную связь с компаратором, обес-
печивающим чувствительность только к переменной составляющей.
Широкий динамический диапазон (более 5 порядков величины) делает необ-
ходимым автоматическую регулировку чувствительности приемного тракта. Введе-
ние ОС и ограничения в цепь 1-го каскада усиления обеспечивает быструю под-
стройку на необходимый уровень чувствительности, максимальная величина кото-
рого составляет 4 мкВт/см2 и ограничивает искажение ширины импульсов при боль-
ших уровнях сигнала (500 мВт/см2). Все это устраняется необходимость использо-
вания дополнительных АРУ.
Помимо схемотехнического устранения влияния засветки дневным светом в
рассматриваемом устройстве используется также и оптическая фильтрация: кор-
пус устройства выполняется на основе окрашенной пластмассы, отсекающей излу-
чение в видимой области спектра (Я < 800 нм).
Одной из важных характеристик систем беспроводной оптической связи явля-
ется их нечувствительность к воздействию фонового электромагнитного излуче-
ния (ЭМИ).Применительно к системам с использованием приемопередатчика
типа //57)1-1000 можно отметить, что в данном случае система обеспечивает бес-
сбойную работу при уровне ЭМИ более 200 В/м от любого источника шума с пря-
моугольной формой импульса.
7.4.3. Многофункциональные объектовые ВОЛПИ
Вопросы, связанные с ВОЛПИ, в общем плане уже были рассмотрены в главе
5. Здесь же мы постараемся более конкретно остановиться на реальных пред-
лагаемых рынком системах и возможностях их использования. В качестве при-
мера рассмотрим недорогостоящую систему типа HFBR—0501 фирмы Hewlett
Packard.
Шина
Шина
ВОЛПИ
Мультиплексор/
демультиплексор
Мультиплексор/
демультиплексор
Рис. 7.23. Возможные применения систе-
мы HFBR-0501 [2]:
a — логический контроллер, б — контроллер
для робототехники; в — локальная сеть тор-
говых терминалов; г — расширитель магис-
трали.
Система была специально разрабо-
тана, исходя из принципа обеспечения
возможности использования в самых
разных применениях при умеренной
стоимости. Некоторые из этих приме-
нений иллюстрирует рис. 7.23.
В число таких применений входит
использование системы в логических
контроллерах, робототехнических ком-
плексах, локальных сетях торговых тер-
миналов, в вычислительной технике
(расширитель магистрали).
Эти применения используют не-
чувствительность волоконно-опти-
ческих систем к воздействию ЭМИ. В
этих случаях использование волокон-
ного кабеля устраняет влияние шу-
мов, генерируемых электродвигателя-
ми, соленоидами и т.д. Использова-
ние локальных сетей в розничной
торговле обеспечивает централизован-
ный сбор информации с гарантией того,
что поступающая информация будет
искажена вследствие шумов в здании.
Многофункциональность систе-
мы этим не ограничивается. Другие
возможные области применения ил-
люстрирует рис. 7.24.
Этот тип применений иллюстри-
рует возможности волоконно-опти-
ческих систем для высоковольтной
изоляции. В частности, система мо-
жет быть использована в электрокар-
диографе для контроля состояния
сердца пациента. В случае внезапной
остановки сердца должен включаться
дефибриллятор. В рассматриваемом
случае волоконный кабель способен пре-
дохранить электрокардиограф напряже-
ния, генерируемого дефибриллятором.
Эта же система может быть использова-
на и при медицинских рентгеновских
исследованиях. В этом случае волокон-
ный кабель также изолирует высокое на-
пряжение, используемое в рентгенов-
ских установках и одновременно обес-
печивает невосприимчивость к воздей-
ствию ЭМИ вследствие коммутации и
протекания больших токов.
Эта же система может быть исполь-
зована для защиты электронного обору-
дования от воздействия высоких полей,
генерируемых молниями.
Еще один класс применений осно-
ван на ослаблении влияния электромаг-
нитных полей, генерируемых проходя-
щей линией передачи.
В этом случае в основе подхода ле-
жит подавление шумов генерируемых
самой линией передачи, а не внешними
воздействиями. В качестве такого рода
применения можно привести высоко-
скоростную видеопередачу данных от
компьютера рабочей станции к высоко-
разрешающему видеомонитору. В этом
случае по мере увеличения разрешения
видеомонитора также возрастает число
пикселов.В этом случае должна возрас-
тать и кадровая частота возобновления
информации и соответственно ширина
Граница
изоляции
Электроды
Граница
изоляции
Рис. 7.24. Другие возможные применения
системы HFBR — 0501 [2]: а — цифровой
вольтметр, б — медицинская система (кон-
троль состояния сердца); в — рентгеновская
установка; г — система защиты от молний.
полосы линии передачи также должна возрастать. В том случае, когда для этих
целей используется коаксиальный кабель, становится все более и более трудно (и
дорого) экранировать генерируемое ЭМИ по мере возрастания частоты передавае-
мых сигналов. Поскольку оптическое волокно не приводит к генерации ЭМИ в
процессе передачи информации в этом случае удается существенно снизить общий
уровень ЭМИ.
В суммарном виде характеристики многофункциональной волоконно-оптичес-
кой линии передачи информации представлены в таблице 7.14.
Таблица 7.14. Характеристики многофункциональной волоконно-
оптической линии передачи информации.
Типичная длина связи при температуре 25 °C
Конфигурация Стандартное волокно Улучшенное волокно
Система со скоростью передачи 5 Мбод 35 м 40 м
Система со скоростью передачи 1 Мбод Система с малым током и скоростью 50 м 65 м
передачи 40 кбод Стандартная система со скоростью 30 м 35 м
передачи 1 Мбод 30 м 40 м
Максимальная скорость передачи информации в различных конфигурациях
системы может варьироваться в диапазоне от 40 кбод до 5 Мбод, при этом макси-
мальная допустимая рабочая температура составляет 70 °C. В основе системы ле-
жит использование пластикового оптического волокна диаметром 1 мм. В качестве
излучателя в системе используются СИД на длину волны 660 нм.
7.5. Вопросы оптимизации конфигурации
Модульный принцип построения современных оптоэлектронных систем связи в
сочетании с доступностью многих компонентов и пониманием принципов их функ-
ционирования обеспечивает широкие возможности для инженерного творчества.
Вместе с тем для оптимального проектирования системы разработчик должен учи-
тывать многие факторы. Остановимся на этом более подробно.
7.5.1. ИК-системы связи по открытому каналу для ПК
Корпусное исполнение миниатюрных ИК приемопередатчиков типа HSDL—1000
фирмы Hewlett Packard обеспечивает возможность различной геометрии их уста-
новки, что иллюстрируется рис. 7.25.
С учетом необходимости устойчивости работы системы при достаточно
протяженной длине открытого канала особое значение приобретает вопрос
оптимизации оптической схемы устройства, которая должна, во-первых, обес-
печить оптимальный «оптический бюджет» системы и, во-вторых, еще более
усилить эффект подавления фоновой засветки.
Рис. 7.25. Различные варианты установки ИК приемопередатчиков HSDL—1000.
Оптимизацию геометрии установки ИК приемопередатчика на приборную плату
иллюстрирует рис. 7.26.
В данном случае Yобозначает расстояние от апекса линзы приемника до внешней
стороны передней панели, а X обозначает расстояние от середины модуля до края
прозрачного для ИК-излучения окна, которое определяется как полуширина аперту-
ры. Хдолжно быть меньше или равно величине, предлагаемой графиком на рис. 7.27.
Для размеров более 5 мм должно выполняться следующее соотношение:
Х = 2,87 Y + 7,0.
(7.6)
Важное значение имеет и материал окна. Желательно, чтобы на выходе из сис-
темы потери энергетической яркости из-
лучения не превышали 10 %. С этой це-
лью рекомендуется использовать в мате-
риале окна фиолетовый краситель, про-
зрачный для излучения с длиной волны
более 625 нм. Для того, чтобы еще более
ослабить влияние окружающей засветки
рекомендуется устанавливать приемопе-
редатчик на глубине в несколько мм, что
должно уменьшить долю прямой фоно-
вой засветки.
Важным моментом является правиль-
ная монтажная компоновка системы, так
как она во многом определяет степень по-
давления шума источника питания, па-
раметр во многом эквивалентный тако-
му оптронному параметру, как подавле-
ние по линии развязки. «Рябь» уровня
источника питания является обычным
примером такого шума источника пита-
ния. Рекомендации по правильной ком-
поновке системной платы в этом случае
таковы:
естественно, следует выбирать источ-
ник питания с наименьшим уровнем
шумов;
в линии питания следует предусмот-
реть использование фильтрации с тем,
чтобы амплитуда колебаний не превыша-
ла 10 мВ;
шунтирующий конденсатор должен
быть керамическим и располагаться как
можно ближе (в пределах, по крайней
мере 0,5 см).
Фронтальный вид
Рис. 7.26. Геометрия установки ИК приёмо-
передатчика на приборную панель.
Рис. 7.27. Связь между полушириной апер-
туры и глубиной посадки HSDL—1000.
Рис. 7.28. Частотные зависимости допус-
тимого уровня ЭМИ при правильной (вер-
хняя кривая) и неправильной (нижняя кри-
вая) компоновке системы ИК приёмопе-
редатчика.
Рис. 7.29. Частотная зависимость допусти-
мой удалённости источника питания.
Рис. 7.30. Схема увеличения длины связи
за счёт подключения внешнего СИД.
Области под модулем, а также в ок-
ружности 3 см от самого модуля явля-
ются областями критического заземле-
ния, и вся незанятая поверхность этих
областей должна быть покрыта «зазем-
ляющим» металлом.
Плоскость заземления должна обла-
дать очень малым сопротивлением под-
соединения к зачищенному узлу зазем-
ления.
Влияние шума источника питания
на нечувствительность ИК-модуля к
ЭМИ иллюстрируется рис. 7.28.
Экспериментальная частотная зави-
симость допустимого для HSDL-1000
модуля расстояния от источника пита-
ния иллюстрируется рис. 7.29.
Стандартная конфигурация с ис-
пользованием HSDL-1000 обеспечивает
функционирование системы с дально-
стью связи в 1 м при использовании ис-
точника питания, обеспечивающего
шумы амплитудой не более 40 мВ, при
этом система обеспечивает функциони-
рование с вероятностью ошибки (BER)
не более 10-6.
В заключение остановимся на воп-
росе увеличения длины оптической
связи с использованием ИК-модуля
типа HSDL—1000. В связи с этим следу-
ет отметить, что основными фактора-
ми, влияющими на длину открытого
оптического канала, являются сила из-
лучения СИД и чувствительность фо-
топриемника. Для увеличения длины
связи желательно увеличение обоих
этих параметров. В частности, приме-
нительно к приемопередатчику HSDL-
1000 с этой целью предусмотрено под-
ключение внешнего СИД, как это ил-
люстрируется рис. 7.30.
Рекомендуемый для этих целей СИД
типа HSDL—4220 обеспечивает силу из-
лучения на уровне 190 мВт /ср при
пиковом токе 250 мА при угле излучения
30°. СИД типа HSDL—4330 при тех же ус-
ловиях обеспечивает силу излучения на
уровне 375 мВт/ср при угле излучения 17°.
При такой конфигурации сила из-
лучения комбинированной пары из
встроенного и внешнего СИД может
быть использована для калибровки дли-
ны оптического канала. При этом сле-
Рис. 7.31. Зависимости длины оптической
связи от силы излучения и чувствительно-
сти фотоприёмника.
дует иметь ввиду, что эта длина связи про-
порциональна квадратному корню от
полной амплитуды сигнала.
Для дальнейшего увеличения длины
связи могут быть использованы импульсы возбуждения СИД с коэффициентом
заполнения менее 20 %. Поясним это примером. Рекомендуемый средний ток воз-
буждения СИД типа HSDL— 1 000 составляет 100 мА. Этому значению соответствует
пиковый импульсный ток амплитудой в 500 мА при коэффициенте заполнения
20%. Если использовать импульсы длительностью 1,6 мкс при скорости передачи
9600 бит/с (коэффициент заполнения 1,53 %), то пиковое значение тока может
составить 1 А, при этом среднее значение тока по-прежнему составит 100 мА. В
этом случае система способна обеспечить длину оптической связи на уровне 10 м.
Рисунок 7.31 демонстрирует влияние силы излучения и чувствительности фо-
топриемника на длину оптической связи.
7.5.2. Объектовые ВОЛПИ
И вновь подчеркнем, как это уже неоднократно делалось на протяжении настоя-
щей книги, что оптимизация конфигурации ВОЛПИ требует учета целого ряда
факторов, включая оптику и схемотехнику. Начнем с последовательного рассмот-
рения этих вопросов.
Одним из самых важных характеристик ВОЛПИ является длина связи, при
этом первостепенное значение приобре-
тает вопрос затухания излучения в во-
локне. Использование полимерного во-
локна достаточно большого диаметра
имеет как свои плюсы, так и минусы. С
одной стороны, использование поли-
мерного волокна выгодно с экономичес-
кой точки зрения. С другой же стороны,
оно характеризуется существенно боль-
шим коэффициентом поглощения,
спектральная зависимость которого име-
ет сложный характер, что иллюстриру-
ется рис. 7.32.
Рис. 7.33. Спектральная зависимость коэф-
фициента поглощения полимерного волокна.
Обращает на себя внимание наличие достаточно узкого окна пропускания
вблизи 2 = 660 нм, что и оправдывает использование СИД с длиной волны в
максимуме спектра излучения 2 = 660 нм.
Естественно, помимо рассмотренного выше фактора, длина связи опреде-
ляется и мощностью излучения, введенного в волокно, а также минимальной
мощностью излучения, необходимой для адекватного функционирования фо-
топриемника.
При адекватной геометрии ввода излучения в волокцо мощностью излуче-
ния в волокне можно управлять в достаточно широких пределах.
Следует отметить, что применительно к системе HFBR—0501 в конфигура-
циях, рассчитанных на скорость передачи 5 Мбод и 40 кбод драйверная схема
при высоком входном уровне включает СИД в то время, как в конфигурации со
скоростью передачи 1 Мбод высокий входной уровень выключает СИД. Типич-
ные значения прямого падения напряжения СИД и напряжения низкого уров-
ня схемы составляют соответственно 1,6 и 0,25 В.
Фотоприемный терминал ВОЛПИ работает в определенном смысле как ин-
вертор: высокая входная мощность соответствует низкому выходному напряже-
нию и наоборот: высокая входная мощность соответствует низкому выходному
напряжению и наоборот.
Применительно к ВОЛПИ фотоприемный терминал характеризуется двумя
важными параметрами: Р определяет мощность входного оптического сигна-
ла, соответствующего низкому уровню напряжения на выходе, a Р определяет
мощность входного оптического сигнала, соответствующего высокому уровню
напряжения на выходе.
Заметим, что фотоприемный терминал для конфигурации со скоростью пе-
редачи 40 кбод обладает хорошей чувствительностью и широким динамичес-
ким диапазоном. В этом случае может быть реализована большая длина связи.
В связи с тем, что порог переключения приемника располагается между ми-
нимальным и максимальным значением Р , мощность входного сигнала дол-
жна быть в этом диапазоне только в течение короткого времени во время пере-
дачи сигнала.
Очень важным при оптимизации конфигурации ВОЛПИ является адекват-
ный учет оптических потерь (оптический бюджет). Обычно потери в волокне
оценивают в дБ/ м. Помимо потерь непосредственно в волокне следует учиты-
вать также и потери в элементах стыковки с волокном как излучающего, так и
фотоприемного терминалов.
При оптимальном проектировании ВОЛПИ основополагающим является
обеспечение того, чтобы фотоприемник получал необходимый уровень свето-
вого сигнала. При этом для большого уровня сигнала на выходе мощность сиг-
нала на входе должна быть меньше, чем максимальное значение PR(H). Для обес-
печения малого уровня сигнала на выходе можщность входного сигнала должна
быть больше, чем минимальное значение Р„.. и меньше, чем максимальное зна-
чеиис Р
Прежде чем приступить к анализу, напомним читателю несколько полезных
для расчетов сведений. Обычно, оптическая мощность измеряется в ваттах.В то
же время достаточно распространенной является и другая единица, а именно
дБм, являющаяся логарифмической единицей по отношению к 1 мВт. При этом
соотношение R двух уровней мощности и Р2 может быть выражено в дБ в
соответствии с соотношением:
R=10Log(P,/P2). (7.7)
Положительная величина этого параметра означает, что Р7 больше Р2 в то
время как отрицательная величина означает, что <Р2.
Таким образом, отношение мощности излучения к 1 мВт, выражается в дБм
в соответствии с соотношением:
Рх(дБм) = 10 log (Рх/\мВт) = 10 logCP/ЮОО мкВт). (7.8)
Положительная величина Р} (дБм) означает, что мощность излучения больше
1 мВт, в то время как отрицательное значение Р;(дБм) означает, что мощность
излучения меньше 1 мВт. В качестве примера выразим в единицах дБм мощ-
ность излучения 150 мкВт:
Р(дБм) = 10 log (150мкВт/1000 мкВт) = - 8,24д£м. (7.9)
Возвратимся теперь к анализу требований по величине входного сигнала.
Первое требование обычно легко удовлетворить. Для этого надо, чтобы ток воз-
буждения СИД был меньше 20 мкА или же,чтобы прямое напряжение на СИД
было бы меньше 1,0 В.
Второе требование определяет предел чувствительности фотоприемного тер-
минала. Необходимо, чтобы на входе фотоприемника было излучение необхо-
димой мощности. В свою очередь это означает, что разность полной мощности
оптического излучения, введенного в волокно, PTmjn и оптических потерь в нем
L должна быть больше минимального значения 1>.9 т.е.:
max K(L)1
Рт — L >РВ(1Г (7.10)
Оптимизацию системы следует начинать с задания тока СИД при макси-
мальном рекомендуемом уровне 60 мА с последующим понижением этого уров-
ня до допустимого значения.
Для оптимального определения режима работы ВОЛПИ необходим тща-
тельный расчет оптического бюджета системы В 9 определяемого как разность
минимальной мощности введенного излучения и минимального значения Р9П.:
K(L)
BOpt “ ^Tmin “ BR(L)min* (7.11)
В этом случае необходимо, чтобы для оптического бюджета выполнялось
соотношение:
L < В . (7.12)
max opt х '
В процессе функционирования системы получаемая фотоприемником мощ-
ность излучения может уменьшаться из-за возрастания оптических потерь Lt в
волокне и согласующих элементах. В этом случае необходимо, чтобы:
L+Lt<Bopt. (7.13)
Типичная величина £глежит вблизи 3 дБ, но с учетом внешних воздействий
следует использовать более жесткие ограничения. Например, в том случае, когда
максимальные потери в системе составляют 12 дБ, a Lt = 3 дБ, оптический бюджет
должен составлять более 15 дБ.
Для расчета минимального допустимого тока возбуждения СИД вначале сле-
дует определить, положителен ли оптический бюджет после вычитания потерь в
системе. В том случае, когда он положителен, можно уменьшить ток возбуждения
с использованием соотношения:
ДВ = воpt -(£ + £,). (7.14)
В качестве примера предположим, что мы разрабатываем систему связи дли-
ной 5 м со скоростью передачи в 40 кбод и с использованием стандартного кабе-
ля, а также 2 подсоединительных элементов с потерями на уровне 3 дБ. Макси-
мальные оптические потери для этой системы составляют 7,75 дБ.
С учетом Lt = 3 дБ в данном случае оптический бюджет должен быть более
7,75 дБ + 3 дБ или 10,75 дБ.
Излучатель для рассматриваемой ВОЛПИ способен ввести излучение мощ-
ностью как минимум - 13,6 дБм при токе возбуждения 60 мА. При этом мини-
мальнодопустимое значение мощности излучения регистрируемого фотоприем-
ником, составляет — 39 дБм. Таким образом оптический бюджет системы состав-
ляет:
Bopt = - 13,6 дБм - (- 39 дБм) = 25,4 дБм. (7.15)
В действительности существует достаточно много возможностей для покры-
тия отрицательных затрат оптического бюджета из-за оптических потерь. Для
установления минимального тока возбуждения излучателя определим остающий-
ся положительный оптический бюджет в соответствии с соотношением:
\Bopt = 25,4 дБ - (7,75 дБ + 3 дБ) = 14, 65 дБ. (7.16)
Эта величина показывает насколько мы можем уменьшить мощность излуче-
ния излучающего терминала, гарантируя при этом необходимую мощность излу-
чения на входе фотоприемного терминала передатчика. С учетом рисунка 7.31
уменьшая ток возбуждения излучения до величины примерно 4 мА, мы как раз
получим допустимое значение уменьшения мощности входного излучения. В
связи с этим понятным становится то, почему мы можем назвать рассматривае-
мую линию связи слаботочной.
До сих пор при нашем рассмотрении мы учитывали лишь 2 первые компонен-
ты анализа. Третьей компонентой являются условия экстремального возбужде-
ния излучателя, при котором фотоприемник еще не получает избыточно боль-
шой мощности излучения. Другими словами, мы еще не определили максималь-
но допустимую мощность излучения за вычетом оптических потерь. В этом слу-
чае мы должны использовать соотношение:
Рт — L <Р . (7.17)
Tmax min R(L)max у '
При этом следует учитывать, что для расчета минимальных оптических по-
терь в линии следует использовать ее минимальную длину. В том случае, когда
воспринимаемая фотоприемником мощность излучения слишком велика, сле-
дует уменьшить мощность излучения СИД за счет уменьшения его тока возбуж-
дения. Для этого вначале определим, насколько мощность излучения, падающе-
го на фотоприемник, превышает допустимый уровень PR(L)max'-
Для иллюстрации этого расчета по-прежнему воспользуемся предыдущим
примером. Напомним, что мы уже вычислили минимальные потери в системе:
L . =2,35 дБ. (7.19)
Максимальная мощность, которую способен ввести в волокно излучатель ли-
нии передачи со скоростью 40 кбод, составляет — 4,5 дБм при токе 60 мА, при
этом приемлемый уровень мощности излучения на входе фотоприемника состав-
ляет — 13,7 дБм. Вначале определим максимально допустимую мощность излуче-
ния, падающего на фотоприемник:
Ртах = ~ 4^5 дБм — 2,35 дБм = - 6,85 дБм. (7.20)
Это значение превышает допустимый уровень Р = - 13,7 дБм. Таким обра-
зом, нам следует уменьшить ток возбуждения СИД с тем, чтобы уменьшить мощ-
ность излучения, падающего на фотоприемник:
АР= — 6,85 дБм — (13,7 дБм) = 6,85 дБм. (7.21)
Уменьшая ток возбуждения до 14 мА, мы обеспечим условия нормального функ-
ционирования фотоприемника. Таким образом для рассматриваемой в качестве
примера линии связи минимальное и максимальное значения тока возбуждения
составят соответственно 4 и 14 мА. Для обеспечения наиболее благоприятных
условий функционирования системы следует выбрать промежуточное значение
тока возбуждения.
7.6. Транспортные системы
Одной из новых областей применения, в которой все более широко начинают использо-
ваться разнообразные оптоэлектронные приборы, являются транспортные системы,
включая наземный (автомобильный, железнодорожный) транспорт, авиацию, косми-
ческие системы.При этом оптоэлектроника используется как в транспортной
инфраструктуре, так и в самих системах передвижения. Остановимся на этих воп-
росах более подробно.
7.6.1. Наземные системы
Присутствие оптоэлектроники в современной транспортной инфраструктуре бук-
вально бросается в глаза. Этим мы в первую очередь обязаны новому поколению
сверхъярких СИД различных цветов свечения [ 1] и систем визуального отображе-
ния на их основе, рассмотренных ранее в главе 5.
В первую очередь, следует упомянуть использование этих систем в обеспече-
нии безопасности дорожного движения [9]. В настоящее время светофоры и до-
рожные знаки на основе сверхъярких СИД достаточно широко используются в
различных странах, включая Россию, Европу и США [9]. С учетом разработан-
ных ранее стандартов к этим устройствам предъявляются достаточно жесткие тре-
бования как по спектральному составу излучения, так и по минимальной силе
света, которая должна превышать 300 кд. В Москве начиная с 1997 г. было уста-
новлено более 1000 светофоров [8]. Прошедшее с тех пор время подтвердило их
эксплуатационную надежность. В более широком смысле твердотельные систе-
мы обеспечения безопасности дорожного движения представляют одно из на-
правлений развития энергосберегающих технологий, при этом существует не-
сколько концепций дальнейшего развития таких систем.
Аналогичные системы используются и для обеспечения безопасности желез-
нодорожного транспорта. При проектировании семафоров на основе СИД соот-
ветствующими стандартами предъявляется ряд специфических требований, в ча-
стности это — «лунно-белый» свечения и очень малый угол излучения.
Высокая эксплуатационная надежность и отличные светотехнические харак-
теристики сигнальных систем на основе сверхъярких СИД позволяют применять
их и на речном транспорте, в частности в бакенах. В этом случае в число требова-
ний, предъявляемых к устройству относятся сине-зеленый цвет свечения (X « 525
нм) и практически аксиально-симметричная диаграмма направленности в гори-
зонтальной плоскости, при этом сила света такой системы должна быть достаточ-
ной для наблюдения на расстоянии 2 км.
Разумеется, только перечисленными системами обеспечение транспортной
безопасности не ограничивается. Строго говоря, концепция использования оп-
тоэлектроники на транспорте предусматривает 3 области применения [10].Пер-
вая область — обеспечение комфорта и безопасности как водителей, так и пасса-
жиров. Вторая область применения — обеспечение точности бесконтактного кон-
троля средств передвижения и дорожного полотна. Третья область применения —
создание систем прецизионной ориентации и управления.
Современные системы ночного видения в настоящее время начинают все бо-
лее и более использоваться не только в военных системах, но и в автомобилях,
локомотивах. Статистические данные США и Германии свидетельствуют о том,
что около половины дорожных происшествий происходит в вечернее и ночное
время в то время как доля водителей, управляющих автомобилями в это время
составляет всего треть. В таких системах безопасности используются фотоэлект-
рические формирователи изображения, рассмотренные ранее в главе 6, на спект-
ральный диапазон 0,9—1,2 мкм, 3—5 мкм, 7—14 мкм.
Важным направлением обеспечения безопасности дорожного движения яв-
ляются системы бесконтактного контроля дорожного полотна.
В настоящее время при оснащении автомобильного транспорта используют-
ся, в основном, 2 типа систем ночного видения: пассивные ИК-системы и систе-
мы ИК-видения с активной подсветкой. Пассивные системы детектируют излу-
чение в спектральном диапазоне 7—14 мкм, соответствующем атмосферному окну
прозрачности и одновременно обеспечивающем регистрацию теплового излуче-
ния человеческого тела. С этой целью, например, фирмой 111 используются фо-
тоэлектрические формирователи изображения на основе титаната бария — строн-
ция. Такие бортовые системы обеспечивают формирование тепловых изображе-
ний на расстоянии вплоть до 40 м.
Большей экономичности можно добиться с использованием менее*дорого-
стоящих систем с активной подсветкой на спектральный диапазон 0,75—1,0 мкм.
С этой целью в автомобиле монтируется источник света, который обеспечивает
засветку пространства перед автомобилем, при этом ФПЗС- или КМОП-камеры
детектируют отраженный световой сигнал. Этот подход в своих новых разработ-
ках используют такие фирмы, как Visteon Corp., Ford Motor Co., Daimler/Chrysler. В
этом случае дальность фронтального обзора может достигать 170 м. В то же время
у этого подхода есть свой недостаток, связанный с тем, что система регистрации
может захватывать ИК-излучение от движущихся навстречу объектов* что приво-
дит к шумовому сигналу. Для решения этой проблемы разработчиками Ford Motor
Со. Daimler/ Chrysler, используются узкополосные источники подсветки, в част-
ности с использованием мощного ЛД (Р-7 Вт) с длиной волны излучения 0,81
мкм. Использование таких источников подсветки в сочетании с ФПЗС-камера-
ми, содержащими узкополосные фильтры на эту же длину волны, позволяет су-
щественно уменьшить влияние фонового ИК-излучения и тем самым улучшить
характеристики системы.
Дальнейшего подавления влияния фоновой засветки удается добиться схемо-
технически за счет синхронизации импульсов лазерной подсветки ^электронно-
го затвора ФПЗС-камеры.
В условиях наземной эксплуатации дополнительные проблемы для систем
ночного» вид ения возникают из-за снега, тумана. Для этих условий лучше при-
способлены пассивные системы на спектральный диапазон 7—141мкм. Соответ-
ственно условия прозрачности в плохих погодных условиях для активных систем
на спектральный диапазон 0,75—1, 0 мкм существенно хуже. В то же время и в
этом случае есть пути решения указанных проблем (например, установка оптики
за ветровым стеклом и использование наносекундных лазерных импульсов и фо-
тоэлектрических камер с очень малым временем интеграции).
Современные автомобильные навигационные системы с использованием
ФПЗС-камер уже устанавливаются на магистральных трейлерах. Эти системы спо-
собны детектировать дорожные знаки и вовремя подсказать водителю, в том слу-
чае, когда машина сбивается с курса.
Прогресс в этом направлении поистине неудержим, Так, например, фирма Nissan
Motor Corp, предполагает оснащать свои автомобили системами, способными
12—2735
устранить влияние «слепых пятен» у водителя. С этой целью предполагается уста-
новка 6 КМОП-камер. Наряду с этим уже давно большое внимание уделяется раз-
работке автомобильных навигационных систем с широким использованием опто-
электронных приборов.
Несмотря на то, что системы определения местоположения и навигации под-
вижных средств существуют в достаточно большом количестве в виде проектов,
опытных образцов и представленных на рынке реальных изделий, большая их часть
не соответствует смыслу понятия «навигация», так как, по мнению экспертов, в
общем случае они не способны дать водителю информацию о наилучшем и самом
удобном способе выбрать оптимальный маршрут.
В связи с этим интерес представляет разработка фирмой Philips International NV
информационной навигационной системы Carin (Car Information and Navigation),
реализующей функции дорожного путеводителя и справочника туриста. Система
способна не только информировать о текущем местоположении автомобиля, но и
выполнить все операции по прокладке маршрута, предупреждая водителя о раз-
вилках дорог, транспортных развязках или пересечениях с указанием нужного на-
правления движения [12].
Рассматриваемая система реализует полностью автономное электронное уп-
равление движением автомобиля, поскольку для выполнения ее функций в данном
случае не требуется располагаемого вдоль дороги оборудования или радиопередат-
чиков и компьютерных центров в обслуживаемой местности.
Применение в системе Carin стандартных оптических компакт-дисков для за-
писи географической информации является логическим следствием глобальной
тенденции интерактивного доступа к компакт-дискам с большой информацион-
ной емкостью (более 600 Мбайт географических данных, что вдвое превышает объем
британской энциклопедии).
Сопровождение водителя к месту назначения осуществляется на основе клас-
сического навигационного метода: во время поездки непрерывно с погрешнос-
тью в несколько метров вычисляется положение автомобиля, при этом электрон-
ный компас информирует компьютер о направлении перемещения автомобиля,
Рис. 7.33. Кабина автомобиля с навигаци-
онной системой Carin [12].
а датчики на колесах измеряют число
поворотов и пройденный путь. Во вре-
мя движения автомобиля производит-
ся непрерывное вычисление положения
автомобиля и сравнение расчетных дан-
ных с цифровой информацией, храня-
щейся в памяти системы, при этом сис-
тема принимает решения о маневриро-
вании и формирует команды в виде ин-
формационных сообщений, формируе-
мых как синтезатором речи, так и в виде
пиктограмм, выводимых на ЖК-дисп-
лей на приборной панели автомобиля
(рис. 7.33).
Присутствие оптоэлектроники заметно не только во внутри салона автомоби-
ля, но и снаружи: повторители стоп-сигнала на основе сверхъярких СИД красного
цвета уже давно стали обычным аксессуаром российских автомобилей. Большие
успехи в разработке сверхъярких СИД различных цветов свечения (в том числе и
твердотельных источников белого света) делают реальным изготовление автомо-
бильных фар на основе СИД.
Не меньшее внимание уделяется в настоящее время и обеспечению безопасно-
сти и бесперебойной работы железнодорожного транспорта[10]. Понятно, что во
многом безопасность железнодорожного транспорта определяется состоянием же-
лезнодорожного полотна. Вплоть до последнего времени для контроля полотна
использовались специальные подвижные вагоны — лаборатории с контактными
датчиками, точность измерения которых во многих случаях уже не соответствует
потребностям времени. В настоящее время в процессе проработки находятся бес-
контактные оптоэлектронные системы,, способные получать информацию об ано-
малиях полотна и форме колеса/рельса.
В настоящее время уже апробируются экспериментальные железнодорожные
системы, содержащие 4 лазера и быстродействующие ФПЗ-камеры с электронным
затвором. Система обеспечивает получение информации о профиле полотна, ее
компьютерную обработку и хранение на оптическом диске, а также быстрое выяв-
ление аномалий. Следует отметить, что работы в указанном направлении прово-
дятся не только за рубежом, но и в России. В частности, проблема бесконтактных
оптоэлектронных детекторных систем является актуальной и для московского мет-
ро. Первые экспериментальные системы обеспечивают измерение выполнения сле-
дующих функций: контроль профиля левого и правого рельсов, измерение скорос-
ти поезда, измерение наклона полотна в направлении, перпендикулярном движе-
нию поезда. В рассматриваемом случае профиль полотна контролируется с помо-
щью оптоэлектронной системы дистанционного контроля на основе 4 лазеров ИК-
диапазона, а также 4 ФПЗС-камер.
И, наконец, в России достаточно широкое распространение получило исполь-
зование централизованной системы связи на основе ВОЛПИ, которая объединяет
все железнодорожные системы России и обеспечивает телекоммуникационную пе-
редачу данных по сети общей протяженностью 46000 км. Система характеризуется
скоростью передачи данных 2,5—10 Гбит/с. В настоящее время проводятся работы
по внедрению систем со спектральным мультиплексированием (WDM), способных
увеличить скорость передачи информации практически на два порядка.
7. 6. 2. Авиация
В силу целого ряда специфических причин, связанных, в первую очередь, с требо-
ваниями по массо-габаритным параметрам, особое значение приобретает исполь-
зование оптоэлектронных систем в авиации. Остановимся на этом вопросе немно-
го более подробно [12].
Необходимость в высококоэффективных оптоэлектронных системах для авиа-
ционных систем подчеркивалась уже давно, при этом рассматривалось несколько
аспектов. Первая проблема была связанас необходимостью уменьшения веса мед-
ных проводов, проходящих через самолет. Эта проблема в свое время стимулирова-
ла поиски наиболее адекватных решений, что привело ко все большему использо-
ванию волоконо-оптических систем связи, так как в этом случае достигается не
только резкое уменьшение веса линий связи, но и резкое повышение устойчивости
систем к воздействию электромагнитных помех.
Естественно, помимо обеспечения безопасности полетов для авиапассажиров
все большее значение приобретают вопросы, связанные с комфортными условия-
ми и расширением сферы услуг, предоставляемых авиапассажирам. В этой связи
следует отметить, что более 20 лет с этой целью для авиалайнеров типа Boeing— 747
была разработана т.н. внутренняя мультиплексная система, предоставляющая пас-
сажирам широкую сферу развлекательных услуг. Одновременно с этим была разра-
ботана и т. н. внутренняя навигационная система. С тех пор был достигнут ради-
кальный прогресс, в оснащении авиалайнеров как системами обработки информа-
ции, так и различными дисплейными системами, благодаря чему количество услуг,
предоставляемых пассажирам, резко возросло по сравнению с упоминавшейся внут-
ренней мультиплексной системой: каждое посадочное место оснащается специ-
альным встроенным дисплеем и телекоммуникационными средствами.
Поскольку на борту авиалайнера главным является пилот, большое внимание
уделяется все большему оснащению его пульса управления современными техни-
ческими средствами.В связи с этим особо следует упомянуть нашлемные дисплеи
[13], обеспечивающие трехмерное отображение и предоставляющие уникальные
возможности комфортного взаимодействия в системе человек/компьютер, вклю-
чая возможности интерактивного управления, диагностики и контроля.
Существенные изменения происходят и на приборной панели пилота. И
здесь, естественно, значительную роль играют различные системы индикации.
Использование на борту налагает на такие системы визуального отображения ин-
формации ряд более жестких требований по сравнению с условиями наземной
эксплуатации, к числу которых относятся и повышенные требования по надеж-
ности в условиях возможных перегрузок, адекватного считывания информации в
условиях прямой солнечной засветки и т.д. Длительное время считалось, что наи-
более пригодными для этих целей являются системы индикации на основе полу-
проводниковых знако-синтезирующих индикаторов, при этом особое внимание
уделялось возможности монолитной интеграции таких твердотельных экранов со
схемами управления.
Одним из таких примеров реализации высокоразрешающих твердотельных авиа-
ционных дисплеев является разработка модулей экрана формата 96x64, 160х 112 и
320x240 пикселов [12]. Ток возбуждения каждого пиксела составлял 0,5 мА при
яркости свечения на уровне 240 кд/м2. ТВ-экран, реализованный с использовани-
ем таких модулей обеспечивал передачу 16 полутонов при полной мощности по-
требления на уровне 50 Вт.
Другим примером [15] является авиационный дисплей размерами 15^2x12,7 см
и форматом 384x320 пикселов с разрешением 25 пар линий наем. В рассматрива-
емом случае использовались подмодули на основе GaP зеленого цвета свечения,
обеспечивающие яркость на уровне 400 кд/м2. Полная система из этих подмо-
дулей формата 6x5 содержала также и встроенный компьютер.
Перечисленные разработки, к сожалению, не нашли тогда широкого при-
менения в авиации, поскольку несмотря на приемлемый уровень фотометри-
ческих параметров и высокие характеристики надежности эти устройства усту-
пали альтернативным технологическим вариантам по способности передавать
широкую цветовую гамму при намного меньших токах потребления.
Вместе с тем следует подчеркнуть, что с появлением в последнее время техно-
логии сверхъярких светоизлучающих структур, способных обеспечить передачу ши-
рокой гаммы цветов при одновременной высокой эффективности процесса излу-
чательной рекомбинации, вновь позволяет ставить вопрос о дальнейшем прогрес-
се в области монолитных экранов на основе полупроводниковых светоизлучающих
структур. Лишним свидетельством справедливости такого подхода является под-
линный бум в области нового поколения разнообразных систем визуального ото-
бражения информации коллективного и группового пользования, обусловленный
появлением нового поколения сверхъярких СИД различного цвета свечения.
Одной из иллюстраций перспективности такого подхода является разра-
ботка фирмой Reflection Technology миниатюрного дисплея типа Private Eye с
использованием СИД-технологии, имеющего размеры 30x33x89 мм и дающе-
го пользователю впечатление восприятия изображения на 30 см мониторе
(рис. 7.34) [15].
Прибор имеет массу всего 70 г., потребляет менее, 5 Вт и может работать от
батарейки. Его можно легко прикрепить к легкому держателю наушника или оп-
раве очков.
Рассматриваемое устройство является комбинацией уже разработанных кон-
структорско-технологических решений, а именно: столбца СИД с зигзагообраз-
ным расположением пикселей, увеличительной линзы, резонаторного зеркала
на пружине и противовеса.
Рис. 7.34. Миниатюрный дисплей Private Eye [15]
Используемая в приборе КМОП-схема состоит из специализированной уп-
равляющей ИС в виде матрицы на 6000 вентилей вместе со статическим ЗУПВ на
256 кбит, играющим роль буфера для данных, подаваемых на экран. В первой вер-
сии устройства использованы СИД красного цвета свечения, обладающие малым
энергопотреблением, но в дальнейшем предполагается использование приборов
других цветов свечения.
В заключение следует остановиться еще на одном важном аспекте авиацион-
ных применений оптоэлектроники. Бортовые оптоэлектронные системы способ-
ны предоставлять ценную информацию по автоматическому обнаружению инте-
ресующего объекта на Земле и дистанционного контроля за его характеристиками.
Одной из проблем, возникающих в рассматриваемом случае, является колоссаль-
ный объем плохо структурированной информации, зачастую не позволяющей вы-
делять специфические характеристики интересующего объекта.
7.6.3. Космические системы
По-видимому, одни из наиболее жестких условий использования оптоэлектрон-
ных приборов имеют место при их применении в космических системах. Вместе с
тем, именно уникальные возможности оптоэлектронных систем для ИК-астроно-
мии, астроориентации, навигации, орбитального контроля и т. д. стимулируют
дальнейшие исследования в этом направлении. Работы в этом направлении прово-
дятся уже давно. С учетом общенаучной значимости эти исследования приняли
интернациональный характер и проводятся коллективами ученых разных стран.
В качестве первого примера приведем международный проект «Инфракрасная
космическая лаборатория» [16]. Спутник предназначен для изучения потоков теп-
лового излучения различных источников Вселенной, которое регистрируется с по-
мощью размещенного на борту ИК-телескопа с диаметром апертуры 60 см, охлаж-
даемого до температуры -270 °C. Оптоэлектронные системы спутника способны
выполнять измерения в диапазоне длин волн от 2 до 200 мкм и могут обнаруживать
источники излучения мощностью всего 10—17 Вт.
С учетом ширины области спектрального охвата в фотоэлектрических форми-
рователях изображения в рассматриваемом случае используется эффект примес-
ной фотопроводимости в кремнии, легированном галлием, фосфором, германием-
бериллием, германием-галлием, обеспечивающем регистрацию излучения соот-
ветственно с длиной волны до 16 мкм, 28 мкм, 50 мкм и 120 мкм.
Дальнейшее продвижение в длинноволновую область спектра вплоть до 200
мкм возможно с использованием механической одноосной деформации фоточув-
ствительного кристалла.
Естественно, подобные же разработки проводятся и в России.
В качестве одного из примеров использования оптоэлектронных систем в кос-
мической технике приведем астрономическую камеру «AstroCam», построенную с
использованием ФПЗС-формирователя изображения форматом 1040x1160 с раз-
мерами пикселов 16x16 мкм. Помимо собственно регистрирующего модуля
камера содержит также модуль процессора.
Камера способна работать в двух режимах. В режиме обзора звездного неба
данные с ФПЗС-матрицы после АЦП непосредственно выводятся по радиока-
налу, обеспечивающему связь спутника с Землей. Вторым режимом камеры
является режим звездного датчика, общая схема работы которого достаточно
хорошо известна. В данном случае принципиальную роль играет модуль пере-
программируемой логической ИС, позволяющий выделить из потока инфор-
мации с выхода АЦП только те данные, которые связаны с образами звезд, а
также определить координаты и направить эти данные модулю процессора.
Такой подход позволяет в сотни раз уменьшить объем данных, направляемых
от собственно оптоэлектронного модуля к модулю процессора. Полученные
данные процессор непрерывно сравнивает с данными звездного каталога, ко-
торый в рассматриваемом случае содержит данные для 45 269 звезд, и выдает
информацию либо об успешной, либо, неудачной попытке астроориентации.
Приведенный выше пример является частью более обширного проекта косми-
ческой системы «Созвездие» (Constellation), предназначенной как для любительской
астрономии, так и для решения народно-хозяйственных задач, связанных с высоко-
разрешающей топографии поверхности Земли. Подобно астрономам-профессиона-
лам, имеющим в настоящее время пользоваться техническими возможностями ор-
битального телескопа «Хаббл», современная космическая техника предоставляет воз-
можности самостоятельного творческого поиска. С этой целью предполагается ис-
пользование малого спутника «Астрол» массой 140 кг, доставляемого на орбиту с
помощью носителя «Космос-ЗМ».
Оптоэлектронная система рассматриваемого проекта содержит 3 фотоэлек-
трические камеры. Это камеры типа «AstroCam», «GloboCam» и «ТороСат».
Основные характеристики перечисленных выше камер представлены в таб-
лице 7.14.
Таблица 7.14. Основные характеристики электронных камер проекта
«Созвездие».
Типы электронных камер
Параметр
Пространственное разрешение, м
Ширина охвата, км
Число спектральных зон
Число кадров за один оборот
Информационная емкость, бит
ТороСат AstroCam GloboCam
4 1000
16-24 2000
3 3
60 10
8 8
Камера типа ТороСат предназначена для многоцветного отображения поверх-
ности Земли с привязкой по координате с точностью до Юм.
Камера типа AstroCam, рассмотренная выше, представляет собой сердцевину
звездного датчика и одновременно предоставляет возможности обзора неба в пре-
делах 12°. Она предназначена для непрерывного охвата звездного неба и передачу
непрерывного потока данных на Землю. Эти данные могут быть использованы
для звездной фотометрии переменных звезд, детектирования событий возникно-
вения новых и сверхновых звезд, регистрации космических кораблей, определения
характеристик их орбиты, обнаружения и слежения за астероидами и кометами,
исследования луны и планет и их спутников.
Камера типа GloboCam обеспечивает возможность обзора поверхности Земли с
увеличенным масштабом (разрешение 1 км) в трех спектральных диапазонах. Эта
камера может найти свое использование в различных областях применения, вклю-
чая картографию, контроль состояния лесных и водных массивов, информацион-
ное сопровождение во время возникновения чрезвычайных состояний, обеспече-
ние навигации, геологическую разведку.
7.7. Силовая техника
Как уже отмечалось выше, появление нового поколения оптоэлектронных прибо-
ров стимулировало дальнейшее развитие традиционных и чрезвычайно важных
областей техники, включая и силовую технику. Посмотрим, что же привнесла оп-
тоэлектроника в эту важную область техники.
7.7.1. Системы контроля электродвигателей
Как уже упоминалось в разделе 7.2, целая серия современных оптронов была спе-
циально разработана для использования в силовой технике и, в частности, для
управления электродвигателями.
К этой группе приборов относятся интегральные датчики фазовых токов типа
HP788J фирмы Hewlett Packard. Структурная схема системы контроля фазовых то-
ков трехфазного электродвигателя приведена на рис. 7.35.
Рис. 7.37. Структурная схема системы кон-
троля фазовых токов трёхфазного электро-
двигателя с использованием приборов типа
HP788J.
Известным фактом является то, что
для уменьшения потерь мощности при
переключении желательно минимизиро-
вать времена переключения силовых
биполярных транзисторов с изолирован-
ным затвором (IGBT), при этом все функ-
циональные элементы гальванически
изолированных систем контроля такие
как драйверы затворов и токочувстви-
тельные элементы должны выдерживать
воздействие больших переходных полей.
При этом следует признать, что в
действительности переходные поля все-
таки воздействуют на все устройства с
гальванической развязкой, какая бы
среда развязки не использовалась. При-
чиной тому является наличие паразит-
ных емкостей. Особенно чувствительны
в этом отношении магнитные датчики.
Для уменьшения влияния электромаг-
нитной наводки в приборах типа HP788J
используется специальная экранировка,
что обеспечивает уровень подавления
помех по линии развязки 25 кВ/мс.
Естественно одним из требований,
предъявляемых к системам контроля фа-
зовых токов, является скорость получе-
ния информации. Одновременно с этим
важное значение имеет способность си-
стемы детектировать ложные сигналы,
Рис. 7.36. Сигналы, генерируемые прибо-
ром HP 788J.
обусловленные влиянием больших переходных электромагнитных полей.
Для уменьшения времени задержки определения ложного сигнала в приборах
типа HP 788J предусмотрена схема детектирования ложного сигнала, которая рабо-
тает параллельно со схемой измерения фазового тока. С этой целью используются
2 компаратора, определяющие положительный и отрицательный пороги ошибки.
Выходы этих компараторов подсоединены к 2 фильтрам гашения, задающим пери-
од гашения длительностью 2 мс. В условиях ложного сигнала нормальная передача
данных по оптическому каналу прерывается, и поток данных заменяется на коди-
рованную последовательность сигнала ошибки.
Декодер сразу выделяет эту кодированную последовательность как ложную и
выдает соответствующий сигнал. Промежуток времени от момента достижения по-
рога ошибки до момента выдачи сигнала ошибки составляет всего 3,4 мс.
Важной функцией системы контроля является определение тока перегрузки,
т.е. ситуации, когда протекающий по обмоткам двигателя ток превышает номи-
нальное значение, но при этом еще не ставит в опасность инвертор или сам двига-
тель. В современных двигателях предусмотрена возможность кратковременной пе-
регрузки, не приводящей к повреждению электродвигателя. С этой целью в прибо-
ре HP788J специально предусмотрен выход ABVAL, сигнал с которого позволяет
определить сигнал перегрузки.
С этой целью в схеме ABVAL проводится выпрямление входного сигнала с тем,
чтобы задать абсолютный уровень входного сигнала (рис. 7.36)
В том случае, когда комбинируются все 3 фазовые токи, этот суммарный много-
фазный сигнал несет информацию о полном токе электродвигателя. В этом случае
использование простого компаратора позволяет определить состояние перегрузки
эл е ктрод вигателя.
7.7.2. Системы управления электродвигателями
Специализированные оптроны типа HCTL1100 могут быть использованы для реа-
лизации цепи обратной связи для управления электродвигателями (рис. 7.37).
Для реализации такой схемы управления помимо оптрона необходимы линей-
ный усилитель, внешний микроконтроллер, оптический кодер.
Рис. 7.37. Цепь обратной связи с использо-
ванием оптронов типа HCTL-1100.
Во многих случаях зарубежные про-
изводители электродвигателей включа-
ют в комплекты поставки и усилители.
Упоминавшиеся ранее в разделе 7.2 опт-
ронные ИС типа ТС 4803 также могут с
успехом использоваться в источниках
питания и контроллерах электродвига-
телей переменного тока. Один из при-
меров такого использования иллюстрируется рис. 7.40.
В приведенном примере КМОП схемы управления электродвигателя прибор типа
ТС4803 управляет р-канальным ПТ типа МТР2Р50 (500В, 2А), в то время как прибор
без гальванической изоляции типа ТС4801 управляет ПТ типа MTP2N50. В рассматри-
ваемом случае тот же самый логический сигнал амплитудой 5 В возбуждает как ТС4803,
так и ТС4801. Резистор номиналом 300 Ом, последовательно включенный на входе,
обеспечивает ограничение по току в то время как параллельно включенный конденса-
тор на входе СИД улучшает его быстродействие. Диодно-резисторная цепочка на вы-
ходе ТС4803 вместе с подзатворной емкостью ПТ обеспечивают задержку, необходи-
мую для минимизации перекрестной проводимости (ситуации, когда более и менее
мощный ПТ в полумостовой схеме одновременно находятся в открытом состоянии.
Рис. 7.38. Пример использования оптронной ИС для управления
электродвигателем переменного тока.
7.7.3. Тахометрические системы
Оптоэлектроника предлагает свои пути решения таких проблем, как бесконтакт-
ное определение скорости и направления вращения вала, что входит в число про-
блем такой специальной области техники как тахометрия. В этом случае возможен
целый ряд подходов, в том числе с использованием как оптронов с открытым опти-
ческим каналом, так и дискретных элементов (СИД и ФД). Правда, в последнем
случае возникает ряд проблем.
Для решения тахометрических задач можно использовать лучепреломляющую
кромку, но оптические окна обычных СИД и ФД слишком велики, чтобы обеспе-
чить необходимую разрешающую способность. Так, для того, чтобы обеспечить
контроль вращения вала с помощью закрепленного на нем диска диаметром 25 мм
с разрешением в 1 угл. град., необходимо, чтобы линейное разрешение по парамет-
ру диска составляло 0,22 мм.
При размещении рядом с вращающимся диском неподвижного диска-
прерывателя» с тем же зазором между линиями, после запуска подвижного диска
мы получим чередование периодов временных интервалов пропускания и
прерывания светового потока с частотой, соответствующей зазору между линиями.
Это позволяет использовать СИД и ФД, расположенных на противоположных
сторонах пары дисков произвольного размера. В том случае, когда каждый диск
содержит п линий на один оборот, выходной сигнал ФД будет возрастать и спадать
п раз за время одного оборота, что способно обеспечить нас информацией о
скорости вращения вала, но не о его направлении.
Для решения задачи об определении направления вращения вала следует ис-
пользовать конфигурацию из неподвижного диска, содержащего п+1 линию, ря-
дом с вращающимся диском, содержащим п линий. В этом случае интегральная
картина пропускания будет иметь «муаровый» характер, поворачивающийся п
раз на каждый оборот вала в направлении, противоположном вращению вала,
при этом при равном чередовании свет-
лых и темных линий муаровая картина
будет темной на одной стороне вала и
иметь 50%-пропускание на диаметраль-
но противоположной стороне.
В том случае, когда неподвижный
диск содержит п+2 линий, характер му-
аровой картины будет меняться дваж-
ды за один оборот вала, при этом кар-
тина будет «проворачиваться» п/2 раз в
направлении, противоположном вра-
щению вала. В том же случае, когда не-
подвижный диск содержит п+3 линий
муаровая картина будет трижды ме-
няться в течение 1 оборота. Для полу-
чения муарового вращения в направле-
нии вращения вала число линий ни не-
подвижном диске должно быть меньше
п (л—1, п—2), при этом для получения
такой муаровой картины нет необходи-
мости охватывать весь вал, для этого до-
статочен угол охвата 180°.
Рис. 7.39. Схема квадратурного фазового
детектора для определения скорости и на-
правления вращения вала: а) схема распо-
ложения ФД (1) и маски (2) и форма вы-
ходных сигналов ФД Л и В; б) циклограмма
работы сдвоенного /Х'-триггера; в) схема
компаратора с гистерезисом.
Рис. 7.40. Муаровые картины, используе-
мые в тахометрии для получения инфор-
мации о направлении вращения
Электронная схема детектирования
скорости и направления вращения вала
достаточно проста (рис. 7.39)
Основным элементом схемы детек-
тирования является сдвоенный JK-
триггер. Он выдает один импульс на
муаровый цикл на выходе Qt при вра-
щении по часовой стрелке и один им-
пульс на выходе Q2 при вращении про-
тив часовой стрелки. В то время, как
выход Qt находится в пульсирующем со-
стоянии, выход Q2 находится в устой-
чивом состоянии низкого уровня и на-
оборот.
Если выходы Qj и Q2 подключены к
счетчикам импульсов, то величина их
отсчетов будет характеризовать поло-
жение вала.
Форма сигналов с выходов и Q2
на рис. 7. 39 обозначена непрерывной
линией для случая вращения по часовой стрелке и штриховой — для вращения
против часовой стрелки.
В рассматриваемой схеме величина фототока, необходимая для перевода ком-
паратора из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня I _д и наобо-
рот 1фв_н, определяется формулами:
Л = U , (7.22)
ф. н-в ип’ ' 7
= (7.23)
При этом уровень высокого напряжения с точностью до нескольких мВ бли-
зок к Е в то время как напряжение низкого уровня близко к Ц°вых ~ 0.
Следует отметить, что рисунки, образующие муаровые картины необязатель-
но должны быть непрерывными.
Муаровые картины, позволяющие определять направление движения можно
создавать также и с использованием угловых перемещений, как это иллюстриру-
ется рис. 7.40.
Исходя из простой геометрии можно определить протяженность интервала му-
арового цикла Р и угол р по значениям хр х2, 0. Показанный на этом рисунке
параллелограмм имеет одну сторону, равную х2 / sin 0и диагональ, равную / sin О,
при этом вторая сторона определяется по формуле:
COS 0
(7.24)
Из подобия двух прямоугольных треугольников (со штриховыми линиями) нахо-
дим:
Р/(х2 /sin#) = х1/х3.. (7.25)
Угол поворота картины определяется из рассмотрения треугольника, образо-
ванного правой стороной параллелограмма:
x2/sin# sin р = Xj/sin# sin (jr—0—pY
В общем случае решение этой системы уравнений дает:
sin 0
Х1 /х2 “COS#) ’
__________Х1 Х2_________
^хх + х2 - 2ххх2 zz$0
(7.26)
(7.27)
(7.28)
Следует заметить, что в отсутствие поворота картины эти формулы сводятся к
случаю параллельного сдвига (рис. 7.40 а). Для угловых муаровых картин с угловым
и параллельным переносом рекомендуется, чтобы угловая ширина «окна» прием-
ника W была меньше 90° муарового цикла, т. е. меньше Р/4. Расширение окна
раскрытия не сопровождается существенным увеличением фототока, но требует
перекрытия фотоприемников, расположенных с зазором 90°
Неподвижная муаровая картина из прямых линий с угловым перемещением
может использоваться совместно с радиальной подвижной картиной. В этом
случае образуются искривленные муаровые картины. При этом в том случае,
когда радиус кривизны достаточно велик относительно зазора между линиями
по-прежнему можно использовать квадратурную схему регистрации с простой гео-
метрия взаимного расположения элементов.
К настоящему времени разработана достаточно широкая гамма тахометричес-
ких оптоэлектронных датчиков указанного типа. В качестве примера можно приве-
сти серию приборов типа HEDS—6500,HEDS—6540, HEDL—6540, HEDL—6545(fcwp-
мы Hewlett Packard, обеспечивающих измерение скорости вращения валов в 30 000
оборотов в минуту. Компоновку датчиков такого типа иллюстрирует рис. 7.41.
Литература
Ермаков О.Н., Сушков В.Л. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. — М.: Радио и
связь. 1990. - 239 с.
Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. — М.: Радио и связь. 1981. — 279 с.
Применение оптоэлектронных приборов/пер. с англ, под ред. Ю.Р. Носова. — М.: Радио и связь.
1989. - 344 с.
Библиографический список
Ermakov О. N., Nosov Yu. R. // Proceed. SPIE. 2000. V. 3901. P. 14-20.
Isolation and Control Components Designers Catalog /Hewlett Packard. USA: 1996.
Sullivan P. , Kobasevic D. // International Magaz. for Power Conversion, N 4198.
Optoelectronic Designer’s catalog: Infrared Products/Hewlett Packard. USA: 1996.
Goodenough E // Electron. Design. 1992. V. 40, N 17. P. 51-54.
Гудинаф Ф. // Электроника. 1991. № 1. С. 95—96.
Хейфер Р. // Электроника. 1991. № 2. С. 41—47.
Adonin A. S., Ermakov О. N. // Proceed. SPIE. 2002. V. 4761. Р. 13-19.
Winer D. // Public Works. 1997. N 2. P. 47-48.
Inozemtsev V. G., Shilin V. A., Syster V. G. // Proceed. SPIE. 2002. V. 4761. P. 3-12.
Гош Д. // Электроника. 1990. № 18. С. 11-13.
Ermakov О. N. // Proceed. SPIE. 2002. V. 4761. P. 90-97.
Roland J. P, Yoshida A., Davis L. D.,Roif J. H. // Appl. Optics. 1998. V. 37. P. 4183-4189.
Nina T, Kuroda S., Yonei H. et al. Ц IEEE Trans. On El Dev. 1979. V. 26. P. 1182-1189.
Каррен Л. // Электроника. 1990. № 18. С. 6-7.
Гош Д. Ц Электроника. 1986. № 6. С. 15—17.
Baklanov A. I., Klushnikov M.V. // Proceed. SPIE. V. 4761. Р. 114-120.
Baklanov А. 1., Karasev V. 1., Ivanov N.N. // Proceed. SPIE. V. 4761. P. 108-113.
ГЛАВА 8
ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ
ПРИМЕНЕНИЯ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
8.1. Введение
Как мы уже видели в предыдущей главе, оптоэлектроника непрерывно расширяет
сферы своего применения, включая даже такие нетрадиционные области как сило-
вая техника. Естественно, при всех успехах и достижениях существуют проблемные
вопросы, от решения которых зависит дальнейший прогресс и динамика развития
этого научно-технического направления.
Целый ряд областей применения, связанных с энергосберегающими техноло-
гиями (силовая техника, силовая фотоника, гелиоэнергетика) и имеющих страте-
гическое значение для дальнейшего развития современного общества, требует ис-
пользование оптоэлектронных приборов и систем в условиях больших токов, высо-
ких напряжений и температур и даже ионизирующего излучения.
В связи с этим правомочна постановка вопроса об использовании оптоэлект-
ронных приборов в экстремальных условиях, что требует проведение анализа воз-
действия дестабилизирующих факторов (температурных эффектов, деградацион-
ных явлений и радиационных эффектов) на характеристики оптоэлектронных при-
боров.
Рассматриваемая проблема имеет стратегическое значение для оптоэлектро-
ники, так как умение управлять этими эффектами открывает дорогу для развития
таких направлений, как прецизионная, высокотемпературная и радиационно- стой-
кая оптоэлектроника.
Как мы увидим в дальнейшем, в основе рассматриваемой проблемы лежит слож-
ное переплетение физических, материаловедческих, конструкционных и техноло-
гических аспектов. Рассмотрению перечисленных вопросов и посвящена настоя-
щая глава.
8.2. Силовая электроника
8.2. L Современное состояние и тенденции развития
Обращаясь к проблемам энергетики, следует вновь отметить многоплановый ха-
рактер решений, предлагаемых оптоэлектроникой: использование оптоэлектрон-
ных приборов в традиционных системах выработки энергии (в виде силовых уст-
ройств, подобных рассмотренным в гфедыдущей главе), их применение непосред-
ственнодля выработки электроэнергии (солнечные батареи), а также в различных
энергосберегающих технологиях.
Практически вся электроэнергия, вырабатываемая различными типами станций
вырабатывается в виде переменного тока промышленной частоты (50 — 60 Гц) и срав-
нительно невысокого напряжения, которое трансформируется в высокое напряже-
ние, передается по высоковольтным линиям и вновь трансформируется в низкое
напряжение. При этом примерно половина всей вырабатываемой электроэнергии
потребляется именно в таком виде, в то время как другая половина преобразуется
средствами силовой электроники. Этот баланс можно проиллюстрировать такими
цифрами: мощность электростанций СССР в 1988 г. составляла около 350 млн. кВт,
при этом мощность полупроводниковых преобразователей энергии — около 150 млн.
кВт. Согласно проведенным оценкам, использование силовой электроники обеспе-
чивало экономию 10—15 % вырабатываемой электроэнергии [1].
Различные аспекты (включая физические и материаловедческие аспекты) си-
ловой электроники достаточно подробно рассмотрены в [1]. Рассмотрим только
основные подходы, предлагаемые силовой электроникой для энергетики.
Диапазон основных параметров современных силовых полупроводниковых при-
боров очень широк: блокируемые напряжения варьируются в диапазоне 100 — 104 В
при рабочих токах от единиц ампер до 5—6 кА, при этом импульсная амплитуда
рабочего тока может достигать 3000 кА. Времена переключения также варьируются
в широком диапазоне: от сотен микросекунд до десятков пикосекунд.
В диапазоне очень больших мощностей и низких частот при использовании в
преобразовательных подстанциях ЛЭП постоянного тока, в статических компен-
саторах и т.д. доминируют высоковольтные тиристоры. Современный уровень па-
раметров таких приборов очень высок: средний рабочий ток — более 5 кА при на-
пряжении 5 — 9 кВ. Однако эти приборы характеризуются достаточно большими
временами переключения (10-3 с).
В диапазоне мощностей до нескольких МВт и частот до 1 кГц основными ис-
пользуемыми силовыми приборами являются запираемые тиристоры (GTO). Эти
приборы обеспечивают средний рабочий ток 800 А при блокируемом напряжении
6 кВ и времени запирания 35 мкс. К числу областей применения этих приборов
относятся: тяговый привод, привод переменного тока для вентиляторов, насосов,
компрессоров, мощных агрегатов бесперебойного питания и т.д.
Особого рассмотрения заслуживают проблемы силовой импульсной электрони-
ки, к числу которых, в частности, относится коммутация очень больших мощностей (в
диапазоне от мегаватт до терраватт) в микро-, нано-и субнаносекундном диапазонах.
Такого рода задачи возникают в физике и технике мощных лазеров, ускорителей и
радаров, в системах очистки промышленных отходов.
Следует подчеркнуть, что в настоящее время разработан ряд подходов, позволяю-
щих в практическом плане ставить вопрос о разработке мощных импульсных силовых
систем, способных работать и в субнаносекундном диапазоне [1].
8. 2.2. Приборы силовой электроники
В среднем диапазоне мощностей (сотни
кВт) и частот (десятки кГц) доминируют
приборы, которые мы уже неоднократно
упоминали в предыдущей главе. Это — би-
полярные транзисторы с изолированным
затвором (IGBT) и мощные полевые тран-
зисторы (MOSFET). Остановимся на этих
приборах более подробно.
Конструкцию IGBT иллюстрирует
рис. 8.1.
Подачей положительного смещения на
затвор полевого транзистора формируется
инверсный слой вр- базе верхнего биполяр-
ного транзистора, замыкающий р+ - эмит-
тер с коллектором. При этом электронный
ток, протекающий по этой цепи, вызыва-
л‘-буферный слой
р*-подложка
ЖШШ><оллектор
Рис.8.1. Схема биполярного транзистора с
изолированным затвором (IGBT).
ет инжекцию дырок изр+ - эмиттера, который через п - и-слои попадает вр+- коллектор
нижнего биполярного транзистора. В рассматриваемом случае электронный ток по
сути управляет нижним биполярным транзистором, через который протекает основ-
ная часть силового тока. Для выключения прибора на его затвор подается отрицатель-
ное смещение, при этом инверсный слой исчезает, что приводит к прерыванию тока
управления и соответственно — к резкому
спаду силового тока. Конструкция чипа
содержит несколько сотен тысяч ячеек ди-
аметром около 20 мкм. К числу досто-
инств IGBT относятся малая потребляе-
мая мощность в цепи управления, а также
высокое быстродействие. В то же время
как недостатки следует отметить большое
(по сравнению с GTO) остаточное напря-
жение во включенном состоянии, а также
достаточно высокую стоимость этих при-
боров. Современные приборы такого типа
характеризуются следующими параметра-
ми: предельное напряжение — 3,3 кВ при
токе через прибор порядка 100 А.
Рис. 8.2. Базовая структура мощного по-
левого транзистора.
Устройства на большие токи (до 1200 А) можно получить параллельным соединением
чипов в одном корпусе.
Другой тип силового прибора, на котором мы остановимся подробнее, это
- мощные полевые транзисторы (MOSFET), конструкцию которых иллюстриру-
ет рис. 8.2.
Рассматриваемый тип приборов относится к очень перспективному и быстро-
развивающемуся направлению микроэлектроники. Подобно IGBT эти приборы
представляют собой, по сути, силовую ИС, состоящую из сотен тысяч микро-
транзисторов с характерным размером около 15 мкм.
В рассматриваемом случае при отрицательной полярности напряжения на ис-
токе и нулевом на затворе ^«-переход блокирует внешнее напряжение. При поло-
жительном смещении на затворе электроны, эмитируемые из «+-слоя истока, при-
тягиваются к границе р- базы с подзатворным окислом, образуя тонкий «-канал с
высокой проводимостью между л+-истоком и дрейфовой «-областью стока.Об ога-
щенный электронами слой образуется также и на границе между окислом и мате-
риалом «-типа проводимости, при этом электронный ток из этого слоя протекает
по слаболегированной «-области стока к «+-подложке. При этом сопротивление
прибора в проводящем состоянии определяется в основном толщиной и уровнем
легирования «-области, поскольку модуляция проводимости этого слоя не имеет
место. По этой причине MOSFET являются принципиально низковольтными при-
борами. В рассматриваемом случае для блокировки большого напряжения необхо-
дима слаболегированная «-бласть достаточно большой толщины, что влечет за со-
бой большее напряжение на приборе в проводящем состоянии. Предельное бло-
кируемое напряжения для этого типа приборов составляет 1 кВ, при этом основная
масса выпускаемых в настоящее время приборов рассчитана на напряжение в диа-
пазоне от 200 до 300 В. Следует отметить, что важным преимуществом этого типа
приборов являются их хорошие частотные характеристики, а также малые затраты
мощности на управление. Быстродействие MOSFET ограничивается главным обра-
зом скоростью перезарядки суммарной емкости в цепи затвора, включающей в
себя как паразитные емкости, так и емкость, связанную с формированием токоп-
роводящего канала. При этом предельный ток прибора, в принципе, ограничива-
ется размерами чипа, который, в свою очередь, определяется допустимым про-
центом забракованных элементов при существующем уровне технологического
процесса.Обычно величина предельного тока не превышает несколько десятков
ампер.
Следует подчеркнуть, что доминирующей тенденцией разработки современ-
ных силовых устройств для преобразователей малой и средней мощности является
интеграция либо в одном кристалле (мощность около 1 кВт), либо в одном корпусе
(мощность до 30 кВт) силового прибора с информационным модулем преобразо-
вателя, реализующим функции управления, диагностики и защиты. Это позволяет
резко уменьшить габариты и стоимость таких устройств, а также значительно уве-
личить их надежность. В качестве силовых модулей таких устройств, обеспечиваю-
щих работу при напряжении до 300 В. Обычно используются MOSFET, а при боль-
ших напряжениях применяются IGBT.
В заключение следует напомнить читателю, что целый ряд силовых оптоэлек-
тронных приборов (силовых оптронов), рассмотренных в предыдущей главе был
разработан именно для обеспечение устройств на основе рассмотренных выше при-
боров. Схемотехнические аспекты таких устройств рассмотрены в монографии
П. А. Воронина, посвященной силовым полупроводниковым ключам, ссылка на
которую приведена в конце настоящей главы.
8.3. Силовая фотоника
8.3.1. Современное состояние и тенденции развития
Рассматриваемый в настоящем разделе материал раскрывает уникальные возмож-
ности фотонной технологии, органично вписывается в общее русло перспектив-
ных энергосберегающих технологий и затрагивает вопросы, лежащие на стыке не-
скольких важных научно-технических направлений (собственно силовой оптоэ-
лектроники, квантовой электроники, технологии современных мощных промыш-
ленных лазеров и робототехники).
Принципиальная возможность реализации высокой концентрации бозонов
(к числу которых относятся, в частности, и фотоны) за счет их фокусировки в
крайне ограниченном объеме пространства и обеспечивающей проявление тако-
го феномена как лазерное излучение обусловливает возможность высокой кон-
центрации оптической энергии. Уникальные возможности такой высокой кон-
центрации оптической энергии поняты уже давно (можно было бы привести при-
меры фантастических гиперболоидов). В качестве примера таких уникальных си-
стем приведем американский проект «National Ignition Facility » по разработке
мощной лазерной системы на стекле, активированном неодимом, которая пред-
назначена для лазерного «поджига» дейтерий-тритиевой мишени. Система со-
держит батарею ламп накачки мощностью 350 МДж, разбитую на 260 секций,
при этом коммутатор каждой секции должен обеспечивать напряжение развязки
25 кВ, ток 0,5 МА и длительность импульсов 500 мкс. Помимо уникальных сверх-
мощных систем для решения проблем обработки материалов в настоящее время
достаточно широко используются мощные фотонные системы на основе про-
мышленных лазеров. Подробное рассмотрение таких технологий выходит за рам-
ки настоящей книги. В связи с этим перечислим лишь некоторые из направле-
ний этих перспективных лазерных технологий: резка, сверление, профилирова-
ние различных материалов, сварка разнородных композиционных материалов,
реализация которой другими методами практически невозможна, быстрое изго-
товление прототипов проектируемых изделий [2,3].
Мощные промышленные лазеры уже давно стали реальностью современной
промышленности.
Исторически так сложилось, что в первую очередь для достижения указанной
цели использовались мощные газовые лазеры на основе СО? В этом случае эффек-
тивность и максимально достижимая мощность оптического излучения определя-
ются кинетикой возбуждения, зависящей от разряда, а также химией газа и его
нагревом. Различные схемы возбуждения и вывода излучения продолжают разви-
ваться, но при этом современный уровень вывода оптического излучения составля-
ет 20 кВт/м, что позволило создать системы первого поколения с мощностью излу-
чения более 1 кВт, достаточной для проведения большинства перечисленных выше
технологических операций.
Непременными составляющими таких систем являются световодная оптика,
позволяющая транслировать мощный пучок лазерного излучения к выходу обраба-
тывающей головки, робототехнические модули, обеспечивающие возможность
перемещения головки в 3-х измерениях, а также система датчиков, позволяющая
контролировать качество выполняемых работ.
Особое значение в рассматриваемом случае приобретает вопрос оптимального
проектирования оптической системы таких установок, при этом концептуально
рассматриваются возможности использования оптических волокон как для транс-
ляции мощного оптического излучения, так и для использования его части для
контроля процесса обработки.
В настоящее время коммерчески используются волокна с диаметром сердцеви-
ны в диапазоне 200 ... 1000 мкм. При использовании волокон возникают пробле-
мы, связанные с тем, что на их выходе качество пучка ухудшается и иногда не обес-
печивается возможность их использования в таких применениях, как прецизион-
ная резка с малой шириной линии реза.
Одновременно с этим прорабатывается возможность использования волокон
не только для трансляции мощного оптического излучения непосредственно по
сердцевине волокна, но и для каналирования относительного слабого излучения
по его обкладкам. Такие моды, распространяющиеся по обкладке закладывают ос-
нову для разработки новых типов датчиков, способных получать информацию о
качестве выполняемой операции. В настоящее время разрабатываются различные
типы датчиков на принципе оптических мод, распространяющихся по обкладке
(cladding power monitoring или СРМ). В частности, в случае аппаратов, выполняю-
щих сверление, имеет место резкое изменение коэффициента отражения после
получения сквозного отверстия. Плавление поверхности обрабатываемой детали
также приводит к увеличению коэффициента отражения. Да и сам спектральный
состав отраженного излучения также несет информацию. В этом случае перед де-
текторной головкой может быть дополнительно помещен спектрометр. Это важно
потому, что различные условия сварки могут приводить к различному качеству шва
и соответственно могут контролироваться по знаку СРМ. Целью таких исследова-
ний является создание промышленных систем, обеспечивающих возможность ав-
токонтроля операции. Лазерные системы сварки ближайшего будущего должны
быть способны автоматически контролировать выполняемую операцию и осуще-
ствлять необходимую регулировку по линии ОС с учетом критических параметров
процесса обработки, включая мощность лазерного излучения, положение фокуса
и скорость перемещения.
Одновременно с этим станет возможной технология изготовления компонен-
тов по схеме реальный объект—виртуальный объект-прототип, в соответствии с
которой интересующий нас объект может быть просканирован по трем измерени-
ям, данные этого сканирования обрабо-
таны компьютером и сохранены в его па-
мяти. После чего по этой информации
виртуального объекта компьютером мо-
гут быть рассчитаны положение рабочей
головки и траектория ее перемещения
для выполнения операции с тем, чтобы
воспроизвести прототип реального
объекта.
Наряду с мощными СО2-лазерами,
излучающими надлине волны 10,6 мкм,
все большее распространение в рассмот-
ренных выше технологиях обработки по-
лучают твердотельные лазеры, в частно-
сти на основе алюмо-иттриевого граната
(ЛИГ), активированного неодимом, из-
лучающие на длине волны 1,06 мкм, об-
ладающие всеми преимуществами твер-
дотельных приборов (большей эконо-
мичностью, большим ресурсом, компак-
тностью и т. д.). Промышленные робо-
ты, оснащенные такими лазерными си-
Рис. 8.4. Робот, оснащённый мощной сис-
темой на основе твердотельного лазера.
стемами и увешанные множеством све-
товодов выглядят зачастую как реальные
иллюстрации фантастических фильмов
(рис. 8.4).
В свою очередь, мощные твердотельные лазеры подразделяются на системы с
ламповой накачкой (LPSSL) и системы с накачкой от ЛД (DPSSL) [4, 5].
По мере неуклонного снижения стоимости ЛД /)Р55Л-системы все более и бо-
лее проявляют свои преимущества (компактность, стабильность мощности, высо-
кое качество лазерного луча и т. д.).
Особое значение в таких применениях, как резка и сварка приобретает такой
параметр, как качество луча (ВРР), уровень которого должен быть не хуже 60 мм
мрад. Указанный уровень параметра ВРР может быть реализован в DPSL без суще-
ственного ухудшения их эффективности (на уровне 10—20 %).
8.3.2. Оптоэлектронные системы накачки
Как следует из проведенного выше рассмотрения, наиболее перспективными в
настоящее время представляются мощные оптоэлектронные источники накачки
на основе ЛД (рис. 8.5).
Мощные оптоэлектронные системы накачки разработаны целым рядом фирм,
в частности, Infineon Technologies, Opto Power Corporation. В качестве примера рас-
смотрим линейки и решетки ЛД фирмы Opto Power Corporation [6].
Рис. 8.5. Твердотельный лазер с оптоэлек-
тронной системой накачки на основе ЛД.
В рассматриваемом случае при из-
готовлении приборов используются ге-
тероструктуры с раздельным ограниче-
нием и с двумя квантовыми ямами на
основе InGaAlAs, выращенные методом
эпитаксии из металлорганических со-
единений при низком давлении. Ис-
пользуется т. н. конструкция с большим
оптическим резонатором.
Линейки ЛД имеют коэффициент
заполнения 80 % и мощность излуче-
ния более 100 Вт при скважности 2.
Устройства характеризуются малым
последовательным и тепловым сопро-
тивлениями. Использованное в прибо-
рах жидкостное охлаждение с применением микроохладителей делает возможным
функционирование с малой скважностью.
Аналогичные устройства предлагаются также и фирмой Opto Power Corporation, при
этом предлагаемый набор приборов характеризуется большим разнообразием длин
волн накачки, а именно: 797, 808, 915, 940, 980, 1,7 и 1,8 мкм. Стандартный набор
конструкций включает в себя линейки ЛД длиной 1 см с мощностью излучения 40, 50
и 60 Вт. Конструкция приборов предусматривает пассивное или оригиниальное водя-
ное охлаждение. Одновременно с этим разработаны приборы с волоконным выходом.
8.3.3. Силовая оптика
Как мы уже говорили выше, использование специализированной (в первую очередь,
волоконной) оптики позволяет существенно расширить возможности разработчи-
ков специализированных робототехнических комплексов с использованием сило-
вой фотоники. Хотя мы уже неоднократно говорили выше об использовании опти-
ческих световодов в других системах, специфика силовой фотоники заставляет нас
еще раз возвратиться к этому вопросу, хотя бы потому, что спектральный диапазон
мощных промышленных лазеров существенно шире рассмотренного ранее. Кроме
того, возникает ряд вопросов, связанных с устойчивостью световодов к воздействию
интенсивных оптических пучков. Как мы увидим далее, именно эта специфика зас-
тавляет нас говорить не только о волоконных, но и о полых световодах.
С исторической точки зрения полезным представляется вспомнить об одном
из первых патентов, связанных рассматриваемой темой. В самом деле, уже в 1881 г.
инженером М.А. Конкордом был получен патент на оригинальную схему системы
световодных трубок, предназначенных для освещения различных помещений с
использованием одного источника подсветки (рис. 8.6) [7]
В последнее время, естественно, доминирует именно волоконная оптика,
предназначенная для решения двух основных задач: трансляции света и подсветки
общего назначения.
Первая проблема разработчика,
использующего волоконные световоды,
заключается в наиболее эффективном
введении излучения в волокно. Один
из путей заключается в прямой под-
стыковке волокна к источнику излуче-
ния. Другой подход использует фоку-
сировку излучения на плоскость ввода
излучения. При использовании обою
подходов должны быть удовлетворены
два требования: лазерное «пятно» дол-
жно вписываться в сердцевину свето-
вода и падающее излучение должнс
вписываться в рамки входного угла с
тем, чтобы он сохранился в сердцеви-
не в процессе распространения по во-
локну. Многомодовые волоконные све-
товоды с большим диаметром сердце-
вины обеспечивают наиболее эффек-
тивный ввод излучения. Типичный ди-
аметр такого волокна составляет, пс
крайней мере, 100 мкм в то время как
некоторые из типов волокон имеют
сердцевину диаметром 1000 мкм.
Одиночные ЛД могут быть подсты-
кованы непосредственно к волокну е
ямам
▼. WHEELER.
APPAIATVS РОЖ ЫОЖПЖО DWSUIS09 01 отш япистжжм.
Яо. 247,220.
Patented Sept 20,1881.
Рис. 8.6. Система подсветки с использова
нием т.н. световодных трубок.
то время, как для ввода излучения от
достаточно протяженных линеек или
решеток ЛД целесообразно использо-
вать волоконный жгут, представляю-
щий собой сплетение одиночных волокон.
Другой заботой разработчика при выборе сердцевины волокна является плот-
ность оптической мощности. Критический порог этого параметра зависит от
вида используемого материала, а также от качества поверхности, через которую
вводится излучение, включая ее загрязненность. Особенно это касается вход-
ной поверхности волокна, так как в этом случае плотность оптической мощно-
сти особенно велика. Одним из путей решения этой проблемы является ис-
пользование рупорной конструкции световода, когда диаметр входной области
превышает диаметр выхода. Стандартное соотношение диаметров входа и выхо-
да составляет 5:1.
Как мы уже упоминали одним из требований является то, что диаграмма на-
правленности входящего излучения должна вписываться во входной угол волок-
на, которому соответствует такое понятие, как числовая апертура, которая
с геометрической точки зрения представляет собой синус половины входного угла.
Напомним, что этот параметр определяется соотношением:
(8.1)
где п0 и — коэффициенты преломления сердцевины и обкладки. Например, для
многомодового волокна с показателями преломления сердцевины соответственно
1,485 и 1,50 числовая апертура составляет 0,21, что соответствует половине входно-
го угла размером в 12°.
В связи с рассматриваемым вопросом следует отметить, что одним из недостат-
ков рупорной конструкции ввода является малая величина входного угла: в том
случае, когда отношение диаметров сердцевины на входе и выходе волокна состав-
ляет R, числовая апертура составляет:
NA f = R х NA. f. (8.2)
output input v 7
Естественно, проблема ввода излучения и ограничения по мощности упроща-
ются по мере увеличения диаметра сердцевины, но при этом одновременно возра-
стают проблемы, связанные с его гибкостью. В ряде применений это может быть
очень существенным. Связь между диаметром сердцевины и минимальным радиу-
сом изгиба иллюстрируют данные, приведенные в таблице 8.1.
Таблица 8.1. Связь между геометрическими параметрами волокна
и рекомендуемым радиусом изгиба.
Диаметр Диаметр сердцевины, с обкладкой мкм Минимальный рекомендуемый радиус изгиба, мм
125 140 6
200 230 10
300 330 15
400 430 20
600 630 30
800 830 40
1000 1035 50
1500 1550 150
Еще одним важным аспектом использования световодов является величина оп-
тических потерь в них. Ранее мы уже приводили спектральные характеристики коэф-
фициента затухания кварцевых и полимерных волоконных световодов для ближней
ИК-области. Однако сейчас нам вновь необходимо возвратиться к этому вопросу в
связи с использованием в силовой фотонике более длинноволнового излучения (на-
пример, в случае СО2-лазеров длина волны излучения составляет 10, 2 мкм).
В то же время величина оптических потерь в обычных световодах с кварцевой сер-
дцевиной быстро возрастает по мере увеличения длины волны за пределы 2 мкм. В то
же время световоды на основе хальногенидных стекол прозрачны в диапазоне от 0,3 до
11 мкм, хотя и обладают коэффициентом затухания на уровне 1 дБ/м.
Для каналирования излучения с длиной волны излучения 10 мкм используют-
ся 2 типа полых оптических световодов. Полые металлические оптические свето-
воды содержат внутренние диэлектрические покрытия, увеличивающие их коэф-
фициент отражения. В другом варианте полых световодов используется сапфир,
обладающий коэффициентом преломления, меньшим, чем воздух (при этом сам
сапфир практически непрозрачен надлине волны 10 мкм).
По-видимому одним из недостатков рассмотренных полых световодов являет-
ся их жесткость, в то время как для их использования в робототехнике необходима
возможность изгиба на угол 360° при одновременном сохранении качества лазер-
ного луча и обеспечении малых потерь. В связи с этим продолжаются исследова-
ния, направленные на решение указанной проблемы. В частности, фирмой DynaFlex
объявлено о разработке гибких световодов, способных каналировать излучение
потоков излучения СО2-лазеров мощностью 10 кВт. Предложенный вариант свето-
вода основан на использовании переплетающихся оптомеханических сегментов,
собранных в секции длиной 1 м [8].
8.4. Гелиоэнергетика
8.4.1. Современное состояние и тенденции развития
Глобальные энергетические проблемы уже давно поставили в повестку дня вопрос
о поиске нетрадиционных альтернативных технологий получения электроэнергии.
К числу таких альтернативных технологий относится гелиоэнергетика на основе
фотопреобразования солнечного излучения в электрическую энергию с использо-
ванием полупроводниковых солнечных элементов (СЭ).
В ряде областей применения (системы с автономными источниками питания,
например космические аппараты) энергетические установки на основе СЭ уже дав-
но заняли прочное положение. Как мы увидим далее, в настоящее время продол-
жаются интенсивные исследования, направленные на создание эффективных СЭ
на основе широкого круга полупроводниковых материалов.
Хотя исследования в этой области были начаты очень давно работами Беккере-
ля (1839 г.), первые реальные приборы с приемлемым КПД (около 6%) были полу-
чены лишь в 1954 г. специалистами Bell Laboratories, при этом согласно проведен-
ным тогда оценкам максимальное значение этого параметра в приборах на основе
Si и GaAs могло бы составить соответственно 20 и 23%. Уже в 1985 г. этот уровень был
превзойден в реальных приборах [9].
8.4.2. Особенности конструкции СЭ
По своей сути СЭ представляют собой ФД с большой площадьюрл-перехода, спро-
ектированный т. о., чтобы обеспечить максимальный ввод света и его наиболее
эффективное фотопреобразование (рис. 8.7).
Помимо КПД двумя другими важными параметрами СЭ являются ток корот-
кого замыкания и напряжение холостого хода. При этом для оптимального проек-
тирования прибора необходима оптимизация как его оптической схемы с учетом
Рис. 8.7. Схематическая конструкция кри-
сталла СЭ.
Рис. 8.8. Конструкция эффективного СЭ
на основе кремния.
Рис. 8.9. Конструкция СЭ с профилирова-
нием как верхней, так и тыльной поверх-
ности кристалла.
особенностей зонной структуры ис-
пользуемого полупроводникового мате-
риала, его оптических свойств, так и его
электрофизических параметров.
Конструкцию современных СЭ ил-
люстрирует рис. 8.8. [8]
Первое, что бросается в глаза, так это
присутствие обращенных пирамид на
фронтальной поверхности прибора,
предназначенных для улучшения ввода
оптического излучения в кристалл СЭ.
Длинноволновая часть введенного в
кристалл излучения отражается тыль-
ным контактом, выполняющим т. о.
функцию рефлектора. Отраженная часть
излучения, доходя до поверхности кри-
сталла, вновь отражается пирамидами
внутрь кристалла и т.о. излучение ока-
зывается «захваченным» внутри крис-
талла, что приводит к существенному
увеличению тока короткого замыкания.
Другой особенностью конструкции
эффективных СЭ на основе Si является
то, что как нижняя, так и фронтальная
поверхности кристалла содержат тон-
кие пассивирующие слои двуокиси
кремния, при этом контакты к п - ир -
областям формируются в окнах, вскры-
тых в SiO2. Больший уровень легирова-
ния приконтактных областей миними-
зирует негативное влияние большой
скорости рекомбинации на границе раз-
дела кремний /металл.
При проектировании кристаллов
СЭ особое внимание уделяется мини-
мизации паразитного последовательно-
го и шунтирующего сопротивления.
Поиски наиболее оптимальной
конструкции СЭ продолжаются одно-
временно с отработкой технологии
сложного профилирования не только
верхней, но и тыльной поверхности при-
бора (рис. 8 .9) [10].
В рассматриваемом случае существенную роль играет угол при вершине «пира-
мид», который должен иметь оптимальную величину.
8.4.3. Физические и материаловедческие аспекты
В отличие от кремния GaAs является полупроводниковым материалом с прямой
структурой энергетических зон и резкой зависимостью коэффициента поглоще-
ния вблизи края фундаментальной полосы поглощения. Это является одной из
причин, обусловливающих специфику конструирования СЭ на его основе. Кроме
того, в отличие от кремния, имеющего в виде SiO2 естественный пассивирующий
окисел, в случае GaAs возникают проблемы с пассивацией, которые решаются эпи-
таксиальным выращиванием тонких слоев на основе широкозонного материала
Ga05 In05 Р. Основные особенности конструкции СЭ на основе GaAs приведены в
таблице 8.2.
Таблица 8.2. Основные особенности конструкции СЭ на основе GaAs.
Материал Толщина слоя, мкм Назначение
MgF2 0,12 Просветляющее покрытие
ZnS 0,065 Просветляющее покрытие
n-Ino.5Gao.SP 0,03 Пассивирующий слой
п+ -GaAs 0,1 1 -й активный слой
р-GaAs 3,5 2-й активный слой
P-Ga0.5ln0.5P 0,1 Пассивирующий слой
GaAs Подложка
Большая по сравнению с кремнием ширина запрещенной зоны GaAs обуслав-
ливает то, что СЭ на основе этого материала обладают фоточувствительностью к
более коротковолновой области спектра солнечного излучения. Это приводит к
меньшей величине тока короткого замыкания, но одновременно сопровождается
увеличением напряжения холостого хода.
Использование двухслойного антиотражающего покрытия в сочетании с пас-
сивирующими широкозонными слоями обеспечивают уменьшение отражения, но
одновременно делает менее эффективным использование такого оптического эле-
мента конструкции, как пирамиды. Кроме того резкий край поглощения не позво-
ляет в полной мере реализовать эффект «захвата» света.
Несмотря на отмеченные проблемы на основе GaAs получены СЭ с КПД, пре-
вышающим 25 %. Следует специально отметить, что использование соединений
A3 Z?5 расширяет возможности проектирования СЭ за счет использования эффектов
зонной структуры. В частности, в рассматриваемом случае могут быть получены
приборы с целым набором активных областей, что обеспечивает наиболее полное
перекрытие спектра фоточувствительности и спектра солнечного излучения. В ка-
честве примера приведем конструкцию двухпереходного (тандемного) СЭ на осно-
ве гетероструктур А3 ^(таблица 8.3).
Таблица 8.3. Основные особенности двухпереходных СЭ на основе
соединений А 3В5.
Материал Толщина слоя, мкм Назначение
MgF2 0,12 Просветляющее покрытие
ZnS 0,65 Просветляющее покрытие
п-АИпР 0,04 1 -й слой верхнего перехода
n-Ga0SIn05P 0,1 2-й слой верхнего перехода
P-Gao,sIno,5P 0,8 3-й слой верхнего перехода
p+ - GaAs 0,02 1-й слой туннельного диода
n+ - GaAs 0,02 2-й слой туннельного диода
n - AlGaAs 0,02 1-й слой нижнего перехода
n-GaAs 0,1 2-й слой нижнего перехода
p-GaAs 3,5 3-й слой нижнего перехода
GaAs Подложка
В рассматриваемом случае высокоэнергетичные фотоны поглощаются в верх-
нем переходе в то время, как низкоэнергетичные фотоны проходят до нижнего
перехода. Такая конструкция обеспечивает более полное фотопреобразование.
Более сильно легированные слои между переходами образуют туннельный пере-
ход, обеспечивающий низкоомный контакт между переходами. В таких СЭ КПД
превышает 29 %.
Проведенное выше рассмотрение ставит один из наиболее важных вопросов, а
именно: каков же на самом деле верхний предел КПД ?
Полуэмпирический подход к этому вопросу тесно связан с физикой рл-перехо-
да и спектральным распределением фотонов в солнечном излучении. Рисунок 8.10
иллюстрирует спектральные распределения солнечного излучения в космическом
пространстве и в земных условиях.
Эксперименты в космическом пространстве показывают, что солнечное излу-
чение может быть описано моделью абсолютно черного тела с температурой 6000
К. В то же время рассеяние и поглощение в земной атмосфере приводят к суще-
Рис. 8.10. Спектральные распределения
солнечного излучения в космическом про-
странстве (верхняя кривая) и в земных ус-
ловиях (нижняя кривая).
ственному искажению первичного спек-
тра солнечного излучения (рис. 8.10).
Для вычисления максимального тока
короткого замыкания обычно использу-
ется т.н. «пороговый» подход.
Из теории рл-перехода известно,
что выходные ВАХ описываются следу-
ющим соотношением:
/=/ [ехр(9ГДТ)-1]-/с. (8.3)
! 4DPn^
L„NA lpnd
(8.4)
Эти уравнения приводят к следующему выражению для напряжения холосто-
го хода:
.. kT. (isc Л
r-=—In—+ 1. (8.5)
В рассматриваемом случае предполагается, что какртак и п - области явля-
ются однородно легированными, a Dnp и Lnp есть соответственно коэффициенты
диффузии и диффузионные длины неосновных носителей заряда в то время, как
N есть уровни легирования акцепторными и донорными примесями соответ-
ствующих областей рл-перехода. Собственная концентрация носителей дается,
как известно, соотношением:
ni=NcNwp(-Eg/kl}. (8.6)
где N есть плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне. Как
примечательный факт следует отметить, что параметры реальных СЭ превышают
теоретические пределы, установленные ранее.
Более строгие расчеты [9] показывают, что максимальный КПД в модели чер-
ного тела может составлять 32% для СЭ с полупроводниковым материалом, име-
ющим ширину запрещенной зоны, промежуточной между Si и GaAs.
В то же время было показано [9], что ограничения, накладываемые моделью
черного тела, не распространяются на приборы с тонкой активной областью с
большим уровнем «захвата солнечного излучения». Было показано, что одним из
механизмов, ограничивающих предельный уровень КПД, является Оже-реком-
бинация. Было показано, что предельный уровень КПД очень сильно зависит от
объемной области прибора. Интересным результатом этих расчетов является то,
что СЭ с толщиной активной области менее 100 мкм могут обладать эффективно-
стью на уровне не ниже 30 % даже без эффекта «захвата света». В свою очередь, это
показывает, что высокоэффективные СЭ могут быть изготовлены с существенно
меньшими материальными затратами. В особенности сказанное относится к СЭ
на основе Si. В то же время предполагается, что Оже-рекомбинация способна
ограничить функциональные характеристики СЭ на основе GaAs.
При оценке предельно достижимого уровня КПД чрезвычайно важно знать,
каким образом оптическое излучение может быть «захвачено» кристаллом СЭ, ил-
люстрацией чему является использование конструкции с перевернутыми пирами-
дами в СЭ на основе кремния. Хаотизация характера распространения светового
пучка в кристалле, связанная с малым критическим углом выхода излучения из
непрямозонного материала, подобного кремнию, приводит к сильному проявле-
нию эффекта захвата излучения. Такая хаотизация способна увеличить длину сво-
бодного прохода слабо поглощаемого излучения в п2 раз (в случае Si эта величина
составляет 50 раз). Более того, угол паразитного выхода может быть еще более огра-
ничен за счет ограничения входного угла. В свою очередь, это способно увеличить
длину прохода слабо поглощаемого излучения еще в (1/ sin2 0) раз. В том случае,
когда используются концентраторы солнечного излучения, входной угол очень
Ширина запрещенной зоны, эВ
Рис. 8.11. Теоретически достижимая вели-
чина КПД СЭ для различных значений па-
раметра умножения.
мал, что, в принципе способно обес-
печить увеличение свободного прохо-
да в 20 миллионов раз. В то же время
многопроходный характер излучения,
реализуемый в чипах на основе непря-
мозонных материалов с плавной спек-
тральной зависимостью коэффициен-
та поглощения по-видимому ставит
под вопрос проведенные ранее оцен-
ки предельного уровня КПД. В част-
ности поглощение фотонов с энерги-
ей вблизи края фундаментального по-
глощения кремния требует участия
фононов в этом процессе. Именно
благодаря этому можно распростра-
нить диапазон фоточувствительности
в длинноволновую область. Одновре-
менно с этим имеются эксперимен-
тальные данные по двухфотонному
поглощению в кремнии.
С теоретической точки зрения эффективность фотопреобразования в СЭ в
общем случае ограничена излучательной рекомбинацией электронно-дыроч-
ных пар. Несмотря на то, что рассматриваемый тип полупроводниковых прибо-
ров исследуется уже на протяжении многих десятилетий, до сих пор продолжа-
ются дискуссии о теоретически достижимой величине КПД, при этом после-
дние оценки показывают, что эта величина может превышать 43 % [11].
Если предположить, что фотоны с энергией mEg < hv < (m + l)Eg
(т= 1,2,3...(/и — 1)ии/и Е <hv<(m —1) способны генерировать соответ-
ственно m и rnmax электронно - дырочных пар, то в этом случае можно существен-
но увеличить КПД СЭ, что иллюстрируется рис. 8.11.
Из представленного рисунка видно, что даже при ттах = 1 оптимальная тео-
ретическая величина КПД превышает 40 % для Eg = 1,06 эВ. При больших значе-
ниях т кривые сходятся к предельной зависимости с максимальным КПД на
уровне 85,4 % при £ = 0,048 эВ.
Наряду с повышением КПД фотоэлектрического преобразования в СЭ дру-
гим принципиальным фактором, в особенности в отношении гелиоэнергети-
ческих установок широкого потребления является стоимость приборов. Имен-
но этим объясняется то пристальное внимание, которое уделяется приборам на
основе аморфных полупроводниковых материалов.
В соответствии с проведенными оценками СЭ с несколькими ^-перехода-
ми на основе аморфных полупроводниковых материалов способны обеспечить
КПД на уровне 35 %. Остановимся на этом более подробно. Следует подчерк-
нуть, что у проблемы повышения эффективности фотопреобразования в СЭ во-
обще и в приборах на основе аморфных материалов существует целый ряд ас-
пектов, связанных как с качеством материала, так и с конструкцией прибора.
Современный же уровень технологии СЭ на основе аморфного гидрогенизи-
рованного кремния обеспечивает серийное изготовление приборов с КПД более
10% [12], что практически на порядок превышает аналогичный параметр первых
приборов, полученных более двух десятилетий назад.
Такой прогресс, безусловно был связан как с уникальными оптоэлектронны-
ми свойствами этого материала, так и с возможностью его получения при сравни-
тельно низких температурах (250—300° С).
Как уже отмечалось выше, одним из чрезвычайно продуктивных подходов к
проблеме повышения КПД СЭ является использование конструкции с несколь-
кими рп-переходам и. Применительно к приборам на основе аморфных материа-
лов для реализации таких приборов используются структуры на основе a—Si: Н/
a-Ge: Н.
Уровень параметров коммерчески выпускаемых устройств достаточно высок.
Например СЭ-панели с одним переходом, выпускаемые фирмами Solarex и APS,
при площади устройств в 1 и 12,5 квадратных фута рассчитаны на генерацию энер-
гии мощностью соответственно в 5 и 50 Вт.
СЭ-панели с двумя переходами, выпускаемые фирмами UPGia USSC, при пло-
щади устройства в 1 и 4 квадратных фута рассчитаны на генерацию энергии мощ-
ностью соответственно в 1 и 20 Вт.
Одним из преимуществ технологии СЭ на основе аморфного кремния являет-
ся то, что она позволяет варьировать размеры панели в широких пределах без
существенного ухудшения их удельных характеристик. В частности, гарантируе-
мая эффективность СЭ-панелей на основе аморфного кремния не зависит от раз-
меров модуля.
То же самое относится и к приборам с двумя переходами. Например, в прибо-
рах на основе a-Si: Н / a-Ge: Я КПД СЭ размером 0,25 см2, 1 квадратный фут и 4
квадратных фута составляет соответ-
ственно 11% 10,5 % и 9,5 %.
Наряду с работами по СЭ на основе
аморфного кремния продолжаются и ис-
следования, направленные на улучшение
функциональных характеристик прибо-
ров на основе монокристаллического
кремния, в частности, за счет использо-
вания прозрачных тонкопленочных ге-
тероэмиттеров. Одним из перспектив-
ных подходов считается технология ге-
тероструктур с использованием полуизо-
лирующего поликристаллического крем-
ния (SIPOS). Конструкция прибора, вы-
полненного по этой технологии, иллюс-
трируется рис. 812 [13].
SIPOS layer
* p-Si (100)
Al back contact
Рис. 8 .12. Конструкция СЭ с гетероэмит-
тером на основе SIPOS
8.4.4. СЭ в экстремальных условиях применения
Рис. 8.13. Гелиоэнергетическая система
космического аппарата.
Рис. 8.14. Конструкция концентратора.
По -видимому, наиболее жесткие усло-
вия применения гелиоэнергетических
систем реализуются в условиях их ис-
пользования в космических аппаратах
(воздействие ионизирующего излуче-
ния и перепадов температуры), а также
в условиях воздействия концентриро-
ванного солнечного излучения.
Привычная для большинства из нас
схема применения СЭ в системах авто-
номного питания подразумевает ис-
пользование максимально допустимой
площади сбора излучения, как это ил-
люстрируется знакомыми нам «крыль-
ями» СЭ космических аппаратов, (рис.
8.13) [14].
В то же время с учетом экономичес-
ких показателей желательно миними-
зировать площадь СЭ В связи с этим
возникает ряд проблем, связанных с оп-
тимизацией конструкции. При этом
еще одним важным элементом совре-
менных гелиоэнергетических систем являются концентраторы солнечного излуче-
ния. Современные концентраторы обеспечивают не только близкие к предельно-
му теоретическому значению уровни произведения приемного угла на уровень кон-
центрации, но и обладают большой компактностью: у некоторых из них отноше-
ние толщины к диаметру апертуры может составлять 1/3. При малом входном угле
уровень концентрации солнечного излучения может составлять 1000. Схематичес-
ки конструкция концентратора иллюстрируется рис. 8.14.
В рассматриваемом случае солнечные лучи, проходящие через входную апер-
туру в пределах малого угла отражаются от нижнего и верхнего зеркал и направля-
ются на СЭ.
В общем случае связь между уровнем концентрации излучения и входным уг-
лом дается соотношением:
Cg = п 2/sin2 в.
(8.7)
где п — коэффициент преломления прозрачного материала концентратора.
Использование концентраторов солнечной энергии само по себе не решает
всю проблему. Возникает вопрос, а какова оптимальная величина коэффициента
концентрации ? Расчеты показывают, что максимальная величина коэффициента
концентрации может достигать С = 7400. При такой величине коэффициента кон-
центрации энергетическая освещенность поверхности СЭ может составить
800 Вт / см2 [15]. В то же время эффек-
тивность СЭ при таких уровнях освещен-
ности существенно снижается, что ил-
люстрируется рис. 8 .15 [15].
Основным фактором снижения
эффективности естественно является
разогрев активной области СЭ, что вы-
зывает необходимость использования
эффективных теплоотводов, оптималь-
ное проектирование которых пред-
ставляет собой отдельную самостоя-
тельную задачу.
В связи со сказанным можно сде-
лать вывод о том, что оптимальная ве-
личина коэффициента концентрации
Рис. 8 .15. Зависимость эффективности СЭ
на основе GaAs от степени концентрации
солнечного излучения для 3 температур ок-
ружающей среды.
составляет 1000 при условии достаточно малого температурного сопротивления
прибора, а для обеспечения этого помимо хорошего теплоотвода необходимо ис-
пользование достаточно малых по размерам кристаллов СЭ (диаметром менее 5
мм). Одновременно с этим для того, чтобы полностью использовать преимущества
концентрации солнечной энергии необходимо использовать наиболее эффектив-
ные СЭ.
В заключение этого раздела следует сказать несколько слов о специальных ти-
пах СЭ, способных генерировать аномально высокое напряжение холостого хода в
условиях воздействия концентрированного излучения. В работе [16] сообщалось о
разработке оптоэлектронной ИС на основе КНС-структур, включающей в себя
встроенный фотовольтаический источник питания и рассчитанной на использова-
ние в экстремальных условиях эксплуатации, включая как воздействие инзирую-
щего излучения, так и концентрированного оптического излучения.
8.5. Влияние дестабилизирующих факторов
на характеристики оптоэлектронных приборов
При разработке оптоэлектронных систем необходимо учитывать влияние деста-
билизирующих факторов (температурные, деградационные и радиационные эф-
фекты).
8.5.1. Температурные эффекты
Температура является одним из основных факторов, влияющих на характеристики
оптоэлектронных приборов. Мы умышленно оставляем физические аспекты этой
проблемы, связанные с фундаментальными характеистирками полупроводнико-
вых материалов и достаточно подробно рассмотренные в приводимых в конце гла-
вы обзорах. Остановимся преимущественно на влиянии температурных эфектов на
приборные характеристики.
8.5.1.1. Излучающие приборы
Одними из основных параметров инжекционных излучающих приборов являются
спектральное положение максимума спектральной полосы излучения Ат и темпе-
ратурный коэффициент изменения (ТКИ) мощности или силы излучения.
Как известно, спектральное положение краевой полосы излучения в случае
прямой межзонной рекомбинации и рекомбинации с участием примесных цент-
ров — активаторов люминесценции жестко связано с шириной запрещенной зоны,
Таким образом, для большинства случаев температурная зависимость спектраль-
ного положения максимума полосы излучения может быть аппроксимирована со-
отношением = 1,24/ Е . При этом для температурного коэффициента длины
волны в максимуме полосы излучения имеем:
d\„ .-UAdE,
dEt E> dT <8-8*
Простое выражение для температурного коэффициента мощности излучения
излучающего прибора может быть получено, если аппроксимировать вольт-ампер-
ные и ватт - амперные характеристики следующими соотношениями:
( Е } еи
ГР =Лехр --4 хехр -г^-1
кТ) кТ
( г Л ( eU
Р = Роехр х ехр—^-1
\ ** J 1 j
(8. 9)
(8.10)
где: Е/? Е2 — характеристические энергии активации. В этом случае для обычно
используемого режима генератора тока получаем:
1 dP ~Е2- Ех
~P*~dT~ пКТ
(8.П)
Из приведенного соотношения видно, что в общем случае температурный ко-
эффициент мощности излучения существенно зависит от температуры, при этом
при уменьшении температуры его величина падает.
Наряду со светотехническими характеристиками, определяющими систему
параметров излучающих приборов, одним из важных параметров является, как из-
вестно, прямое падение напряжения при заданном прямом токе. Этот класс при-
боров включается, как правило по схеме генератора тока при этом в процессе варь-
ирования температуры предполагается I = const. В общем случае вольт-амперную
характеристику (ВАХ) можно аппроксимировать соотношением:
eU-E
I = СТа ехр--s-
кТ
(8.12)
где С — постоянная, а а для реальных приборов лежит обычно в пределах 1,5... 2,3. Из
этой формулы следует, что прямое напряжение при заданном прямом токе зависит от
температуры в общем случае нелинейно:
U(T) = - —-а—1пГ+—In
ее е
(8.13)
Нелинейность температурного коэффициента напряжения (ТКН) определяет-
ся первыми двумя членами в приведенной выше формуле, при этом
dU/dT= - (2...4) мВ/K, d2 U/dT2 = - 0,89... 1,11 мкВ/ К2.
Практический интерес представляет и рассмотрение обратной ветви ВАХ. Не
вдаваясь в подробности детального теоретического анализа физических процессов
вблизи напряжения пробоя, отметим лишь основные моменты.
Во-первых, напряжение пробоя UBубывает с ростом уровня легирования, суще-
ственно зависит от характера распределения примеси (резкий или плавный рп-
переход), а также от ширины запрещенной зоны.
Во-вторых, температурный коэффициент напряжения пробоя составляет, как
правило, 10-3... 10-4 % / К и резко убывает с уменьшением U*, при этом в области
туннельного пробоя происходит изменение знака ТКН.
Типичные значения температурных коэффициентов для типичных излучаю-
щих приборов приведены в таблице 8.4.
Таблица 8.4. Температурные зависимости коэффициента изменения
мощности (Ки) излучения и прямого напряжения смещения.
Прибор Тип Материал Am, нм dUv/dT,мВ/K K,K=— , %/K “ “ Iv dT
АЛ112 сид AlGaAs 0,68 - —1,3 ± 0,5
AJI112 сид GaP:(Zn,O) 0,7 -0,5... -3 -0,5
АЛ 104 сид SiC 0,58...0,7 - +0,8 ±0,2 (7=300 K)
0(7=330 K)
АЛС324 ПЗСИ GaAsP 0,65 -0,6 (7> 330 K)
АЛС323 ПЗСИ GaAsP 0,66 -0,8 ± 0,2
АЛС321 ПЗСИ GaP:N 0,56 -1,2 ±0,2
АЛС343А-5 лш GaAsP 0,66 —2 ± 0,5
Примечение: ПЗСИ — полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы, ЛШ-линейная шкала.
Обращает на себя внимание тот факт, что в ряде случаев (например у приборов
на основе SiC) температурная зависимость эффективности излучения имеет немо-
нотонный характер, при этом Ки может принимать как положительное, так и отри-
цательное значение.
Рис. 8.14. Температурные зависимости силы
света СИД на основе: 1 — GaP.Al, 2 — GaP:N,
В общем случае в излучающих полу-
проводниковых приборах реализуется
т.н. нормальная (т.е. типичная) темпе-
ратурная зависимость мощности излуче-
ния (Ки < 0). В то же время в ряде случаев
может наблюдаться и аномальная тем-
пературная зависимость этого парамет-
ра (Ки > 0), что иллюстрируется рис. 8.14.
Возможность управления ТКИ в
том числе до уровня, близкого к 0 со-
здает физико-технологические предпо-
сылки разработки прецизионных ис-
точников излучения. К сожалению, в
рамках этой книги мы не имеем возмож-
ности более подробно остановиться на
этом вопросе и отсылаем читателя к об-
зорам, приведенным в конце главы.
Специфика СИД и ПЗСИ (исполь-
зование не радиометрической, а фото-
метрической системы единиц) вызывает необходимость одновременного учета тем-
пературной зависимости изменения как мощности излучения, так и длины волны.
Для температурного коэффициента силы справедливо следующее соотношение:
i dP 1 а
----/ч--~---/ч-- । -/ч----/ч---
“ L dT Р dT И dT'
v л т
(8.14)
Рис. 8.17. Спектральные зависимости фун-
кции видности Vk (Л) (кривая 1) и
/= dV /dA (кривая 2).
где Ка(2) - стандартная кривая видно-
сти.
Спектральные зависимости функ-
ции видности Ка(2) и f=dVJdA иллюс-
трирует рис. 8.17.
С учетом зависимости dVJdA (рис.
8.15) и значения dVJdA >0 видно, что
при 2ш>555 нм (максимум кривой вид-
ности), VJdA < 0 происходит увеличе-
ние
1 dIv
— х—-
I dT
по сравнению с
1 dP
— х--
Р dT
при этом вклад второго члена растет с А
и в красной области спектра он может
превышать 0,3 %/К. В области же
А< 555 нм —х
V,
dV, dAm
—^-Х 2-
d dT
> 0 и вклад
второго члена противоположен
1 dP
— х--
Р dT
, что приводит к уменьшению
1 dlv
— х—-
по сравнению с
1 dP
— х —
Р dT
Как видно из приведенных в таблице 8.4 данных абсолютное значение температурно-
го коэффициента силы света для серийно выпускаемых приборов составляет 0,5... 2 %.
8.5.1.2. Фотоприемники
При рассмотрении влияния температуры на характеристики фотоприемников бу-
дем следовать результатам теоретического и экспериментального исследования,
проведенного в работе [16].
В общем случае спектральную зависимость фоточувствительности можно пред-
ставить в виде суперпозиции трех составляющих, соответствующих фотогенерации в
p-области, ОПЗ и «-области.
Проанализируем спектральную зависимость фоточувствительности в этих трех
интересных с практической точки зрения областях:
aLn« 1 (область!),
aLn « 1 (область II),
aLn» 1 (область III)
(8.15)
(8.16)
(8.17)
где а (Л) и Ln — соответственно коэффициент поглощения и диффузионная длина носите-
лей.
Как показывает теоретический анализ, спектральная зависимость фоточувстви-
тельности рл-переходов в области I повторяет спектральную зависимость коэффици-
ента поглощения, при этом спектральная зависимость фоточувствительности имеет
куполообразную форму с экстремумом, определяемым выражением а (Л) d = 1.
В целом, в случае тонкихрл-переходов спектральная зависимость близка к П-
образной характеристике.
Ключевыми параметрами, которые будут нас интересовать, являются спектраль-
ная зависимость коэффициента поглощения используемого полупроводникового ма-
териала, диффузионная длина носителей заряда и толщина p-области d.
Как показано в работе [ 16] для спектральной зависимости температурного коэффици-
ента фоточувствительности (ТКЧ) ФД на основе как прямозонных, так и непрямозонных
полупроводников, в первом приближении, может быть использовано соотношение:
(8.18)
Из приведенного соотношения следует, что спектральная зависимость темпера-
турного коэффициента чувствительности (ТКЧ) носит резонансный характер, при
этом указанный параметр в длинноволновой области положителен, имеет достаточ-
но большую величину и спадает с уменьшением длины волны, стремясь к нулю.
Следует отметить, что в ряде случаев может наблюдаться инверсия ТКЧ, при
этом инверсия ТКЧ может иметь место в области II, а ее спектральное положение
определяется соотношением:
a da „ a2 dLn , \ da Т dL da
— х — хdL ч х —-хdч------х£ +ах —
2 dT " 2 dT 2 dT p dT dT
-°. (8.19)
В области III величина ТКЧ определяется соотношением:
1 dS.
— х—-
dT
2 - ехр(- ad)
(8.20)
Присутствие в этом выражении члена ехр(-аd) показывает, что в общем случае спек-
тральная зависимость ТКЧ в области III имеет немонотонный характер, определяемый
Рис. 8.18. Спектральные зависимости (а)
фоточувствительности (кривые 1,2), ТКЧ
(кривая 3) для ФД на основе GaAs06 Р04 при
U , равном нулю (кривые 1, 3) и 5 В (кри-
вая 2),а также энергетические зависимос-
ти фототока (б) в длинноволновой области
спектра при температуре 300 К (кривая 1) и
77 К (кривая 2) [16].
характером спектральной зависимости ко-
эффициента поглощения.
Перейдемтеперькэксперименгальным
данным, позволяющим оценить величину
ТКЧ в различных спектральных областях.
Рассмотрение проведем с использованием
экспериментальных данных для ФП на ос-
нове эпитаксиальных структур твердых ра-
створов в системе In—Ga-4у-Р(рис. 8.18).
Как видно из представленного рисун-
ка, спектральная характеристика ФД на ос-
нове GaAsP, оптимального с точки зрения
фотометрических и люксметрических ус-
тройств, перекрывает спектральный диа-
пазон от ультрафиолетовой (X =195 нм) до
красной (X = 765 нм) части спектра.
Приложение обратного смещения
= 5 В приводит к возрастанию фото-
чувствительности и смещению спектраль-
ной характеристик в красную область спек-
тра (кривые 1,2 на рис. 8.18).
Из представленного рисунка также
видно, что спектральная характеристи-
ка ФД имеет немонотонный (резонанс-
ный) характер, при этом вблизи Eg ТКЧ
достигает своего максимального значе-
ния, что согласуется с результатами те-
оретического анализа. Уменьшение
длины волны сопровождается уменьшением ТКЧ, при этом в области максималь-
ной чувствительности человеческого зрения величина ТКЧ составляет 0,1... 0,3 %/ °C.
В синей области спектра наблюдается инверсия знака ТКЧ при сохранении его
малой абсолютной величины.
С точки зрения обоснования резонансного характера спектральной зависимо-
сти ТКЧ представляет интерес детальный анализ зависимости ТКЧ в области энер-
гий hv < Eg (рис. 8.16). Из этого рисунка видно, что S (1) в области энергий меньше
ширины запрещенной зоны повторяет зависимость a (hv) , следующую правилу
Урбаха a (hv) - exp [(hv — Eg)/\] с характеристической энергией До = 30 мэВ, кото-
рая практически не зависит от температуры. В рассматриваемом случае ТКЧ в длин-
новолновой области спектра имеет величину >1 %/ °C, что близко к его экспери-
ментальному значению.
Для ряда практических применений, в частности в СЭ, важной характеристи-
кой является напряжение холостого хода CZ^, величина которого определяется вы-
ражением:
(8.21)
где: А — константа, &1т — темновой ток ФД.
Величина в рассматриваемом случае превышает аналогичное значение это-
го параметра для фотоприемников на основе Si при тех же уровнях освещенности,
при этом с повышением температуры наблюдается закономерное уменьшение со
скоростью dU/ dt = — 1 мВ / К.
Подобно кремнию фосфид галлия является материалом с непрямой структу-
рой энергетических зон. Эти приборы представляют интерес как приемников из-
лучения в ультрафиолетовой области спектра. Возможность управления спект-
ральной характеристикой за счет изменения толщины p-области позволяет также
решить одну из задач разработки фо-
топриемников для колориметрии.
Типичные спектральные зависимо-
сти фоточувствительности и ТКЧ рп-
структур фосфида галлия представлены
на рис. 8.19.
При достаточно большой толщине
p-области зависимость Sk (X) имеет вид,
близкий к гауссиану, при этом ее мак-
симум располагается при X = 500 нм
(кривая 1). Уменьшение толщины d
1 мкм приводит к смещению максиму-
ма спектральной характеристики до
X т = 455 нм, при этом заметной стано-
вится затяжка спектра в длинноволно-
вую область спектра (кривая 2).
Рис. 8.19 Спектральные зависимости фо-
точувствительности (кривые 1, 2,) и ТКЧ
(кривая 3) ФД на основе GaP при толщине
р-слоя 10 (кривая 1) и 1 мкм (кривая 2).
Кривая 4 — колориметрическая кривая
К(л) [16].
Это приводит к тому, что спектральные характеристики ФД становятся близкими
по форме к колориметрической кривой Vz (2) (кривая 4).
Спектральная характеристика ТКЧ для фотодиодов на основе GaP подобна (кри-
вая 3) аналогичной характеристике для ФД на основе GaAsPn имеет немонотонный
характер, при этом максимальное положительное значение этого параметра дости-
гается вблизи Е.
g
8.5.2. Деградационные явления
Одной из проблем твердотельных микроэлектронных приборов, в особенности ра-
ботающих в достаточно напряженных режимах (большая величина тока, высокая
температура окружающей среды и т. д.) является изменение их характеристик в про-
цессе эксплуатации. В правильно спроектированных приборах и при надлежащем
выборе условий эксплуатации эти процессы носят плавный характер. В этом случае
говорят о параметрической деградации (в отличие от катастрофических отказов).
Оставляя в стороне детальное рассмотрение физических аспектов, мы отсылаем
заинтересованного читателя к обзорам, ссылка на которые приведена в конце главы.
Отметим лишь, что и в рассматриваемом случае могут проявляться аномальные
процессы, связанные не с ухудшением, а с улучшением характеристик приборов в
процессе их эксплуатации.
8.5.2.1. Излучающие приборы.
Упомянем кратко основные физические модели, объясняющие проявление деградации.
В модели Года-Вайсберга предполагается [17], что необходимая для процесса
дефектообразования энергия выделяется при многофононной безызлучательной
рекомбинации на глубоких уровнях. В частности, энергия может быть передана
атому, в частности акцепторной примеси Zn, способствуя его переводу из узлового
в междоузельное положение. Это, в свою очередь, приводит к изменению зарядо-
вого состояния и увеличению скорости безызлучательной рекомбинации. Одно-
временно с этим может происходить и возрастание излучательного времени жизни
из-за дезактивации рекомбинационных центров Zn.
Альтернативная модель параметрической деградации — диффузия дефектов в
рл-структуре, частным случаем которой является механизм Лонжини [18]. В пря-
мосмещенномрл-переходе напряженность электрического поля недостаточная для
разрушения примесных комплексов,но в то же время она достаточна для диффузи-
онно-дрейфового перераспределения подвижных примесей и дефектов.
Представляется логичным механизм деградационных явлений, который, по-
видимому, должен учитывать достоинства обеих моделей и непротиворечиво их
объединять. Заинтересованного в этом вопросе читателя мы отсылаем за более де-
тальными данными к монографии О.Н. Ермакова и В. П. Сушкова «Полупровод-
никовые знакосинтезирующие индикаторы».
Если исходить как из основной посылки, что за деградацию излучательных
характеристик излучающих приборов ответственна дезактивация акцепторных при-
месей, переводимых в междоузельное положение, то в этом случае, следуя логике
упомянутой монографии, мы можем записать выражение для временной эволю-
ции относительной концентрации дырок в структурах с эпитаксиально выращен-
ным рл-переходом, в следующем виде:
= |ехр - — -ах ехр
О
п
J„L„
J п п
где а = 2а
параметр, который в обобщенном виде характеризует ре-
жим наработки, при этом t,jn — соответственно длительность и плотность
прямого тока накачки.
В случае кристаллов с диффузионным переходом можно получить аналогич-
ное выражение:
ехр -2а|Еи|ехр -
где по аналогии с выращенным переходом а = 2а
J п п
eD.
(8.22)
t, при этом а — вероят-
ность перехода атома акцепторной примеси в междоузельное положение, Еп — нор-
мализованное тормозящее электрическое поле в активной области толщиной da.
Результаты расчетов с учетом приведенных выше формул иллюстрирует рис.
8.20.
Различный характер временной эволюции нормированной концентрации ды-
рок в ^-структурах, изготовленных раз-
личными способами, еще раз показыва-
ет технологические возможности для ре-
шения проблемы деградации.
Экспериментальные данные по
временной эволюции излучательных
характеристик излучающих приборов
согласуются с результатами данных
моделирования, приведенных на рис.
8.20, что иллюстрируется рис. 8.21.
С учетом того, что как правило, в
приборных структурах присутствуют как
специально введенные примеси, так и
дефекты, а также т. н. фоновые приме-
си, процесс деградации может носить
многостадийный характер, включая ста-
дии быстрой и медленной деградации.
Рис. 8.20. Зависимости эффективной плот-
ности дырок от параметра наработки для
излучающих кристаллов с выращенным
(кривая 1) и диффузионным переходами
(кривая 2).
На первом этапе может имеет место эффект диффузии точечных междоузельных
атомов и их ассоциации с образованием новых центров излучательной и безызлу-
чательной (ЦБР) рекомбинации. Можно предположить, что в этом случае рост
концентрации ЦБР и донорно-акцепторных пар происходит не только в обеднен-
ном слое, но и во всей активной области. При этом усилению процесса деградации
способствует присутствие различных макро- и микронесовершенств, в частности,
локальных сужений рп-перехода и высокоомных областей вблизи рп-перехода.
Сильный локальный перегрев может приводить к термическому распаду ЦБР,
что в свою очередь, может обусловливать уменьшение плотности туннельно-ре-
комбинационных составляющих и возрастанию мощности излучения приборов на
первом этапе деградации. Вторая стадия деградации характеризуется развитием
ДТЛ, благодаря интенсивной безызлучательной рекомбинации через ЦБР, сопро-
вождающейся генерацией вакансий и дислокаций вакансионного типа. Образова-
ние достаточно большой концентрации вакансий на третьем этапе деградации уси-
ление диффузии различных примесей и облегчают фототермический распад до-
норно-акцепторных пар.
В связи с тем, что вопрос о температурной зависимости скорости деградации
имеет важное практическое значение, остановимся на нем более подробно.
Накопленный к настоящему времени большой экспериментальный и теоре-
тический материал показывает, что тепловые эффекты в основном определяют
изменение характеристик излучающих приборов в процессе наработки, что и ил-
люстрирует рис. 8.21. Процесс деградации носит активационный характер и мо-
жет быть описан энергией активации Еа
Рис. 8.21. Зависимости силы света СИД на
основе GaP, нелегированного азотом (кри-
вые 2,4 и In0 3 Ga0 7 Р (кривые 1,3) от време-
ни наработки при 11 = 50 А / см2 и Т= 25 °C
(кривые 1,2) и 75 °C (кривые 3,4)
[19, 20].
При анализе температурно-зависи-
мых процессов деградации целесообраз-
но разбить их на две основные группы:
процессы, связанные с развитием струк-
турных дефектов в виде ДТЛ и ДТТ и про-
цессы, связанные с однородной дегра-
дацией.
В первой группе причиной необра-
тимого изменения излучательных харак-
теристик приборов являются механи-
ческие напряжения, возникающие
вследствие различия температурных ко-
эффициентов сопрягающихся слоев в
структур. Как и следовало ожидать, тем-
пературная зависимость скорости дегра-
дации имеет немонотонный характер.
При температуре испытаний выше 450 К
она положительна и составляет 0,52 эВ, в
то время как при Т< 450 К Еа отрицатель-
на и составляет —0,1... —0,3 эВ. В то же
время в структурах без подложки процесс деградации характеризуется во всем темпе-
ратурном диапазоне положительной энергией активации, составляющей 0,25 ... 1
эВ. [20]
Было установлено, что скорость развития ДТЛ также имеет немонотонную тем-
пературную зависимость: при Т> 450 К энергия активации указанного процесса
положительна и составляет 0,32 эВ, в то же время при Т< 450 К, Еа = —0,4 эВ.
Аналогичные данные по энергии активации процессов деградации, связанных
с развитием структурных дефектов, для приборов на основе других соединений
представлены в таблице 8.5.
Таблица 8.5. Энергия активации процесса деградации в СИД на основе А3 В5.
Соединения Легирующая примесь Ea, эВ Механизм
GaP N 0,8 ОД
GaP Al 0,23 ОД
GaAS0} ^0,9 Zn 0,8 ОД
Ga Aso j P0 9 Zn 0,45 ±0,1 ОД
GaAlAs Zn 0,7 ДТЛ
Примечания: ОД — однородная деградация, связанная с диффузионно-дрейфовым переносом,
ДТЛ — деградация, связанная с развитием дефектов темных линий.
В общем случае скорость деградации определяется соотношением:
где: г, г0 (гг0, тг) — соответственно полное (излучательное) время жизни носите-
лей заряда вначале и в момент времени /, Nt — концентрация центров, ответствен-
ных за деградацию.
Температурная зависимость скорости деградации определяется зависимостью
коэффициента диффузии от температуры:
£>(/) = Г>оехр —I (8.24)
\ кТ)
Сильное электрическое поле может изменять энергию активации на величи-
ну еЕ0 d, где Ео — напряженность локального электрического поля, a d — расстоя-
ние между двумя переходами. В качестве центров, ответственных за деградацию,
могут выступать как примесные центры (например, Си), так и сложные комплек-
сы с участием точечных дефектов. Установлено наличие двух стадий деградаций в
СИД, полученных диффузией Zn в эпитаксиальные структуры на основе GaP и
GaAsP. При этом быстрая стадия деградации наступает по истечение времени г,
Рис. 8.22. Спектры ИЭЛ СИД на основе
GaP до испытаний (кривая 1) и после нара-
ботки в течение 200 (кривая 2) и 1000 часов
(кривая 3) в режиме ПЭЛ при плотности тока
У=35А/см2, Г= + 85 °C [19].
Рис. 8.23. Зависимость изменения мощно-
сти излучения СИД на основе GaP от вре-
мени наработки в режиме ПЭЛ при темпе-
ратуре окружающей среды 55 (кривая 1),
85 °C (кривая 2) и j = 35 А / см 2.
продолжительность которого уменьша-
ется с увеличением концентрации до-
норной примеси. Проведенный анализ
позволил приписать вторую стадию дег-
радации образованию комплексов на
основе Znr К.
Ga г
Проведенное выше рассмотрение,
как представляется, подготовило почву
для анализа такого интересного явле-
ния, как аномальная деградация, т. е.
возрастание мощности излучения в
процессе наработки. В дальнейшем бу-
дем следовать результатам комплексно-
го (теоретического и эксперименталь-
ного) исследования деградационных яв-
лений в СИД на основе широкозонных
соединений в системе In—Ga—Р—As
[19].
Чрезвычайно интересные процессы
развиваются в СИД на основе GaP, ра-
ботающих в режиме пробойной элект-
ролюминесценции (ПЭЛ). В рассмат-
риваемом случае область протекания
тока локализуется в ограниченном чис-
ле участков (микроплазм) диаметром
1...2 мкм, при этом максимальный ток
через отдельную микроплазму состав-
ляет 100 ... 150 мкА, а напряженность
электрического поля в рп-переходе со-
ставляет Е= 105... 106 В / см.
Спектры инжекционной электро-
люминесценции (ИЭЛ) в режиме пря-
мого смещения носят сложный харак-
тер и содержат целую серию полос, что
иллюстрируется рис. 8.22.
В рассматриваемом случае до испы-
та-ний краевая полоса с максимумом
при Я = 552...555 нм имеет существен-
но меньшую полуширину по сравнению
с краевой полосой люминесценции в
СИД на основе GaP насыщенного зеле-
ного цвета свечения и связана с излуча-
тельной рекомбинацией экситонов,
связанных на нейтральных донорах.
Энергетическое положение пололосы В, доминирующей в красной области
спектра (X = 720 нм) отличается от положения полос, соответствующих излуча-
тельной рекомбинации на (Zn-О)-комплексах (X = 700 нм)и рекомбинации носи-
телей заряда через с участием (5/^-5/^-пар. Ранее аналогичная полоса, наблюдав-
шаяся в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) GaP, выращенного методом Чохраль-
ского, приписывалась излучательной рекомбинации через глубокие центры, пред-
ставляющие собой комплексы из вакансий галлия и донорной примеси.
Природа полосы Св ближней ИК-области (X = 920... 930 нм) также по-видимо-
му, связана с рекомбинацией через глубокие вакансионно-примесные комплексы.
Характер изменения мощности ИЭЛ в процессе наработки в режиме ПЭЛ но-
сит сложный многостадийный характер (рис. 8.23).
Вначале наблюдается слабое монотонное уменьшение мощности излучения
(кривая 1 на рис. 8.23). При t = 60 ч зависимость выходит на насыщение и начина-
ется первый этап аномальной деградации, характеризующийся возрастанием мощ-
ности излучения. При t = 800 ч участок аномальной деградации выходит на насы-
щение, которое сопровождается слабым уменьшением мощности излучения. По
истечение 2000 ч начинается второй этап аномальной деградации, характеризую-
щийся дальнейшим возрастанием мощности излучения.
Следует отметить, что в ходе наработки вследствие проявления процесса ано-
мальной деградации может происходить очень значительное (до 300 %) возраста-
ние мощности ИЭЛ.
При сохранении качественного характера временной эволюции мощности ИЭЛ
в процессе наработки в режиме ПЭЛ повышение температуры окружающей среды
приводит к существенным количественным изменениям рассматриваемого про-
цесса (кривая 2 на рис. 8.23).
В рассматриваемом случае также наблюдается сложный характер процесса дег-
радации, при этом основное отличие заключается в том, что характерный времен-
ной масштаб, в течение которого протекают указанные этапы, существенно сокра-
щается.
Наряду с отмеченными особенностями временной зависимости мощности ИЭЛ
в процессе наработки в режиме ПЭЛ существенное изменение на различных этапах
процесса деградации претерпевают и спектры инжекционной электролюминес-
ценции.
На первом этапе деградации практически не происходит изменения ни спект-
рального положения ни соотношения интенсивностей образующих спектр полос
люминесценции.
На втором этапе процесса деградации, характеризуемом аномальным возраста-
нием мощности излучения отличительным моментом является появление и разго-
рание новой полосы люминесценции с максимумом в красной области спектра
при X = 670 нм, доминирующей среди других полос люминесценции (кривая 2 на
рис. 8.22), при этом полоса с максимумом при X = 720 нм проявляется лишь в виде
длинноволнового плеча красной полосы люминесценции. Одновременно с мощ-
ностью излучения резко возрастает и сила света и цвет свечения изменяется от
желто-оранжевого до красного.
Дальнейшая наработка приводит к разгоранию новой полосы в ближней ИК-
области с максимумом при X = 900 нм (кривая 3 на рис. 8.22). По-видимому, имен-
но вследствие разгорания указанной полосы люминесценции и происходит экспе-
риментально наблюдаемое аномальное возрастание мощности ИЭЛ на третьем этапе
деградации.
Сложный характер процесса деградации в рассматриваемом случае можно ин-
терпретировать следующим образом. На первом этапе, который можно условно
назвать «инкубационным периодом» происходит распад сложных ваканксионно-
примесных комплексов, сопровождаемый слабым уменьшением интегральной
мощности излучения и миграцией подвижных дефектов. Наибольший интерес
представляют этапы аномальной деградации. В рамках диффузионной модели из
постоянного источника можно в первом приближении описать временную зависи-
мость эффективности следующим образом:
<8-25>
V у! 7uJt )
( Е \
D = Doexp \—± I (8.26)
\ KI J
где L,D — диффузионная длина и коэффициент диффузии
Из приведенных соотношений следует, что временная зависимость изменения
мощности излучения должна иметь один и тот же (независимо от температуры)
характер при выполнении условия Dt = const. Обработка представленных экспери-
ментальных данных дает величину Еа = 0, 45 эВ. В то же время величина этого
параметра для СИД на основе In00J Ga099 Р, In03 Ga0 7 Р и Ga As053 Р047 составляет
соответственно 0,28 эВ, 0,22 эВ и 0,22 эВ.
8.5.2.2. Фотоприемники
Менее жесткие эксплуатационные условия, в которых, как правило, используются фо-
топриемники позволяют предполагать их более высокие ресурсные характеристики. В
[21] проведены достаточно подробные исследования влияния наработки на характе-
Рис. 8.24. Типичные зависимости темно-
вого тока pin- ФД на основе InGaAsP/InP
от времени наработки [21].
ристики ФД на основе гетероструктур
InGaAsP/InP, полученных эпитаксией из
газовой фазы и предназначенных для ис-
пользования в ВОЛПИ. Испытания про-
водились при температуре 100 °C в тече-
ние 4000 ч. Результаты исследования ил-
люстрируют рис. 8.24 и 8.25. [21]
У большинства исследованных при-
боров было обнаружено некоторое уве-
личение темнового тока после эксплуа-
тации в течение 4000 ч. Этот эффект не
может быть связан с поверхностными
явлениями,!, к. использование химичес-
кой обработки не приводило к восста-
новлению исходного значения 1т. Было
обнаружено также, что с увеличением
времени наработки возрастает уровень
шумов приборов. При этом обращает на
себя внимание тот факт, что не проявля-
ется однозначная корреляция между
темновым током и уровнем шумов ФД.
Подробное исследование процесса
деградации планарных pin- ФДддя ВОЛ-
ПИ на основе гетероструктур InGaAsP/InP,
выращенных методом жидкостной эпи-
таксии, было проведено в работе [22]. Но-
минальное напряжение пробоя этих при-
боров до испытаний составляло UB= 30 В.
Было установлено, что в процессе испыта
Рис. 8.25. Типичные зависимости ампли-
туды шумов (1,2)pin- ФД на основе InGaAsP/
InPcyr амплитуды темнового тока.
й у ряда приборов наблюдается постепен-
ное уменьшение ^вплоть до 0. По мере того, как UB приближалось к 10 В (номиналь-
ное напряжение смещения pin- ФД), ток утечки возрастал до 10 нА, что считалось
критерием отказа приборов. В результате анализа отказавших приборов было установ-
лено, что прорастающие дислокации в активной области приборов с малым исходным
током утечки (50 нА) не могут быть источниками локальных микроплазм.
8.5.3. Радиационные эффекты
По-видимому, наиболее жесткие эксплуатационные условия для оптоэлектронных
приборов связаны с проявлением радиационных эффектов.
Основными видами жестких проникающих излучений являются у-кванты, бы-
стрые электроны, протоны и нейтроны. Основными процессами взаимодействия
нейтронов с твердыми телами являются упругое рассеяние на ядрах, приводящее к
их смещению из узлов кристаллической решетки, неупругое рассеяние нейтронов
с передачей части энергии частицы на возбуждение ядра с последующим испуска-
нием у-квантов, а также ядерные реакции, также приводящие к атомным смещени-
ям. Поглощение у-квантов сопровождается проявлением фотоэффекта с поглоще-
нием практически всей энергии и ее передачей фотоэлектронам комптон -эффекта
и эффекта образования электрон-позитронных пар. Взаимодействие высокоэнер-
гетических электронов с твердыми телами характеризуется передачей энергии на
смещение атомов кристаллической решетки в междоузлия (упругое рассеяние элек-
тронов), а также на возбуждение и ионизацию среды.
Специфика проявления радиационных эффектов, вызванных легкими и тяже-
лыми частицами, обусловлена принципиально различным характером нарушений
кристаллической решетки. В то время, как у-кванты и электроны с энергией
меньше 10 МэВ создают точечные дефекты типа пар Френкеля, при взаимодействии
тяжелых частиц могут возникать области разупорядочения типа кластеров.
8,5,3Л Излучающие приборы
Излучающие приборы наиболее подвержены воздействию ионизирующих излучений.
В общем случае облучение высокоэнергетическими частицами флюенсом Ф
приводит к изменению времени жизни носителей в соответствии с соотношением:
^ = 1 + ХгФ, (8.26)
Т
где: — константа радиационного изменения времени жизни.
Как свидетельствуют многочисленные экспериментальные данные, изменение
эффективности излучательной рекомбинации под действием облучения может быть
описано соотношением:
( у
— -1 = ХгФ (8 27)
С учетом эффективности введения радиационных дефектов dNt /(1Ф, характе-
ризующихся сечением захвата неосновных носителей , константа радиационного
изменения времени жизни может быть записана в виде:
„ dN,
<828>
где: vt — тепловая скорость носителей.
Константа сильно зависит от вида проникающей радиации и энергии высоко-
энергетических частиц. Существенно влияют на Кт конкретные параметры полу-
проводниковых материалов, в частности, энергия смещения атома из узла кристал-
лической решетки, которая может быть аппроксимирована соотношением:
Ed « О,895(1О/ао)4’363 ( 8.29)
где а0 — постоянная решетки.
С учетом справедливости закона Вегарда в полупроводниковых твердых раство-
рах А3В5 следовало бы ожидать монотонной зависимости от состава твердых раство-
ров. Вместе с тем результаты ранних исследований радиационных эффектов позво-
лили установить немонотонный характер зависимости этого параметра от состава
твердых растворов х, в соответствии с которым минимальное изменение достига-
лось в промежуточной области составов (х ~ 0,5). Исходя из этого эксперименталь-
ного факта делался вывод о проявлении специфичного для твердых растворов сплав-
ного эффекта, уменьшающего величину по сравнению с бинарными соединения-
ми. По-видимому, наиболее существенным возражением против указанного выво-
да является отсутствие последовательного учета композиционной зависимости вре-
мени жизни.
Подробное исследование влияния быстрых электронов с энергией Ев = 30 МэВ
на характеристики СИД в системе Ga—As—Р проведено в работе [23], результаты
которой представлены на рис. 8.26.
При анализе экспериментальных
данных, полученных для излучающих
приборов, принципиальное значение
имеет учет особенностей зависимости
мощности излучения от напряжения и
ВАХ. В общем случае зависимость мощ-
ности излучения от напряжения на рп —
переходе может быть представлена в
виде:
Рис. 8 .26. Зависимости эффективности из-
лучения от флюенса быстрых электронов в
СИД на основе Ga As06 Р04 (кривая 1), Ga
^0,35 Po,65: N (кРивая 2), Ga As0 I Р09: N (кри-
вая 3) и GaP: N (кривая 4). [23]
Р = К}техр
VkTj-
(8.29)
Вольт-амперные характеристики в
области преобладания диффузионной и
генерационно-рекомбинационной со-
ставляющих тока записываются в виде:
(8.30)
I - К3т 1 ехр
(8.31)
Используя эти формулы можно в явном виде получить выражение для измене-
ния силы света (при I = const) под действием флюенса Ф высокоэнергетических
частиц.
Для диффузионной области ВАХ из приведенных выше соотношений полу-
чаем:
-1 = ^70Ф.
(8.32)
В то же время для области преобладания генерационно-рекомбинационной
составляющей находим:
-1 = *Г7ОФ.
(8.33)
Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 8.26, показывает,
что характер зависимостей для СИД на основе соединений различного состава с
учетом разброса экспериментальных данных практически идентичен.
Рис. 8.27. Кинетика изменения силы света
СИД на основе Ga As035 Р065 во время облу-
чения (кривые 1,3) и после облучения (кри-
вые 2,4) потоком электронов с интенсивно-
стью 1012 см-2 с-1 при времени облучения 10
с (кривая 1) и 30 с (кривая 3) [23].
Результаты исследования кинети-
ки процесса деградации под действи-
ем электронного облучения при ком-
натной температуре СИД на основе Ga
As035 Р065 представлены на рис. 8.27.
Уменьшение силы света диодов в
процессе облучения, обусловленное
введением радиационных дефектов,
сопровождается незначительным ее
увеличением в течение 20 с после окон-
чания импульса быстрых электронов,
что связывается с частичным отжигом
дефектов при комнатной температуре.
В заключение следует сказать не-
сколько слов о влиянии облучения на
свойства конструкционных материалов,
используемых в микроэлектронной
технологии.Установлено, что при флю-
енсе быстрых электронов Ф = 1015 см-3
происходит уменьшение коэффициента пропускания стеклянных баллонов СИД,
при этом в практически важном спектральном диапазоне X = 550 — 750 нм вели-
чина не превышает 15%. При этой же величине Ф изменение оптического про-
пускания компаунда (X = 550 нм) может составлять 30 — 40 %.
8.5.3. 2. Фотоприемники
Важность проводимого далее рассмотрения влияния радиационных эффектов
на характеристики фотоприемников обусловлена тем, что этот класс оптоэлек-
тронных приборов широко используется в бортовых системах космических ап-
паратов.
Наше рассмотрение начнем с pzn-ФД на основе InGaAs [24]. Воздействие
потока нейтронов с энергией 1 МэВ приводит к деградации фотоэлектрических
характеристик приборов, что иллюстрируется рис. 8.28.
Как и следовало ожидать воздействие быстрых нейтронов приводит к возра-
станию темнового тока (рис. 8.28 а) и уменьшению фоточувствительности при-
боров (рис. 8.28 б).
Аналогично излучающим приборам для описания радиационных эффектов
обычно используют коэффициенты радиационного повреждения, связанные с
темновым током (KD) и фототоком в условиях засветки (Kf)9 при этом обычно
используется соотношение:
/о(Ф) = /д(0) + Коф (8.34)
Здесь: X — флюенс быстрых частиц, ID — темновой ток до и после радиационно-
го воздействия с флюенсом Ф.
Рис. 8.28. ВАХ (а) и зависимости фототока от энергетической освещённости
р/л-ФД на основе InGaAs (б) до и после воздействия нейтронного
облучения с различной величиной флюенса.
Данные по величине коэффициентов повреждения дляр/л-ФД на основе InGaAs
приведены в таблице 8.6.
Таблица 8.6. Коэффициенты радиационного повреждения р/л-ФД на основе
InGaAs при воздействии нейтронов с энергией 1 МэВ и
электронов с энергией 1 МэВ.
Тип частиц
Нейтроны Электроны 8,2х10~21 3,8х10-23 8,1х10-2° 3,5х10-22
Из представленных данных следует, что соотношение коэффициентов повреж-
дения для темнового тока и фототока под воздействием потока быстрых нейтронов
и электронов составляет соответственно 215 и 231.
Результаты расчета концентрации атомов различного типа, смещенных из уз-
лового положения, приведены в таблице 8.7.
Таблица 8.7. Концентрация атомов различного типа, смещенных из узлового
положения под воздействием потока быстрых нейтронов и электронов с энергией 1 МэВ.
Тип частиц Концентрация смещенных атомов, см-3 Индий Галлий Мышьяк
Нейтроны Электроны 4,4 3,6 8,4 3,1х10'3 3,0хЮ-2 3,0х10'3
Рис. 8.29. Спектральные зависимости фо-
точувствительности СИ7Р-фотоприёмников
на основе AlGaAs/GaAs до и после воздей-
ствия высокоэнергетических протонов с
различным уровнем флюенса.
10 МэВ оказывают вдвое более сильное в
Результаты исследования воздей-
ствия высокоэнергетических частиц
(протонов, Х-частиц, ионов кислорода)
с энергией, варьируемой в диапазоне от
0,8 до 30 МэВ на характеристики кван-
тово-размерных тепловизионных фото-
приемников (QWIP) на основе AlGaAs/
GaAs приведены в работе [25].
Спектральные зависимости фото-
чувствительности фИТР-фотоприемни-
ков до и после воздействия потоков
протонов с различным уровнем флюен-
са иллюстрируется рис. 8.29.
Следует отметить общую закономер-
ность: при одной и той же энергии высо-
коэнергетических частиц степень воз-
действия сильно зависит от типа частиц.
В частности, Х-частицы с энергией
действие по сравнению с протонами той
же энергии.
8.6. Физико-технологические предпосылки
новых оптоэлектронных направлений
Как следует из предыдущего раздела, применение оптоэлектронных приборов в
экстремальных условиях ставит целый ряд проблем, от успешного решения кото-
рых зависит развитие новых оптоэлектронных направлений в том числе таких,
как прецизионная, высокотемпературная и радиационно-стойкая оптоэлектро-
ника.
Мы уже отмечали, что в действительности все рассмотренные выше деста-
билизирующие факторы при определенных условиях могут приводить как к ухуд-
шению, так и к улучшению (аномальные эффекты) характеристик оптоэлектрон-
ных приборов.
В основе такого двоякого характера проявления рассмотренных эффектов ле-
жит сложное переплетение как физических (ширина запрещенной зоны, тип зон-
ной структуры, электрон-фононное взаимодействие и т.д.), так и технологичес-
ких (тип и характер примесного легирования, присутствие дефектов структуры, в
том числе дислокационной, величина механических напряжений в структуре и т.
д.) факторов. При этом первостепенное значение имеет понимание и умение
управлять локальными эффектами как в полупроводниковых материалах, так и в
оптоэлектронных приборах на их основе. На этом пути уже обнаружено много
интересных эффектов, другие же еще ждут исследователей.
Рассмотрим кратко некоторые физические и технологические аспекты этой
проблемы.
8.6.1. Физические аспекты
К сожалению, ограниченный объем книги не позволяет детально рассмотреть возмож-
ные пути решения поставленных проблем. Достаточно подробное рассмотрение затра-
гиваемых вопросов приведено в обзорах, ссылки на которые приведены в конце главы.
Отметим лишь некоторые из разработанных к настоящему времени подходов. Для реа-
лизации приборов прецизионной оптоэлектроники могут быть использованы:
• баланс различных механизмов излучательной рекомбинации с нормальной (НТЗ)
и аномальной (АТЗ) температурной зависимостью мощности излучения;
• собственная экситонная излучательная рекомбинация с поглощением и испус-
канием фононов в непрямозонных материалах;
• излучательная рекомбинация в переходной области составов твердых растворов;
• эффекты зонной структуры, рассмотренные в главе 1;
• люминесценция с участием «горячих» носителей с высокой электронной температурой.
Достаточно отметить, что перечисленные подходы уже в настоящее время обес-
печивают реализацию излучающих приборов с ТКИ менее 0,1 %/К при одновре-
менной высокой долговременной стабильности (уход мощности в течение десят-
ков тысяч часов менее 10 %).
То же самое относится и к специализированным фотоприемникам с широким
диапазоном линейности, обладающим высоким ресурсом, ТКЧ менее 0, 05 %/°С.
Из изложенного ранее представляется естественным сделать некоторые выво-
ды и для высокотемпературной оптоэлектроники:
• во-первых, для реализации приборов этого направления предпочтительно ис-
пользование широкозонных материалов;
• во-вторых, в этом случае принципиальное значение приобретает различие тем-
пературных коэффициентов сопрягающихся материалов (в случае многослой-
ных структур).
С учетом сказанного особый интерес представляет карбид кремния - матери-
ал, с которого, собственно, и началась история современной оптоэлектроники. В
течение прошедших десятилетий технология этого материала не прекращала раз-
виваться. Хотя этот материал обладает непрямой структурой запрещенных зон, на
его основе, тем не менее получены достаточно эффективные СИД голубого цвета
свечения, а также фотоприемники УФ-диапазона спектра. К тому же большой ин-
терес этот материал представляет для разработки высокотемпературных ИС, спо-
собных функционировать вплоть до температуры 500 °C, что втрое превышает пре-
дельную температуру для традиционных приборов на основе кремния [26].
В число первых применений приборов на основе [26] входят датчики, способ-
ные работать в температурных условиях, создаваемых системами с двигателями сго-
рания (начиная с автомобилей и кончая реактивными двигателями). Такие датчи-
ки способны контролировать температуру и степень сгорания топлива, направляя
поток данных системам обработки сигнала. По данным [26] уже разработаны дат-
чики, способные работать при температуре 350 °C. Одновременно с этим карбид
кремния представляет очень большой интерес для радиационно-стойкой электро-
ники, что позволяет нам перейти к проблемам этого направления.
При рассмотрении проблем радиационно-стойкой оптоэлектроники первосте-
пенное значение имеет вопрос об устойчивости как самой кристаллической мат-
рицы, так и профиля распределения примесей, используемых для формирования
переходов. Мы уже упоминали, что в экстремальных условиях могут проявляться
ионизационные механизмы, которые могут приводить к смещению атомов из уз-
лов кристаллической решетки.
По-видимому, наиболее жесткие условия реализуются в полупроводниковых
лазерах с электронной накачкой. В то же время анализ современного состояния
развития этого типа приборов показывает, что они достаточно устойчивы к воздей-
ствию быстрых электронов с энергией, меньшей энергии прямого смещения ато-
мов кристаллической решетки [27], что обеспечивает возможность их длительной
эксплуатации.
С точки зрения оценки влияния ионизационных механизмов важна оценка
степени ионизации, необходимой для смещения атома из узла кристаллической
решетки. Проведенные ранее расчеты показывают, например, что в случае бяРдля
смещения атома Р из узла в междоузлие силами электростатического взаимодей-
ствия необходима его трехкратная ионизация. При этом необходимо, чтобы состо-
яние многократной ионизации сохранялось в течение времени, необходимого для
смещения аниона в междоузлие. Время же релаксации неравновесного распреде-
ления заряда описывается соотношением:
(8.35)
сг
где 8, с — соответственно диэлектрическая проницаемость и проводимость крис-
талла. Величина тт может иметь достаточно большую величину в высокоомных
кристаллах. Одна из возможностей проявления рассматриваемого механизма в ко-
валентных кристаллах связана с многократной ионизацией глубоких электронных
оболочек, сопровождаемой последующими Оже-переходами, при этом сечение та-
кого ионизационного процесса дефектообразования может составлять 10-25 —10 27
см2. В то же время следует отметить, что вероятность ионизационного смещения
узловых атомов решетки невелика, что и определяет эксплуатационные характери-
стики полупроводниковых лазеров с электронной накачкой.
Все сказанное выше относилось к атомам матрицы. В то же время другое заря-
довое состояние легирующих примесей, используемых при формировании при-
борных структур, позволяет предположить, что именно в случае примесных атомов
вероятность проявления ионизационного механизма будет существенно выше.
Специального рассмотрения заслуживает вопрос о проявлении радиационных
эффектов в многоэлементных приборах, к числу которых относятся, в частности,
многоэлементные фотоэлектрические формирователи изображения. В этом случае
принципиальное значение имеет не только усредненное изменение характерис-
тик прибора после радиационного воздействия, но и разброс характеристик между
отдельными пикселами. В среднем степень повреждения кремния, обусловленно-
го потоком протонов пропорциональна количеству энергии, передаваемой вслед-
ствие упругого и неупрогого рассеяния атомов кремния. В то же время
в масштабе микроэлектронных компо-
нентов такая средняя степень радиаци-
онного повреждения является недоста-
точным критерием радиационных эф-
фектов, из-за вариации числа падаю-
щих частиц и флуктуаций их энергии,
что является следствием кинематики
столкновений. Еще раз подчеркнем, что
эта проблема стоит наиболее остро в
случае космических систем отображе-
ния. В особенности сказанное относит-
ся к такому параметру, как темновой ток:
наличие «горячих» пикселов может су-
щественно повлиять на способность оп-
Энергия
5-10 МэВ >30 МэВ
Точечные Однокаскадные I Многокаскадные
дефекты ядеРные ядеРные
v 1 реакции реакции
Рис. 8.30. Радиационные эффекты, сопро-
вождающие облучение пучком протонов.
тоэлектронной системы выявить объект со слабым контрастом, например, слабые
звезды, что имеет принципиальное значение для систем астроориентации.
Схематически радиционные эффекты под воздействием пучка быстрых прото-
нов иллюстрирует рис. 8.30 [28].
Для энергий протонов, представляющих практический интерес с точки зрения
орбитальных спутников, основные радиационные эффекты связаны с осколками
ядерных реакций в результате столкновений с атомами кремния. Как показано на
рис. 8.30, упругое рассеяние кулоновским полем ядер доминирует в области энер-
гии протонов менее 10 МэВ, хотя и при больших энергиях протонов этот механизм
сохраняет свое значение. В то же время при энергии протонов 60 МэВ около поло-
вины радиационных дефектов вызывается неупругим рассеянием на ядрах (меха-
низм, который доминирует при энергии протонов 100 МэВ). Сечение упругого
рассеяния достигает достаточной величины при энергии осколков менее 1 кэВ.
Как уже отмечалось выше, одним из факторов, влияющих на разброс характе-
ристик между пикселами является вари-
ация энергии самих быстрых частиц, что
иллюстрируется рис. 8.31.
Спектры орбитальных протонов,
обусловленных как радиационными по-
ясами Земли, так и солнечными вспыш-
ками, имеют максимум при достаточно
низкой энергии и экспоненциально спа-
дают с увеличением энергии протонов.
Обычная защита космических кораблей
эффективно ослабляет поток протонов
малых энергий, что приводит к спект-
ральному распределению потока прото-
нов в диапазоне от несколько МэВ до
сотен МэВ со средней энергией около
20 МэВ.
Рис. 8.31. Зависимость средней энергии и ее
дисперсии от энергии быстрых протонов. [28]
Дисперсия, 10-6 МэВ2
Рис. 8.32. Гистограмма темновых токов
ФПЗС (61504 пиксела) после воздействия
потока протонов (12 МэВ) флюенсом
4х1010см-2.
Гистограмма разброса величины
темнового тока между пикселами ФПЗС
после воздействия потока высокоэнер-
гетических протонов приведена на рис.
8.32 [28].
Современные статистические мето-
ды обеспечивают возможность теорети-
ческого описания (и предсказания) ре-
зультата воздействия потока быстрых
протонов. Для этого используется мо-
дель, основанная на вероятности ради-
ационного повреждения, в которую
встраиваются расчеты моментов распре-
деления смещения атомов в результате упругих соударений и ядерных реакций. Эта
модель позволяет увидеть, каким образом распределение Пуассона высокоэнерге-
тических осколков ядерных реакций влияет на параметры элементов матричного
прибора.
Эта же модель допускает обобщение: как только определены параметры спект-
ра осколков, может быть построено распределение дефектов в функции типа час-
тиц, флюенса, объема и типа материала.
Следует подчеркнуть, что конкретный вид гистограмм разброса параметров
существенно зависит от особенностей того или иного формирователя изображе-
ния. При этом разработанные к настоящему времени методы статистического ана-
лиза позволяют уже на ранней стадии проектирования устройства предсказать ха-
рактер проявления радиационных эффектов в них. При этом с учетом такого ана-
лиза возможна оптимизация конструкции устройства, которое обеспечивало бы
уровень его устойчивости, ограничиваемый только неизбежными следствиями
физики взаимодействия быстрых частиц с полупроводниковыми материалами.
8.6.2. Технологические аспекты
По-видимому, одним из наиболее впечатляющих примеров, иллюстрирующих важ-
ность понимания локальных эффектов и умения управлять ими, позволившего до-
биться подлинного технологического прорыва в области коротковолновых сверхъяр-
ких СИД, является внешне случайное, но, на самом деле закономерное обнаруже-
ние явления активации люминесценции в структурах нитрида галлия, легирован-
ного акцепторными примесями.
Следует отметить, что работы по нитриду галлия велись много десятилетий.
Долгое время основной причиной, мешавшей разработке технологии высокоэф-
фективных СИД на основе GaN, были трудности получения слоев p-типа проводи-
мости, что ограничивало возможности разработчиков структурами типа m-i-n.
Подлинного прорыва в этом направлении удалось добиться после того, как было
обнаружено явление активации слоев GaN, легированных акцепторной примесью,
в процессе воздействия пучка электронов электронного микроскопа.
В дальнейшем были разработаны
более технологичные методы активации
акцепторной примеси в процессе отжи-
га в инертной атмосфере.
Технологические возможности тем-
пературной активации акцепторной
примеси Mg в GaN иллюстрируют рис.
8.33 и 8.34 [29].
Метод катодолюминесценции явля-
ется чрезвычайно чувствительным мето-
дом, позволяющим выявить, в частно-
сти, изменение состояние легирующей
примеси (в данном случае акцепторной
примеси Mg). Если в структурах, леги-
рованных Mg, но не прошедших проце-
дуру активации, в спектрах низкотемпе-
ратурной катодолюминесценции доми-
нирует полоса В, связанная с излучатель-
ной рекомбинацией на нейтральных до-
норах (рис. 8.33), то в структурах GaN,
легированных Mg и прошедших опера-
цию активации (рис. 8.34), спектры ка-
тодолюминесценции претерпевают су-
щественное изменение, при этом в ко-
ротковолновой области начинает доми-
нировать полоса А (рис. 8.34), связан-
ная с рекомбинацией на акцепторных
центрах Mg.
Другим примером разработанных к
настоящему времени технологических
методов управления локальными эффек-
тами является технология диффузного
Рис.8.33. Спектры катодолюминесценции
специально нелегированного (1,2), легиро-
ванного Mg, но не активированного (3,4) GaN
при 11 = 0,5 А / см и Т= 300 (1,3) и 79 К (2,4).
разупорядочения таких квантово- размерных структур, как сверхрешетки [30]. К
настоящему времени установлен специфический характер влияния диффузии ряда
примесей на стабильность сверхрешеток, проявляющийся в их разупорядочении
при достаточно низких температурах, когда обычное термическое разупорядоче-
ние еще мало. Считается, что разработка диффузионной технологии разупорядо-
чения создает реальные предпосылки для интенсивного развития новых типов при-
боров, так как дает разработчику удобный инструмент для модификации квантово-
размерных структур заданным образом.
Рассматриваемый эффект не может быть объяснен с использованием традици-
онных представлений о механизмах диффузии, предполагающих диффузию ато-
мов акцепторной примеси по междоузлиям.
В основе модифицированной модели диффузионного разупорядочения ле-
жит предположение о том, что атом диффузанта (например Zn) может находиться
в в двух состояниях (в междоузлии и в вакансии). Предоставляя одно из двух
возможных состояний атомам Ga или Л/, атом диффузанта способствует диффу-
зии атомов элементов III группы, тем самым способствуя разупорядочению сверх-
решетки.
Коэффициент взаимной диффузии в сверхрешетке, образованной из чередую-
щихся слоев, например, GaAs и AlAs может быть представлен в виде (8 .36):
D(C,T = D(7’))exp[- (CAI AFaI + CGabFGa )/кТ]. (8.36)
где: AFai, AFGa — свободные энергии образования вакансий в AlAs и GaAs, Экспери-
ментальные данные свидетельствуют о стабильности сверхрешетки вплоть до
900 °C. Втоже время, как было устновлено в работе [31], сверхрешетки легирован-
ные Si до концентрации 1019 см-3, разрушаются при отжиге в течение 2 часов при
температуре 700 °C.
Рис. 8.34. Спектры катодолюминесценции
легированного Mg и активированного GaN
с преобладанием УФ (кривые 1,2) и фио-
летовой люминесценции (3,4)при темпера-
туре Т= 300 (1,3) и 79 К иу = 0,5 А / см2.
Вставка — спектр краевой полосы в рас-
ширенном масштабе.
Помимо примесей Ge и Si усилению
процесса диффузионного разупорядоче-
ния способствуют примеси As, Си, Р, а
также примеси, имеющие большой ко-
эффициент диффузии в GaAs. Для разу-
порядочения сверхрешеток может ис-
пользоваться и метод ионной имплан-
тации с последующим отжигом.
Проявление локальных структурных
и композиционных эффектов может
приводить к возникновению специфи-
ческих механизмов деградации опто-
электронных приборов, обусловленных
явлением массопереноса.
Влияние локальной модуляции соста-
ва на деградационные характеристики све-
тоизлучающих приборов исследовано в
работах [32,33]. Было установлено, что
приборы на основе GaAsP с амплитудой
модуляции AY/Y =0,5...2 % с периодом
модуляции d= 100... 300 нм обладали до-
статочно высоким квантовым выходом
электролюминесценции в то время, как
увеличение до AY/Y5 % приводило к рез-
кому ухудшению эффективности излуче-
ния. Особый интерес представляют дан-
ные по воздействию дестабилизирующих
факторов на эти приборы.
Было проведено исследование трех групп приборов. Первая группа подверга-
лась наработке в течение 5000 часов при плотности тока 5 А/см2. Вторая группа
облучалась потоком нейтронов 1012 см-2 и выдерживалась при комнатной темпера-
туре в течение 5000 часов. Наконец, третья группа подвергалась комбинированно-
му воздействию нейтронного облучения и наработки в течение 5000 часов при j = 5
А/см2. В результате проведенных испытаний эффективность излучения у всех трех
групп приборов диодов снизилась в 3...5 раз. Исследование с помощью метода
просвечивающей электронной микроскопии позволило сделать вывод о том, что
во всех трех группах приборов амплитуда модуляции активной области возрастает,
при этом для приборов первой и второй групп — до 8—10 %, а для приборов третьей
группы — до 15 %. Одновременно с этим было обнаружено размытие профиля мо-
дуляции. На основе данных работы [34] можно сделать следующие выводы: для
твердых растворов Ga Asl x Рх при х = 0,4, d> 100 нм и AY/Y = 1...2 % отмечается
тенденция к увеличению амплитуды модуляции. При J-80 нм и AY/Y= 0,5 % про-
сматривается тенденция к уменьшению амплитуды модуляции, что может объяс-
нить меньшую скорость деградации приборов с малой амплитудой модуляции.
Представляется возможным такое формирование гетерокомпозиций, которое спо-
собно обеспечить их более высокую стабильность.
Приведенные выше примеры лишь иллюстрируют, но далеко не исчерпывают
многообразие современных технологических методов, достойных отдельной кни-
ги. Они лишь лишний раз подтверждают исходный тезис настоящей книги о пло-
дотворности многоуровневого проектирования.
Литература
Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи.— М.:« Додэка». 2001. —380 с.
Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы — М.: Радио и
связь ю 1990. - 239 с.
Аморфные полупроводники / под ред. М. Бродски / пер. с англ, под ред. А.А. Андреева.
М.: «Мир». 1982. - 414 с.
Ермаков О.Н. Влияние температурных эффектов на характеристики полупроводниковых источников
излучения. Часть 1. // Обз. по электрон, технике. — М.: ЦНИИ «Электроника». — 1986. Вып. 5
(1193). - 71 с.
Ермаков О.Н. Влияние температурных эффектов на характеристики полупроводниковых источников
излучения. Часть 2. // Обз. по электрон, технике. - М.: ЦНИИ «электроника». - 1987. Вып. 1
(1254). - 53 с.
Ермаков О.Н. Оптоэлектронные приборы на основе твердых растворов в системе In—Ga—As—Р.
Часть III. // Обз. по электрон. Техн. - М. ЦНИИ «Электроника». 1985. Вып. 6 (1111). - 58 с.
ЕрмаковО.Н. Локальные структурные и композиционные эффекты в физике и технологии
оптоэлектронных приборов. Часть II. // Обз. по электрон, технике. — М.: ЦНИИ «Электроника». —
1990. Вып. 1 (515). - 59 с.
Библиографический список
1. Грехов И.В. // Матер, электрон, эехн. — 2000. № 3. С. 9—15.
2. Marx B.R. Ц Laser focus world. - 1995. V. 31.N 6. Р. 67-72
3. Haferkamp, F. - W. Bach, F. Von Alvenleben // Photon. Spectra. 1996. V. 30. N 5. P. 122-124.
4. Steel R. V. // Laser focus world. - 1999. V. 35.N 11. P. 59-60.
5. Laser focus world. —1999. V 35. N 11. P 119.
6. Laser focus world. — 1999. V. 35. N 11. P. 117.
7. Hecht J. // Laser focus world. - 1999. V. 35. N. 11. P. 81-88.
8. Photon. Spectra. — 1994. V 28. N 5. P 85.
9. Green M.A. // Braz. Journ. of Physics. 1996. V. 26. N 1. P. 137—143.
10. Willeke G., Fath P., Bucher E. // Conf. Rec. 24th IEEE Photovolt. Special Conf. — 1994. V 2. P. 1283—1286.
11. Werner J.H., Breadel R., Quesser H. // Conf. Rec. 24th IEEE Photovolt. Special Conf. — 1994. V.2.
P. 1742-1745.
12. Elstmer L., Conrad E., EschrichH. Ц Phys. Stat. Sol. B. - 1990. V. 194.N 1. P. 79-90.
13. Spence B.R., Marks G. W. Ц Conf. Rec. 24th IEEE Photovolt. Special Conf. - 1994. V. 2. P. 2018 - 2020.
14. Minana J.C., Gonzalez J. C., Zanesco I. // Conf. Rec. 24th IEEE Photovolt. Special Conf. — 1994.
V 1. P. 1123-1126.
15. Adonin A.S., Ermakov O.N. // Proceed. SPIE
16. Ермаков O.H. I/ Электрон. Техн. Сер. 2. — 1989. Вып. 4 (201). С. 99- 108.
17. Gold R.D., Weisberg I.R. Ц Solid St. El. - 1967. V. 7. N 11. P. 811-821.
18. Jordan A.S., Ralston J.M. // 1/ Appl. Phys. - 1976. V. 47. N 10. P. 4518-4527.
19. Ермаков O.H..// Электр. Техн. Сер. 2. — 1990. Вып. 4 (207). С. 73—82.
20. ShimanoN. // J. Appl. Phys. - 1980. V. 51. N 3. P. 1818-1824.
21. Webb P.P., Olsen G.H. Ц IEEE Trans, on El. Dev. - 1983. V. 30.N 4. P. 395-400.
22. Chin A.K., Chen F. S., Ermanis F. // J. Appl. Phys. - 1984. V. 55. N 6. P. 1596-1606.
23. Dimiduk К. C., Ness C. Q., Foley J.K. // IEEE trans. - 1985.V. NS - 32. N6. P. 4010-4015.
24. OhyamatH., \hnhellemont J., Takami Y. Et al. // Semicond. Sci. and Technol. — 1996. V. 11. N 10.
P. 1461-1463.
25. Li L., Liu H.C., Wilson P.H. // Semicond. Sci. and Technol. - 1997. V. 12. n. 8. P. 947-952.
26. Defence Electron. - 1994. V 26. N 12. P. 14.
27. Ермаков O.H., Мартынов B.H. // Мат. электрон, техн. — 2000. № 1. С. 55—64
28. Marshall P.W., Dale C.J., Burke Е.А. // J. Res. Nat. Inst. Stand, and Techn. - 1994. V. 99. N 4.
P. 485 - 494.
29. Ермаков O.H, Александрова Г.А.,Чукичев M.B. // Матер, электрон, техн. - 20001. № 4. С. 67-72.
30. Голоньяк Н. Н. - мл. // ФТП.- 1985. Т. 19. № 9. С. 1529-1556.
31. Kawabe М., Matsura N., Shimizu N. // Jap. J. Appl. Phys. - 1984. V 23. N 8. P. L623-L624.
32. Максимов С. К. // Рост полупроводниковых кристаллов и пленок’. Сборник. Ч. 1.—
Новосибирск: Наука. 1984. С. 75 — 89.
33. Maksimov S. К. // Phys. Stat. Sol. (а). - 1984. V. 83. Р. 685-691.
34. О. Н. Ермаков // Влияние температурных эффектов на рекомбинационные процессы
в полупроводниковых источниках излучения. 4.11. Приборные аспекты:
Обзоры по электрон, техн. Сер. 2. — М.: ЦНИИ «Электроника». 1987. Вып. 1 (1254).— 53 с.
Предметный указатель
Апертура
оптической системы - 345
числовая — 204, 376
Архитектура
гиперкуба - 157
оптического микропроцессора - 156
формирователей
изображения - 279, 285, 308
Бюджет оптический - 349
Волокна оптические
кварцевые — 225
полимерные — 347
на принципе фотонного
кристалла — 228-230
Голограммы — 167
Голография — 263
Деградация
параметрическая — 392-396
аномальная - 396
Драйверы - 151, 328
Законы
Вегарда — 34
Снелля - 94
нормальный логарифмический — 104
Мура — 155
Интерфейсы — 340
Концентрация излучения — 384
Коэффициенты
полезного действия - 377
передачи по току — 332
вывода излучения — 95
оптического увеличения - 96
развязки — 119, 331
преломления - 94
пропускания — 94
затухания в волокне — 225
радиационного повреждения — 403
Люминофоры
катодолюминесцентные — 242, 243, 247
полимерные - 65
антистоксовые — 200-202
Модемы - 339, 340
Модуляторы света
пространственные — 86, 165
с электрической
адресацией (EASLM) - 167
с оптической
адресацией (OASLM) - 167
MEMS - 253
Микрооптика
дифракционная - 161
рефрактивная - 161
Напряжение
холостого хода - 381
гальванической развязки - 331
пробивное - 115
Обнаружительная способность — 104
Параметры
ближнего порядка - 18
дальнего порядка — 18
Правило Урбаха — 391
Режимы
Гейгера - 115-117
статический - 102
мультиплексный - 107, 133
фотодиодный — 102
фотовольтаический — 102
Световоды
волоконные — 225, 347, 228-230
пустотелые - 377
Солитоны - 227
Сопротивление
развязки - 131
дифференциальное — 110
тепловое - 105,172, 173
Суперкомпьютеры — 154
Температурные зависимости
длины волны излучения — 386
мощности излучения — 386
прямого напряжения - 387
силы света — 388
фоточувствительности — 389, 390
Фотонный ристалл — 228-231, 214-217
Флуктуация
состава — 19
ширины запрещенной зоны — 19
фототока — 109
Характеристики
энергетические — 94-97
пространственные — 94-97
спектральные — 97-99
цветовые — 99-100
вольт-амперные — 101
вольт-яркостные — 101
люмен-амперные — 101
Цветовой график МКО - 100
Шумы
дробовой - 108
фотонный дробовой — 109
джонсоновский — 109
низкочастотный — 109
Электролюминесценция
инжекционная — 218-219
пробойная - 218-219
Эффекты
«гость-хозяин» — 250
динамического рассеяния света — 248
твист-эффект — 248
управления полем двойного
лучепреломления — 250
зонной структуры — 22-28
памяти - 250
квантово-размерные — 22-29
Саньяка — 178
Допплера — 178
собственный электрооптический — 238
радиационные — 399-408
температурные — 385-392
Фарадея - 178
фотоупругости - 178
м икрорезонаторные — 64
микронапряжений — 29-32
псевдоморфизма — 190
КНИГИ ИЗДАТЕЛЬСТВА "ТЕХНОСФЕРА" МОЖНО ПРИОБРЕСТИ В ГОРОДАХ:
р Москва
Торговый дом "Библио-Глобус", ул. Мясницкая, 6
Торговый дом книги "Москва", ул. Тверская, 8
"Московский дом книги", ул. Новый Арбат, 8
"Дом технической книги", Ленинский проспект, 40
"Молодая гвардия", ул. Б. Полянка, 28
"Дом книги на Ладожской", ул. Ладожская, д. 8, стр. 1
"Библиосфера", ул. Марксистская, д. 9
"Букбери", Торгово-развлекательный центр "Мега" Калужское шоссе
Никитский бульвар, д. 17, стр. 1
Торговый центр "Галерея Аэропорт", Ленинградский пр., д. 62а
"Дом педагогической книги", ул. Большая Дмитровка, д. 7/5, стр. 1
"Прибор-контакт", ул. Гончарная, д. 38
Московская область
р г. Долгопрудный
Физматкнига, Институтский пер., д. 6а
г г. Зеленоград
"Алекс и К", Панфиловский проспект, к. 1106-6
города России
р г. Санкт-Петербург
"Санкт-Петербургский дом книги", Невский пр., д. 28
"Дом технической книги", Пушкинская пл., д. 2
"Новая техническая книга", Измайловский пр., д.29
г г. Новосибирск
ООО "Топ книга", ул. Захарова, д. 103
г г. Воронеж
"Книжный мир семьи", пр. Революции, д. 58
ИНФОРМАЦИЯ О НОВИНКАХ: www.tech
ЗАКАЗ КНИГ: sales@technosphera.ru
Тел.: (095) 234-0110, факс: (095) 956-3345
Заявки на книги присылайте по адресу:
125319 Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
e-mail: knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс: (095) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес!
Подробная информация о книгах на сайте
http://www.technosphera.ru
Телефон издательства:
(095) 234 01 10
О.Н. Ермаков
Прикладная оптоэлектроника
Компьютерная верстка — Г.В. Зайцева
Дизайн книжных серий — С.Ю. Биричев
Ответственный за выпуск — Л.Ф. Соловейчик
Формат 70x100/16. Печать офсетная.
Гарнитура Ньютон
Печ.л. 26. Тираж 2000 экз. Зак. № 2735
Бумага офсет № 1, плотность 60г/м2 .
Издательство «Техносфера»
Москва, ул. Тверская, дом 10 строение 3
Диапозитивы изготовлены ООО «Европолиграфик»
Отпечатано в ООО ПФ «Полиграфист»
160001 г. Вологда, ул. Челюскинцев, дом 3