Фотоника и оптоинформатика
.pdf
Рис. 8.15. Структурная схема униполярного транзистора с затвором на основе p–n -перехода
Важнейшей сферой применения транзисторов является цифровая техника (память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т.п.), где они исполняют роль переключателей. В настоящий момент вся современная цифровая техника основана на так называемых МОП-транзисторах, изготовленных на основе трехслойной структуры (металл – оксид – полупроводник). Транзистор может работать в составе интегральной схемы, собираемой на одном кремниевом кристалле – чипе. Чип составляет элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора и т.п. На одном чипе, обычно размером 1–2 см, размещаются десятки миллионов МОП-транзисторов, размеры каждого из которых не превышают 45–60 нанометров (рис. 8.16).
Рис. 8.16. Современный процессор производства компании Intel. Размер элементов транзистора в таких процессорах менее 50 нм
161
На протяжении последних десятков лет происходит стремительная миниатюризация (т.е. уменьшение размеров) МОП
иувеличение степени их интеграции (т.е. количества на одном чипе), причем в ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции вплоть до миллиарда транзисторов на одном чипе. Однако полупроводниковая кремниевая электроника фактически подошла к пределу своих возможностей, связанному с фундаментальными физическими ограничениями, не позволяющими в дальнейшем на ее основе создавать все более производительные и миниатюрные устройства. Традиционный затвор с диэлектриком из
двуокиси кремния (SiO2) имеет толщину всего в несколько атомных слоев (~1,2 нм). Дальнейшее уменьшение его толщины приводит к значительным утечкам за счет туннельного тока (проявление квантовых эффектов) и, как следствие, к увеличению потребления энергии и тепловыделения транзистора.
Следующим шагом миниатюризации полевых транзисторов стало применение полупроводниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Схематически такое устройство показано на рис. 8.17. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. Если ток течет, элемент находится в состоянии «включено», и в состоянии «выключено» – в противном случае. Обнаружено, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 106 раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого устройства будет очень маленьким, а возможная тактовая частота составляет Терагерцы, что в 1000 раз быстрее тактовой частоты существующих процессоров. Золотые исток
исток формируются методами нанолитографии, а диаметр соединяющей их нанотрубки составляет около одного нанометра. Такие малые размеры позволяют поместить на чип еще большее количество переключателей.
162
Рис. 8.17. Схема полевого транзистора на основе углероднойнанотрубки
Следует отметить, что помимо разновидностей полупроводниковых транзисторов ведутся разработки объектов совершенно иной категории – одноэлектронных транзисторов, работающих на одной единственной молекуле. На 1 см2 поверхности возможно размещение 1013 молекулярных транзисторов, что в 104 раза больше плотности сборки в современных чипах. Время отклика молекулярного транзистора на внешнее воздействие равно ~10–15 с, тогда как в современных устройствах оно составляет ~10–9 с. В итоге эффективность молекулярного транзистора по сравнению с современными транзисторами должна повыситься в ~1010 раз.
Однако ключевой проблемой молекулярной электроники остается интеграция молекул в схему. Принцип решения проблемы ясен – это должен быть процесс самосборки, основанный на молекулярном распознавании взаимно дополняющих структур. Поэтому специалисты предсказывают появление молекулярных трнзисторов (и компьютеров на их основе) примерно к 2015 году.
Разрабатываются и оптические транзисторы как основные элементы для фотоники, в которых в качестве передающего звена выступают не электроны, а фотоны.
163
Светодиоды
Светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый диод, излучающий свет при пропускании тока через p–n -пере- ход в прямом направлении. Физическую основу работы СИД составляют процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область p–n -структуры и излучательная рекомбинация (выделение энергии при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону) инжектированных (от лат. injectio – вбрасывание) носителей.
СИД включает активный элемент из полупроводникового монокристалла в виде кубика (чипа) с типичным размером 0,3×0,3×0,25 мм, содержащего p–n - или гетеропереход и омические контакты для управления питающим напряжением. СИД может иметь усложненную конструкцию, повышающую эффективность ввода излучения в волокно.
По сравнению с полупроводниковыми лазерами СИД обладают более широким спектром излучения, полоса модуляции у них уже, а эффективность связи с оптическим волокном ниже. Однако, не будучи «пороговым прибором», они имеют также ряд преимуществ: высокую надежность (большой срок службы), простоту изготовления, низкую себестоимость. Поэтому они находят широкое применение в качестве источников света в системах передачи на небольшие расстояния с шириной полосы до нескольких десятков МГц, например для внутренней связи в пределах здания, самолета, корабля, автомобиля и т.д.
По способу вывода излучения СИД подразделяются на дио-
ды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями.
В СИД с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода (рис. 8.18, а). Для улучшения отвода тепла от активного слоя одна сторона выращенного слоя прижимается к теплоотводу, а вывод излучения осуществляется со стороны подложки. Для вывода излучения через
164
поглощающую подложку на арсениде галлия в AlGaAs СИД в подложке вырезается круглое отверстие и вводится оптическое волокно. Такую конструкцию диода называют диодом Барраса.
Рис 8.18. Структура СИД с поверхностным излучателем (а)
иторцевым излучателем (б): 1 – эпоксидная смола; 2 – омический контакт; 3 – излучение; 4 – оптическое волокно; 5 – подложка наn-GaAs; 6 – активный слой; 7 – теплоотвод; 8 – нижний
омический контакт (диаметром 50 мкм), 9 – нижнийомический контакт(ширина 65 мкм); 10 – подложка
В СИД с торцевыми излучателями (рис. 8.18, б) вывод излучения, выходящего из активного слоя, осуществляется с торца, как в полупроводниковых лазерах. Для уменьшения самопоглощения применяется следующий способ: по соседству с активным слоем формируется световодный слой с малыми внутренними потерями, активный слой делается тонким, порядка 0,03–0,1 мкм. В результате по сравнению с диодами с поверхностным излучателем яркость оказывается в 5–10 раз большей.
Чип, содержащий p–n -переход, может использоваться в индикаторном СИД, представляющем собой конструкцию (рис. 8.19), размещенную внутри линзообразной эпоксидной смолы (компаунда). Эффективный вывод излучения осуществляется с помощью отражательной пластины. Такие СИД в большинстве случаев применяются как миниатюрные элементы индикации в виде точек и цифр.
165
Простая структура кристалла с р–n -переходом обеспечивает низкую стоимость индикаторных СИД, которая является одним из важнейшихпредъявляемыхкнимпараметров.
Рис. 8.19. Конструкция индикаторного СИД
Для индикации используется видимый свет с видимым излучением от зеленого до красного цвета. Для повышения КПД источника излучения часто применяется введение примеси азота, цинка, кислорода, которые становятся центрами люминесценции (излучения).
Физический принцип функционирования газоразрядных индикаторов (ГРИ) основан на преобразовании электрической энергии в световую при возбуждении «электронным ударом» атомов газа, который в рассматриваемом случае является 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 также обеспечения заданных частотных характеристик и увеличения долговечности устройств. Поскольку собственное све-
166
чение газа-наполнителя имеет оранжевый цвет, варьирование цвета свечения достигается за счет использования различных фотолюминофоров.
Принципиальная схема ячейки ГРИ, на основе которой формируется конструкция ГРИ-панели, приведена на рис. 8.20. Несмотря на сложную систему управления, содержащую высоковольтные элементы, и невысокую яркость, ГРИ-панели площадью до 3 м2 применяютсявсистемахколлективногопользования.
Рис. 8.20. Принципиальная схема ГРИ-ячейки
Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) являются еще одной разновидностью индикаторных систем плоской конструкции. Типичная конструкция тонкопленочного ЭЛИ представлена нарис. 8.21.
Рис. 8.21. Конструкция электролюминесцентного индикатора
167
Технология тонкопленочных ЭЛИ предусматривает последовательное нанесение на стеклянную подложку методом испарения: изолирующего слоя окиси иттрия, люминофора, в качестве которого наиболее часто используется сульфид цинка с примесью марганца, верхнего изолирующего слоя окиси иттрия, а также алюминиевых электродов. Генерация света происходит в ЭЛИ
вобласти толщиной менее 2 мкм, перпендикулярной электродам, расстояние между которыми задается с помощью фотолитографических методов с точностью до 1 мкм.
ЭЛИ-панели характеризуются высоким контрастом даже
вусловиях интенсивной внешней засветки. Для получения полноцветного изображения используется широкая гамма материалов для люминофорных сред.
Впоследнее время достаточно большую популярность по-
лучили индикаторы на основе микроэлектромеханических сис-
тем (MEMS-индикаторы). 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).
Воснове MEMS-технологии лежит формирование подвижных или деформируемых отражателей, создаваемых в кремниевой подложке, при этом схема управления индикатором может быть сформирована на этой же кремниевой подложке.
Некоторые примеры MEMS-технологий представлены на рис. 8.22. После светофильтра световой поток проходит через фокусирующую оптику и попадает на поверхность микрозеркального модулятора, после чего промодулированный пучок фокусируется в плоскости выходного объектива и направляется на экран.
Вэтой схеме микрозеркала имеют два рабочих состояния (открытое состояние, при котором луч попадает на экран, а также закрытое состояние, когда он попадает в оптический поглотитель).
168
Рис. 8.22. Схемы различных технологических подходов МЕМS-технологий
Каждый из этих технологических подходов имеет свои отличительные признаки, обусловленные нацеленностью на определенные секторы рынка индикаторных систем: в некоторых случаях требуется сложная оптика (DMD), в других же случаях (iMOD, iMODS) она не требуется.
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы
(ПЗСИ) являются одним из наиболее универсальных классов приборов для отображения информации разнообразного характера, которые обладают оптимальной совокупностью свойств, обеспечивающих их широкое использование в устройствах и системах индивидуального, группового и даже коллективного пользования.
Необходимость увеличения размера знака при одновременном рациональном использовании полупроводниковых структур привела к разработке гибридных ПЗСИ, основанных на принципе рассеяния света (рис. 8.23).
В такой конструкции формирование изображения осуществляется при использовании светоизлучающих кристаллов, размещенных в светорассеивающей полости светопровода. В этом случае размеры и форма светящейся области определяются габаритами и конфигурацией светопровода. Можно выделить три варианта конструкции светопровода:
169
– пластмассовый светопровод с верхним рассеивающим слоем (рис. 8.23, а);
– полый светопровод с рассеивающейпленкой(рис. 8.23, б);
– светопровод с отражающими зеркальными стенками
(рис. 8.23, в).
Жидкокристаллические ин-
дикаторы (ЖК-индикаторы) широко применяются для бук- венно-цифровой индикации в часах, настольных микрокалькуляторах, в плоских телевизионных экранах больших размеров. Они обладают рядом достоинств: возможностью исполнения в виде плоской конструкции, низким управляющим напряжением, простотой исполнения управляющей схемы, малой потребляемой мощностью и т.д. Однако они недостаточно эффективны с точки зрения контрастности изображения.
Рассмотрим электрооптические эффекты в ЖК-инди- каторах, которые подразделяются на токовые эффекты (динамическое рассеяние, эффект
электрического управления двулучепреломлением, «твист-эф- фект») и полевые эффекты (фазовый переход, эффект «гость– хозяин»).
170