§ 8.2. Оптоэлектроника

Оптоэлектроника функционалды электроника мен микроэлектрониканың маңызды аймағы болып табылады. Оптоэлектронды прибор - ақпаратты өңдеу кезінде оптикалықта электрлік сигналды құратын және кері жасайтын құрылғы.

Оптоэлектронды құрылғылардың маңызды ерекшелігі мынада, ондағы элементтер оптикалық байланысқан, ал бір бірінен электрлік бөлектенген. Соған орай, жоғарывольтті және төменгівольтті қиыстырулароңай қамтамасыз етіледі, сонымен қатар, жоғыражиілікті және төменгіжиілікті де.

Оптоэлектроника екі негізгі тәуелсіз бағытты қамтиды – оптикалық және электронды – оптикалық. Оптикалық бағыт электромагнитті сәулеленуі бар қатты дененің әрекеттесу эффектісінде базаланады. Ол голографияға, фотохимияға, электрооптикаға сүйенеді. Оптикалық бағытты кейде лазерлік деп те атайды.

Электронды – оптикалық бағыт бір жағынан ішкі фотоэффект арқылы және екінші жағынан электролюминесценция арқылы қатты денеде жүзеге асырылатын фотоэлектрлік құрылу приципін қолданады. Бұл бағыттың негізінде оптикалықтағы дәстүрлі электронды тізбекте гальваникалық және магниттік байланыстарды алмастыру жатыр. Бұл байланыс каналында ақпараттың беріктігін, тез қозғалысы, кедергіден қорғанысын (помехозащищенность) көрсетеді.

Интегралды микроэлектрониканың басты мәселесі –микросхемалар арасындағы паразитті байланыстардың маңызды азаюы мәселесін шешуге мүмкіндік беретінэлектронды – оптикалық байланысмикроэлектроника үшінқызығушылық тудырады. Оптоэлектронды принципте электронды құрылғы мен жүйенің вакуумсыз аналогтарды құрылуы мүмкін: электрлік сигналдардың дискретті және аналогті түрлендіргіш (күшейткіш, генераторлар, кілттік элементтер, жады элементтері, логикалық схемалар және т.б.); оптикалық сигналдар түрлендіргіш – электронды – оптикалық түрлендіргіштің, электронды – сәулелік түрлендіргіштің берікті аналогтары; ақпаратты бейнелеу құрылғысы (индикаторлы экрандары, сандық тақта және тағы да басқа суретті логиканың құрылғылары).

Оптоэлектрониканың негізгі структуралық элементі оптрон болып табылады. Оптрондарды ішкі (8.3, а-сурет) және сыртқы (8.3, б-сурет) фотонды байланыспен ажыратады. Қарапайым оптрон өз алдына төртполюстілікті білдіреді, ол үш элементтен тұрады: фотосәулелендіргіш 1, световоб 2 және фотоқабылдағыш 3. Кіріске импульс түріндегі электрлік сигнал немесе кіріс тогының сарқырамасын беру кезінде фотосәулелену қозады. Электрлік импульс немесе шығыс тогының сарқырамасы құрылатын фотоқабылдағышқа световод бойынша жарық ағыны түседі. Оптронның бұл түрі электрлік сигналдың күшейткіші болып табылады, ондағы ішкі байланыс фотондық, сыртқы байланыс электрлік.

8.3.- сурет. Ішкі (а) және сыртқы (б) байланысты оптрон:

1, б – жарық көздері; 2 – световод; 3, 4 – жарық қабылдағыштар; 5 - күшейткіш

Электрлік ішкі байланыс және фотонды сыртқы байланысты оптронның басқа түрі жарық сигналдарының күшейткіші болып табылады, сонымен қатар бір сигналды басқа сигналға түрлендіргіш бола алады. Жарық қабылдағыш 4 электрлікте кіріс жарық сигналын түрлендіреді. Соңғысы күшейткіш 5 арқылы күшейеді және жарық көзін 6 қоздырады.

Қазіргі уақытта әртүрлі белгідегі оптоэлектронды құрылғының көп саны өңделген. Микроэлектроникада оптоэлектронды функциональды элементтер қолданылады.

Фотосәулелендіргіштер. Оптоэлектрониканың жарық көзіне миниатюрлық, аз қолданылатын қуат, қызметтің үлкен мерзімі, технологиялық секілді талаптар ұсынылады. Олар жоғары тезқозғалғыштыққа ие болу керек, интегралды құрылғы түріндегі дайындау мүмкіндігін жіберу керек.

Электрондар мен кемтіктердің зонааралық рекомбинациясының механизмі арқылы жарық шығаруы анықталатын инжекционды светодиодтар электролюминесцент көзі ретінде кең таралған.

Егер, р – п ауысуы арқылы инжекцияның жеткілікті үлкен тогын жіберетін болсақ, онда валентті зонадан электрондардың бір бөлігі өткізгіштік зонаға өтеді (8.4 - сурет). Валентті зонаның жоғарғы бөлігінде еркін күй (кемтіктің) құрылады, ал өткізгіштік зонаның төменгі бөлігінде – толтырылған күй (электронның). Мұндай инверсті тығыздық тең болып табылмайды және электрондардың кері ауысуы кезіндегі фотондардың хаотикалық шығаруға әкеп соғады. Бұл кезде р – п ауысуында пайда болатын когерентті емес сәулелер және электролюминесценция болып табылады. Валентті зонаның еркін бөлігіндегі өткізгіштік зонаның толтырылған бөлігінен люминесцентті ауысу кезіндегі фотон тағы бір электронды валентті зонаға көшіре отырып ұқсас фотондардың индукцияланған сәулеленуін шақыра алады. Дегенмен, фотон мұндай энергияда жұтыла алмайды, себебі, төменгі күйі еркін, ал жоғарғы күйі толғандықтан. Бұл, р – п ауысу жиілікке сәйкес келетін энергияның фотондары үшін тұнық. энергиясы бар фотондар керісінше, электрондарды валентті зонадан өткізгіштік зонаға көшіре отырып жұтыла алады. Сол уақытта бұндай энергияларға индукцияланған фотондарды шығару мүмкін емес, себебі, бастапқы күйдің жоғарғы бөлігі толмаған, ал төменгі бөлігі толтырылған.

8.4 – сурет. Инжекционды светодиодтың қозғалыс принципін түсіндіру

Светодиод үшін жақсы материалдарды: галлий, галлий фосфиді, кремний фосфиді, кремний карбиді және т.б. Светодиодтар жоғары тезқозғалғыштыққа ие, бірақ көп ток қолданады. Соңғы кездерде, алюминий - галлий арсениді негізінде светодиодтар жасалды.

8.5. – сурет. Фотодиодтың схемасы және вольт – амперлік сипаттамасы

Жоғары пәк – де кезінде және тез қозғалыс кезінде жіңішке спектральды аймақта жоғары энергияны концентраттауцға мүмкіндік беретін инжекционды лазерлер перспективалық жарық көзі болып табылады. Бұл лазерлерді бір базалық кристаллдағы матрица түрінде интегралды микросхеманың технологиясы жолымен дайындауға болады. Қарапайым инжекционды лазердің кемшілігі мынада, ол, өте төменгі температураға дейінгі салқындатуды қолдану кезінде ғана қолайлы сипаттамаға ие. Қалыпты температура кезінде галий – арсенидті лазер кіші орташа қуатқа, төмен ПӘК – не, аз тұрақтылыққа және қызмет мерзіміне ие.

Фотоқабылдағыш. Электрлікте жарық сигналдарын құруға фотодиодтарды, фототранзисторларды, фоторезисторларды, фототиристорларды және өзге де приборларды қолданады.

Фотодиод р – п ауысудың кері бағытындағы араласуды, ондағы құлаушы жарықтың қозғалысын тудырушы заряд тасушылардың санымен анықталатын қанығудың кері тогын білдіреді (8.5 - сурет). Фотодиодтардың параметрлерін оның тізбегінде ағып жатқан ток арқылы білдіреді. Фотодиодтың интегралды сезімталдығын фототоктың оның жарық ағынын шақырушымен қатынасы ретінде анықтайды. Фотодиодтың сезімталдығының шегін сәулелендірудің сезімтал қабатынсыз тізбектегі ағушы күмәнді (темный) токтың I_dинтегралды сезімталдығының белгілі мәні бойынша бағалайды.

Германий және кремний фотодиодтарға арналған негізгі материалдар болып табылады. Кремнийлік фотодиодтар спектрдің жіңішке (λ=0,6÷0,8 мкм - ден λ=1,1 мкм - ге дейін) аймағында λ=0,85 мкм кезінде максималды сезімтал, германийлік фотодиодтар λ≈1,5мкм кезінде максималды шекаралық сезімталдыққа λ=0,4÷1,8 мкм ие. Кернеу көзі 20 В кезіндегі фотодиодтық режимде кремнийлі фотодиодтың тура тогын (темновой ток) 3 мкА асырмайды, сол уақытта, кернеу көзі 10 В болған кезіндегі германийлік фотодиодтағы секілді 15 – 20 мкА – ге жетеді.

Фототранзисторлар – сезімтал қабаттың сәулеленуі кезіндегі фототокты күшейткіштің қасиеттеріне ие р – п ауысудың екі немесе одан да көп мөлшерлі сәулелік энергияны қабылдағыштарды білдіреді. Фототранзистор өзінде фотодиодтың қасиеті мен транзистордың күшейткіш қасиетін біріктіреді (8.6 - сурет). Фототранзисторлардағы оптикалық және электрлік кірістердің бар болуы энергетикалық сипаттаманың сызықты аймағында жұмыс жасауға керекті орын ауыстыруды тудыруға мүмкіндік береді. Фототранзистордан түсірілетін, кіші сигналдарды табуға арналған кернеу күшейтілген болуы керек. Бұл жағдайда, базада оң жылжытуды тудыра отырып, коллектр тізбегіндегі минималды тура ток кезіндегі ауыспалы токтың шығыс кедергісін үлкейту керек.

8.6 – сурет. Фототранзистордың схемасы мен вольт – амперлік сипаттамасы

Световодтар. Оптрондағы жарықтың көзі мен қабылдаушысының арасында светодиод болады. Светодиод пен өткізгіш ортаның (световод) бөлігінің шекарасынан сәулелену кезіндегі жоғалтуды азайту үшін соңғысы үлкен сыну коэффициентіне ие болу керек. Мұндай орталар иммерсионды деп аталады. Иммерсионды орталар сонымен қатар қабылдағыш пен материал көзіне арналған жақсы адгезияға да ие болу керек, кеңейту коэффициенті бойынша жеткілікті келісіммен қамтамасыз ету керек және жұмыс аймағында тұнық болуы керек. Сыну көрсеткіші 1,8 – 1,9 болатын қорғасынды шыны (свинцовые стекла) және сыну көрсеткіші 2,4 – 4,6 болатын селенді шыны (селеновые стекла) кең таралған болып табылады. 8.7 – суретте иммерсионды световоды бар берік оптронның көлденең қимасы көрсетілген.

8.7 – сурет. Иммерсионды световоды бар берік оптронның қимасы:

1 – планарлы диффузияның қабаты; 2 – селенді шыны; 3 – оптикалық контактілер; 4 – диффузионды мезаструктура; 5 – жарық көзі; 6 – жарық қабылдағыш

8.8 – сурет. Жарықөткізгіш волоконнан кабель түріндегі световод:

1 – жарық көзі; 2 – жарық қабылдағыш; 3 – жарық кабелі

Оптоэлектроникада световод ретінде мөлдір пластмассаларды қолданады. Бұл бағыт волоконды оптика атауын алды. Волоконды светобөлектеуші материалдармен қаптайды және многожильді жарық кабельдерінде біріктіріледі. Олар токқа қатысы бойынша металлдық сымдардың функциясы секілді жарыққа қатысты функцияны орындайды. Волоконно – оптикалықты көмегімен: световолоконның анықталған диаметрлі(1 мкм) рұқсат етілген қабілеттілігі бар кескіннің элемент бойынша жіберуін жүзеге асыруға болады; световодтың волокондарының бұрауы мен иілу мүмкіндігіне орай кескіннің кеңістіктік трансформациясын құрады; айтарлықтай арақашықтағы кескінді беру және т.б. 8.8 – суретте жарықөткізгіш волоконнан кабель түріндегі световоды көрсетілген.

Интегралды оптика. Функционалды микроэлектрониканың перспективалық бағытының бірі интегралды оптика. Ол оптикалық ақпаратты өңдеу мен жіберудің аса өнімді жүйесінің құрылуын қамтамасыз етеді. Интегралды оптиканың зерттеу аймағы кеңейтуді, өзгертуді және диэлектрлік жіңішкепленкалы волноводтар мен волоконды световодтардағы оптикалық диапазонның электромагниттік сәулеленуін күшейтуді іске қосады. Көлемді немесе жоғарғы оптикалық микроволновод интегралды оптиканың негізгі элементі болып табылады. Қарапайым симметриялық көлемді оптикалық микроволновод сыну көрсеткіші бар аймақтың бір немесе екі кеңдік өлшемі бойынша ауыздықталуды (локализованный) білдіреді. Мұндай оптикалықтар диэлектрлік волноводтардың каналы немесе тасушы қабаты секілді берік аймақ.

8.9 - сурет. Тікбұрышты көлденең қимасы бар оптикалық сызықты микроволновод

Симметриялық емес жеңіл - желпі диэлектрлік волноводтың мысалы ретінде оптикалық мөлдір диэлектриктің немесе сыну көрсеткіші бар шалаөткізгіштің жіңішке пленкасы қызмет ете алады. Электромагнитті өрістің локализациялау деңгейі, энергия ағындарының қатынасы, тасушы қабат пен подложканың шыдамдылығы тасушы қабаттың эффективті көлденең өлшемімен және тасушы қабаттың сыну көрсеткішінің .айырмашылығымен және сәулеленудің берілген жиілігі кезіндегі подложкалар. арқылы анықталады. Берік оптикалық құрылғылар үшін микроэлектроника әдісі бойынша (мысалы вакуумдық тозаңдату әдісі) подложкаға қапталған, жіңішке диэлектрлік пленка (8.9 - сурет) түрінде жасалған оптикалық микроволновод салыстырмалы түрде қарапайым және жарамды болып есептеледі. Маска көмегімен диэлектрлік подложкаға дәлдіктің жоғары деңгейлі бүтін оптикалық схеманы қаптауға (наносить) болады. Электроноо - оптикалық литографияны қолдану оптикалық сызықты микроволновод секілді белгілі бір ұзындықта оптикалық байланысты микроволновод жасауда жетістіктермен қамтамасыз етті.

Оптоэлектронды ИМС. Оптоэлектроника негізінде микросхемалардың көп саны жасалды. Отандық өнеркәсіпте шығарылған оптоэлектронды ИМС - ның кейбірін қарастырамыз.

Микроэлектроникада гальваникалық шешімнің оптоэлектронды ИМС - ны кеңінен қолданады. Оларға мыналар жатады: тезқозғалғыш ток аударғыш (переключатель), аналогты сигналдарыдң коммутаторлары, кілттер, аналогты сигналдарды функционалды өңдеу жүйесінде қолдануға арналған аналогты оптоэлектронды құрылғылар.

8.10 - Оптронды пардың схемасы (а) және технологиялық орындалуы:

1 - жарық көзі; 2 - иммерсионды орта; 3 - фотоқабылдағыш

Кез келген оптоэлектронды ИМС - ның негізгі элементі - жарық көзінен 1, кіріс сигналын басқарудан, жарық көзімен оптикалық байланысқан иммерсионды ортадан 2 және фотоқабылдағыштан 3 тұратын оптронды пара. Тұрақты ток бойынша кедергіні , ток жіберу коэффициенті, ауыстыру уақыты және өтпелі сыйымдылық оптронды параның параметрлері болып саналады.

Оптроэлектронды параның базасында әртүрлі мақсаттағы оптоэлектронды ИМС - лар құрылады.

1. Оптоэлектронды ауыстырып - қосқыш (переключатель) өз алдына оптоэлектронды пара мен күшейткіштен тұратын гибридті ИМС - ны білдіреді. Ауыстырып - қосқышта легірленген кремний, р - п типті тезқозғалғыш кремнийлі фотодиодтар, галлий арсениді негізіндегі жоғарыэффективті светодиодтар қолданылады. 2,7 сыну көрсеткіші бар халькогенидті шынылар иммерсионды орта болып табылады. Оптоэлектронды парада қалыпты температура кезіндегі токтың жіберу коэффициенті 3 - 5%, қосу уаұыты 100 - 250 пс, тұрақты ток бойынша фотоқабылдағыш пен светодиодтың гальваникалық шешімнің тізбегі 10⁹ Ом. ТО - 5 типті дөңгелек корпустағы микросхема орындалды.

8.11 - сурет. Аналогты сигналдардың оптоэлектронды коммутаторының электрлік схемасы

2. Оптоэлектронды кілт ауыспалы және тура токтың жоғарывольтті тізбегінің коммутакциясына арналған. Олар төрт тәуелсіз каналға ие, әрбіреуінде р - п типті светодиод пен жоғарывольтті фотодиодтан тұратын екі оптоэлектронды паралары бар. Фотодиодтар қарсы - бірізділікпен (встречно - последовательно) байланысқан, сондықтан жабық күйдегі кілт кедергісі қарама - қарсылық қосымша кернеуден тәуелсіз.

3. Транзисторлық кілт 50 В дейінгі тұрақты кернеу коммутациясына арналған. Ол екі тәуелсіз каналға ие, әрбіреуінің арсенид - галийлі сфетодиодтың және р - п типті кремнийлі фототранзисторының оптоэлектронды парасы болады. Оптоэлектронды пара ток жіберу коэффициентіне, 10 мА номиналды жұмыс тогына, 100 - 300 нс күшейту режиміндегі тезқозғалысқа ие.

4. Аналогты сигналдардың коммутаторы аналогты сигналдардың селективті өңдеу жүйесінде қолдануға арналған. Коммутатордың бір каналының электрлік схемасы 8.11 - суретте көрсетілген. Канал - арсенид - галийлі светодиод пен бір монокристаллда орындалған р - п типті қарсы қосылған фотодиодтардан тұратын оптоэлектронды параға ие.

8.12 - суретте оптоэлектронды ИМС - ның кейбір өзге типтерінің электрлік схемалары көрсетілген. Кілттік микросхема (8.12, а - сурет) өзіне монолитті кремнийлі күшейткішпен келісімді тезқозғалғыш диодты оптоэлектронды параны қосады. Логикалық ЭВМ құрылғысындағы релелік байланыс пен трансформаторларды ауыстыруға арналған. Аналогты кілт (8.12, б - сурет) оптоэлектронды басқаруы бар сызықты схемаға қатысты болады. Басқарушы сигналдың 60 - 80 мВт қуаты кезіндегі үзу параметрлері стандартты шалаөткізгішті ИМС - ға арналған керекті мәнге жетеді. Тұрақты токтың (8.12, в - сурет) оптоэлектронды аз қуатты релесі аналогты электромеханикалық релені ауыстыруға арналған.

8.12 - сурет. Оптоэлектронды ИМС - ның электрлік схемасы:

а - кілттік микросхема; б - аналогты кілт; в - тұрақты токтың релесі.

Электролюминесцентті диодтар мен транзисторлардың негізінде оптоэлектронды кілттерді білдіретін приборлардың төрт тобы кіретін 249 сериялы оптоэлектронды ИМС қызығушылық тудырады. Приборлардың барлық топтарының электрлік схемасы бірдей (8.13 - сурет).