Мікропотужні оптоелектронні логічні елементи цифрових інтегральних схем на твердотільних світловипромінюючих і фотоелектричних приладах

The construction of the higher speed micropowerful optoelectronic circuit on semiconductor structures is offered: a radiator- as a light emitting diode of IR range with an up exit of radiation to a surface and arrangements of contacts to one side; the photodetector with one structure of the transistor into which it is integrated the p-i-n photo diode (a photowindow of the photo diode it is placed between its contacts of a collector and emitter). The sketch of the digital integrated circuit with optoelectronic links is developed. The estimation of technologies of manufacturing of solidstate elements VHF optocouple, micropowerful optoelectronic logic gates, digital integrated circuit with optoelectronic links on their basis on micro- and nanoelectronic technologies is carried out.

Key words: micropowerful optoelectronic logic element, digital integrated circuit, frequency of switching, light emitting diod, photoresiver, elements of optocouple, semiconductor structure.

Проскурин Н.П. Микромощные оптоэлектронные логические элементы цифровых интегральных схем на твердотельных светоизлучающих и фотоэлектрических приборах: - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - “Твердотельная электроника”, Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2007.

Диссертация посвящена исследованию, разработке и созданию микромощных опто-электронных логических элементов и цифровых интегральных схем для приема, обработки, передачи оптических сигналов на основе твердотельных светоизлучающих и фотоэлектрических приборов. В работе показано, что электронные цифровые интегральные схемы (на основе известных типов логики) подошли к определенному пределу значения тактовой частоты по причине использования электрических заряженных частиц (электронов) и проводящих сред на основе металлических проводников. В диссертации развивается направление оптоэлектроники, основанное на обработке оптических цифровых сигналов оптоэлектронными логическими схемами.

Предложено проводить логическую обработку оптических цифровых потоков мик-ромощными оптоэлектронными логическими элементами квазиимпульснопотенциаль-ного типа на основе твердотельных светоизлучающих и фотоэлектрических интегральных структур, расчетные параметры которых показали перспективность их использования в ОВЧ, нижней части УВЧ диапазона. Установлено, что повышение частоты переключения оптоэлектронных логических элементов, снижение их потребления обеспечивается: уменьшением размеров элементов оптопар на один, два порядка и более; использованием начальных участков линейной ВАХ светодиодов и режимов их переключения типа “малый сигнал”, применением малоразмерных полупроводниковых структур с особыми свойствами для излучателей и фотоприемников ОВЧ диапазона. В работе проведен анализ твердотельных излучателей и фотоприемников, который показал целесообразность использования в схемах оптоэлектронных логических вентилей элементов оптопар в виде интегральных структур: быстродействующих микромощных светодиодов ИК диапазона (на GaAs или Si подложках) и фотоприемников (в виде р-і-n фотодиода с ВЧ n-p-n транзистором на Si подложках). Исследованы процессы: поведения светодиодов оптопар производства СНГ на начале линейной ВАХ; режимы их переключения с помощью фотоприемников с усилением. Изготовлены и исследованы действующие макеты оптоэлектронных логических устройств (“кольцевой генератор импульсов”, “R-S триггер”) на маломощных схемах логических вентилей NИЛИ-НЕ (на основе оптопары 3ОД120А-1 с ВЧ n-p-n транзистором КТ3102Е), имеющие величину потребления светодиодов на порядок менее номинальной. Подтверждена адаптивность схем микромощных оптоэлектронных логических вентилей NИЛИ-НЕ (подстраванием к уровню оптической мощности входных оптических цифровых сигналов) в пределах нескольких процентов на макетах и математических моделях. Проведено моделирование схем мало- и микромощных логических вентилей и устройств на их основе на моделях оптопар (типа светодиод - фотодиод с n-p-n транзистором) с виртуальными параметрами их элементов в режимах переключения типа “малый сигнал”.

Разработана модель микромощной оптопары ОВЧ диапазона на основе расчета ее интегральных элементов. Проведено моделирование схем мало- и микромощных логи-ческих вентилей, устройств на их основе на моделях оптопар (типа светодиод - p-i-n фотодиод с n-p-n транзистором) с реальными и виртуальными параметрами их элементов в режиме модуляции светодиода, приближенному к режиму “малого сигнала”, для чего использованы модель оптопары К249КП1 из библиотеки моделей программной среды МАЭС-П.

Предложены конструкции и проведен оценочный расчет элементов микромощной оптопары ОВЧ диапазона на основе оригинальных полупроводниковых структур: излучатель - в виде светодиода ИК диапазона с повышенным КПД (за счет горизонтального протекания тока, поверхностного вывода излучения в одно или два направления) и расположением контактов его анода, катода в одной плоскости подложки; фотоприемник - в виде интегрального фотоприемного устройства, в котором два отдельных устройства (р-і-n фотодиод и ВЧ n-p-n транзистор) выполнены в виде одной структуры ВЧ транзистора (р-і-n фотодиод интегрирован в ВЧ n-p-n транзистор, в котором фотоокно расположено между контактами его коллектора и эмиттера). Моделирование схемы “кольцевой генератор импульсов” на элементах микромощной модели ОВЧ оптопары показали параметры переключения схемы микромощного оптоэлектронного логического элемента: fР ~ 333МГц, IСД макс. ~ 115мкА, фЗ ~ 0,5нс, РПотр. ОИ ~ 0,15мВт при ЕПит. ОИ = 1,3В. На их основе разработана оригинальная конструкция цифровой ИС с оптическими связями, которая имеет оптические логические входы и выходы, состоит из матриц светодиодов (на подложке из GаАs или Si) и фотоприемников (на подложке из Si). На поверхности подложек сформированы резисторы, электрические связи и контактные площадки, подложки соединены одна с другой методом “перевернутого кристалла” таким образом, что в конструкции ИС с оптическими связями образованы схемы микромощных оптоэлектронных логических элементов NИЛИ-НЕ. Последние соединены с логическими входами, выходами ИС и между собою оптически, металлические контакты использованы для подачи напряжения питания. Проведен анализ технологии изготовления элементов микромощной оптопары ОВЧ диапазона, оптоэлектронных логических схем NИЛИ-НЕ и цифровой ИС с оптическими связями на их основе с учетом существующих микро- и наноэлектронной технологий.

Ключевые слова: микромощный оптоэлектронный логический элемент, цифровая интегральная схема, частота переключения, светодиод, фотоприемник, элементы оптопары, полупроводниковая структура.

Размещено на Allbest.ru