🗊Презентация Твердотільна електроніка. Лекция 4. Лавинно-пролітні діоди

“ТВЕРДОТІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА“ Лектор проф. Опанасюк Анатолій Сергійович Метою вивчення дисципліни є формування у студентів знань у області напівпровідникових приладів та особливостей їхнього застосування в електронних схемах. У результаті вивчення дисципліни студенти повинні: розширити свій науково-технічний кругозір в області елементів електронної техніки; придбати знання, необхідні інженеру, що займається експлуатацією пристроїв і систем промислової електроніки. Після засвоєння матеріалу навчальної дисципліни студент повинен: ЗНАТИ: – фізичні принципи роботи приладів твердотільної електроніки що є основою їх функціонування; – параметри і характеристики різних напівпровідникових приладів і елементів інтегральних мікросхем, необхідні для забезпечення їх штатних режимів роботи; - експлуатаційні особливості та можливі застосування; - типові аналогові та цифрові схемотехнічні рішення.

ЛІТЕРАТУРА Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пос. / В.А. Гуртов. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва: Изд-во ПетрГУ, 2005. - 492 с. Зи С. Физика полупроводниковіх приборов, Т.2 / С. Зи - Москва: Мир, 1984. - 456 с. Грудман М. Основы физики полупроводников. Нанофизика и технические приложения / Москва: Физматлит, 2012. – 772 с. Хорунжий В.А. Функціональна мікроелектроніка. Опто- і акустоелектроніка / В.А. Хорунжий – Харків: Основа, 1995. – 131 с. Суємацу Я., Катаока С., Кисино К., Кокубун Я. и др. Основы оптоэлектроники: Пер. с яп. – Москва: Мир, 1988. – 288 с. Берченко Н.Н. Справочные таблицы / Н.Н. Берченко, В.Е. Кревс, В.Г. Середин. – Москва: Воениздат, 1982. – 208 c. Курс лекцій з дисципліни «Твердотільна електроніка» / Укладачі: А.І. Новгородцев, О.А. Борисенко, О.М. Кобяков. - Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 205 с. Методичні вказівки до лабораторних занять з дисципліни «Напівпровідникові прилади» Укл. Любивий О.А. СумДУ, 2012 р.

ОЦІНЮВАННЯ Курс викладається 2 семестри: модульних циклів - 6 Структура навчальної дисципліни: 378 год./10,5 кредитів (4/6,5) Лк. – 40 год./20, практ. – 20 год./20 лаб. роб. – 20 год./20 ПМК - 1 семестр, ДСК - 2 семестр Шкала оцінювання: R=100 балів Нарахування балів: присутність на лекції 10  1=10 балів практичні заняття 10 пр.  1,5 бали/пр.=15 балів (з них 0,5 балів за присутність на практичному занятті та 1 бал за виконання завдань) лабораторні заняття: 5 лаб. зан.  3 бали/лаб. = 15 балів (1 бал за присутність на лабораторній роботі та 2 бали за захист лабораторної роботи) модульні контролі: 3  5=15 балів. РГР 5 балів. ДСК 40 балів.

ШКАЛА ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ

ЛАВИННО-ПРОЛІТНІ ДІОДИ Нагальна необхідність мініатюризації апаратури НВЧ, підвищення її економічності і надійності викликала швидке зростання робочих частот напівпровідникових приладів. Поряд з великими успіхами в технології транзисторів цьому сприяло відкриття нових фізичних явищ в напівпровідниках. Одним з перших явищ такого роду було виявлене НВЧ випромінювання при ударній іонізації в р-п - переходах, яке послужило основою для створення нових приладів – лавинно-пролітних діодів (ЛПД). Лавинно-пролітний діод - напівпровідниковий діод, що має негативний диференціальний опір в НВЧ- діапазоні внаслідок розвитку так званої лавинно-пролітної нестійкості. Остання обумовлена ​​ударною іонізацією та дрейфом носіїв заряду в р-n - переході в режимі зворотного зміщення. Теоретичні розробки з описом ідеї створення ЛПД вперше були викладені У. Рідом в 1958 році, тому базовий варіант лавинно-пролітного діода на основі асиметричного p-n-переходу зазвичай називають діодом Ріда. Генерація НВЧ коливань в такого сорту германієвих структур вперше спостерігалася в 1959 році Тагером А.С., а потім в 1965 році на кремнієвих діодах Р. Л. Джонсоном. Виникнення негативного опору в ЛПД обумовлено двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протікання в області просторового заряду (ОПЗ) p-n-переходу в режимі лавинного множення. Перший процес пов'язаний з часом наростання лавинного струму, а другий процес пов'язаний з проходженням носіїв через пролітну область. Їх суперпозиція призводить до появи фазового зсуву між струмом і напругою на відводах діода. Одним з основних критеріїв, необхідним для роботи ЛПД, є приблизна рівність між періодом коливань НВЧ поля і характерним часом прольоту носіїв через ОПЗ. В наш час ЛПД є одним з найбільш потужних джерел НВЧ-випромінювання. Основними представниками сімейства ЛПД є діод Ріда, асиметричний різкий p-n-перехід, симетричний p-n-перехід (діод з двома дрейфовими областями), діод з двошаровою базою, діод з тришаровою базою (модифікований діод Ріда) і p-i-n-діод. Для виготовлення ЛПД використовують кремній та арсенід галію.

БУДОВА І ЗОННА ДІАГРАМА Розглянемо будову і параметри ЛПД на основі класичного діода Ріда зі структурою p+-n-i-n+ (рис.). Діод складається з сильно легованого р+-еміттера і неоднорідно легованої n-бази (рис. 1, а). Вузький шар n-бази легований сильно (n-шар), інша частина бази легована слабо (i-шар). Розподіл поля в такій структурі для зворотної напруги U0, більшої, ніж напруга пробою Ui, показано на рис. 1 (б). При цьому напруженість поля в області р-n-переходу перевищує поле ударної іонізації Ei і поблизу р-n-переходу генеруються електронно-діркові пари (область множення). Дірки швидко пролітають до електрода крізь вузький сильно легований емітер, не надаючи істотного впливу на роботу приладу. Електрони, покинувши область множення, пролітають потім протяжну слабо леговану n- область (область дрейфу).

ПРИНЦИПИ ГЕНЕРАЦІЇ Нехай крім постійної напруги U0 до діода прикладена змінна напруга U частотою f (рис. а). З ростом напруги U відбувається різке збільшення концентрації носіїв в області множення внаслідок експоненціального характеру залежності коефіцієнта ударної іонізації від поля. Однак оскільки швидкість росту концентрації електронів dn/dt пропорційна вже наявній в області множення концентрації n, момент, коли n досягає максимуму, запізнюється по відношенню до моменту, коли максимуму досягає напруга на діод (рис. б). В умовах, коли υs не залежить від поля, струм провідності в області множення Iс пропорцій концентрації n: Ic = enυsS (е - заряд електрона, S - площа діода). Тому крива на рис. б являє собою також і залежність струму Ic в області множення від часу.

ТИПОВА КОНСТРУКЦІЯ ЛПД Механізм виникнення від'ємного диференціального опору є малосигнальним: коливання спонтанно наростають в резонаторі, налаштованому на відповідну частоту, при подачі на діод досить великого постійного зміщення. На рис.1 і 2 показана типова структура та конструкція ЛПД із структурою р+-n-n+, змонтованого на тепловідводній пластині.

ВИКОРИСТАННЯ ЛПД ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ НВЧ-КОЛИВАНЬ Напівпровідникова ЛПД структура зазвичай монтується в типовий НВЧ корпус. Як правило, діод кріпиться дифузійною областю або металевим електродом на мідний або алмазний тепловідвід для забезпечення ефективного охолодження p-n-переходу під час роботи. Для роботи на частотах, що відповідають резонансної частоті власного контуру діода, достатньо помістити його в розріз коаксіального контуру. При роботі на частотах, відмінних від частоти власного контуру діода, останній розміщують у зовнішньому резонаторі. На рис.1 показана типова схема НВЧ резонатора для вимірювання спектра НВЧ коливань, що генеруються ЛПД, а на рис.2 - спектр НВЧ коливань, що генеруються ЛПД в режимі лавинного множення з негативним опором.

ПАРАМЕТРИ ЛПД ЛПД широко застосовується для генерування і посилення коливань в діапазоні частот f = (1-400) ГГц. Найбільша вихідна потужність діапазону Рвих = (1-3) ГГЦ отримана в приладах із захопленим об'ємним зарядом лавин, становить сотні Ват в імпульсі. Для безперервного режиму області сантиметрового діапазону найбільше значення вихідної потужності і ККД досягнуте на ЛПД з модифікованою структурою Ріда на основі GaAs і становить Рвих = 15 Вт на частоті 6 ГГц. На рис. наведено характерні параметри різних типів ЛПД (вихідна потужність, частота і коефіцієнт корисного дії), як для імпульсного, так і для безперервного режиму НВЧ генерації.

ДІОДИ ГАННА Діод Ганна - напівпровідниковий діод, що складається з однорідного напівпровідника, що генерує високочастотні коливання при прикладанні постійного електричного поля. Фізичною основою, що дозволяє реалізувати такі властивості в діоді, є ефект Ганна, який полягає в генерації високочастотних коливань електричного струму в однорідному напівпровіднику з N-подібною вольт-амперною характеристикою. Ефект Ганна виявлений американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалі арсеніду галію (GaAs, сполука А3В5) з електронною провідністю. Ганн виявив, що при прикладанні електричного поля E (Eпор ≥ 2-3 кВ/см) до однорідних зразків з арсеніду галію n-типу в зразках виникають спонтанні коливання струму. Пізніше він встановив, що при E> Eпор у зразку, зазвичай у катода, виникає невелика ділянка сильного поля - «домен», який дрейфує від катода до анода зі швидкістю ~ υ = 106 м/с і зникає на аноді. Потім у катода формується новий домен, і процес періодично повторюється. Моменту виникнення домену відповідає падіння струму, що протікає через зразок. Моменту зникнення домену у анода - відновлення колишньої величини струму. Період коливань струму приблизно дорівнює прогонному часу, тобто часу, за який домен дрейфує від катода до анода.

ЗОННА СТРУКТУРА МАТЕРІАЛУ Ефект Ганна спостерігається головним чином у двухдолинних напівпровідниках, зона провідності яких складається з однієї нижньої долини і кількох верхніх долин. Для того, щоб при переході електронів між долинами виникав від'ємний диференціальний опір, повинні виконуватися наступні вимоги: середня теплова енергія електронів повинна бути значно меншою енергетичного зазору між побічною та нижньою долинами зони провідності, щоб за відсутності прикладеного зовнішнього електричного поля більша частина електронів перебувала у нижній долині зони провідності; ефективні маси і рухливості електронів у нижній і верхніх долинах повинні бути різними. Електрони нижньої долини повинні мати високу рухливість μ1, малу ефективну масу m1* і низку густину станів. У верхніх побічних долинах електрони повинні мати низьку рухливість μ2, більшу ефективну масу m2* і високу густину станів; енергетичний зазор між долинами повинен бути меншим, ніж ширина забороненої зони напівпровідника, щоб лавинний пробій не наступав до переходу електронів в верхні долини. З вивчених і таких що знайшли застосування напівпровідникових матеріалів переліченим вимогам найбільше відповідає арсенід галію (GaAs) n-типу.

МЕХАНІЗМ ГЕНЕРАЦІЇ Електрони нижньої долини мають малу ефективну масу m1* і високу рухливість μ1. Густина струму, що проходить через зразок, визначається концентрацією електронів у нижній долині n1 (n1 = n0, де n0 - рівноважна концентрація електронів в напівпровіднику): J = en1υ = en1μЕ. Збільшимо прикладена електричне поле. З ростом поля зростає швидкість дрейфу електронів. На довжині вільного пробігу l електрони набирають енергію eEl, віддаючи при зіткненнях з фононами кристалічної гратки меншу енергію. Коли напруженість поля досягає порогового значення Eпор, з'являються електрони, здатні переходити в верхню долину зони провідності. Подальше збільшення поля приводить до зростання концентрації електронів у верхній долині. Перехід з нижньої долини у верхню супроводжується значним зростанням ефективної маси і зменшенням рухливості, що веде до зменшення швидкості дрейфу. При цьому на вольт-амперній характеристиці зразка з'являється ділянка з негативним диференціальним опором (НДО)

МЕХАНІЗМ ГЕНЕРАЦІЇ Для виникнення від'ємного диференціального опору необхідний одночасний перехід більшості електронів з центральної долини в бічну при пороговій напруженості електричного поля (рис.). Але отримати статичну ВАХ, що відповідає суцільний кривій, не вдається, тому що в кристалі або поблизу невипрямних контактів завжди є неоднорідності, в результаті чого виникають локальні напруженості електричного поля, які перевищують середню напруженість. Перетворення в цих місцях «легких» електронів у «важкі» ще більше збільшує неоднорідність електричного поля. Тому практично не відбувається одночасний перехід більшості електронів в кристалі з центральної долини в бічну і статична ВАХ залишається без ділянки з НДО.

УТВОРЕННЯ ДОМЕНІВ Розглянемо зразок довжиною l, до якого прикладена зовнішня напруга. В однорідному напівпровіднику електричне поле приблизно однаково по всій довжині зразка. Але якщо в зразку є локальна неоднорідність із підвищеним опором, то напруженість поля в цьому місці зразка буде вищою, отже при збільшенні напруженості зовнішнього поля критичне значення Eпор виникне в першу чергу в цьому перерізі. Це означає накопичення в цій області (а не в усьому кристалі) важких електронів і зниження їх рухливості, а значить і підвищення опору. Новоутворена зона з високим вмістом важких електронів називається електричним доменом. Під дією прикладеного поля домен починає переміщатися уздовж зразка зі швидкістю υ ~ 106 м/с. Ліворуч і праворуч від електронного домену рухатимуться легкі електрони з більш високою швидкістю, ніж важкі. Зліва вони будуть наганяти домен і утворювати область підвищеної концентрації електронів (область негативного заряду), а праворуч легкі електрони будуть іти вперед, утворюючи область, збіднену електронами (область позитивного заряду).

РЕЖИМ ПРОЛЬОТУ Режим роботи діода Ганна на ефекті міждолинного переходу електронів, при якому виконується нерівність n0l > 1012 см-2, де l довжина зразка; називається режимом прольоту. Для його реалізації необхідно включити діод в паралельне резонансне коло, наприклад, в НВЧ - генератор з високою добротністю, налаштований на пролітну частоту (f = υД l). В прольотному режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески, якщо довжина зразка значно перевищує ширину домену (Рис.). Для отримання форми коливань струму, близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Ширину домену можна збільшити, зменшуючи концентрацію електронів (n0) в зразку.

УМОВА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕРАЦІЇ При роботі діода в резонаторі до нього крім постійного зовнішнього зміщення виявляється прикладеним також НВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливань струму, що протікає через діод. Припустимо, що НВЧ - поле змінюється в часі за гармонічним законом, а резонатор налаштований на частоту вищу пролітної (f > υДl). Тоді при достатньо великій амплітуді НВЧ - поля дипольний домен в зразку може розсмоктатися не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і СВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б меншою Eпор, а тривалість напівперіоду була б більшою часу релаксації Максвелла τМ, що відповідає позитивній рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так: f--1>εε0/en0µ або n0/f > εε0/eµ Для GaAs і InP n0/f > 104 с/см3. Отримана нерівність є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен «позитивний» напівперіод СВЧ - поля в діоді E > Eпор і у катода зароджується домен, а в кожен «негативний» напівперіод він розсмоктується на шляху до анода. Таким чином, генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола. Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей: ε ε0/eµ < n0/f < εε0/eµ-, де μ- - негативна диференціальна рухливість, що відповідає ділянці вольт-амперної характеристики з негативною диференціальної провідністю; то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ). Для GaAs і InP - 104 < n0/f < 105 с/см3. Оскільки в отриманій нерівності період НВЧ - сигналу менший τМ, що відповідає від'ємній диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли E > Eпор, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (E < Eпор) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод НВЧ - сигналу і спад його в інший, що викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка визначається параметрами зовнішнього електричного кола.

ГЕНЕРАЦІЯ НВЧ-КОЛИВАНЬ В ДІОДАХ Як будь-який генератор НВЧ - діапазону, генератор Ганна характеризується потужністю, що генерується, довжиною хвилі, або частотою коливань, що генеруються, коефіцієнтом корисної дії, рівнем шумів та іншими параметрами. Вихідна безперервна потужність генераторів Ганна в прольотному режимі звичайно становить десятки - сотні міліват, а при імпульсній роботі досягає сотень ват. Робоча частота в прольотному режимі обернено пропорційна довжині або товщині високоомної частини кристала (f = υ/l). Зв'язок між потужністю, що генерується і частотою можна представити у вигляді: Pвих = U2/z = E2l2/z = E2υ2/zf2 ~ 1/f2 Потужність НВЧ - коливань, що генеруються, залежить від повного опору z або від площі робочої частини високоомного шару напівпровідника. Наведене співвідношення вказує на те, що очікувана зміна потужності з частотою пропорційна 1/f2. Верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить сотні гігагерць (рис.).

НЕДОЛІКИ ТА ПЕРЕВАГИ ГЕНЕРАТОРІВ ГАННА Коефіцієнт корисної дії генераторів Ганна може бути різним (від 1 до 30%), оскільки технології виготовлення приладів і якість вихідного напівпровідникового матеріалу істотно розрізняються. У зв'язку з можливою наявністю в кристалі генератора Ганна декількох неоднорідностей зародження домену може відбуватися в різні моменти часу на різній відстані від анода. Тому частота коливань буде змінюватися, тобто можуть виникати частотні шуми. Крім частотних шумів в генераторах Ганна існують амплітудні шуми, основною причиною появи яких є флуктуації у швидкостях руху електронів. Зазвичай амплітудні шуми в генераторах Ганна малі, оскільки дрейфова швидкість в сильних електричних полях, що існують в цих приладах, насичена і слабко змінюється при зміні електричного поля. Важливим для практичного застосування генераторів Ганна є питання про можливість їх частотної перебудови у досить широкому діапазоні. З принципу дії генератора Ганна ясно, що частота його повинна слабо залежати від прикладеної напруги. Зі збільшенням прикладеної напруги трохи зростає товщина домену, а швидкість його руху змінюється незначно. В результаті при зміні напруги від порогової до пробивної частота коливань збільшується всього на десяті доля відсотка. Термін служби генераторів Ганна відносно малий, що пов'язано з одночасним впливом на кристал напівпровідника таких факторів, як сильне електричне поле і перегрів кристала через виділення в ньому потужності.

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА Оптоелектроніка (ОЕ) - це розділ електроніки, що зв'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл), та охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів, у яких ці ефекти використовуються для генерації, передачі, обробки, збереження та відображення інформації. Оптоелектроніку характеризують три основні риси. 1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи, засоби, для яких принципово сполучення і нерозривність оптичних та електронних процесів. У широкому сенсі оптоелектронний пристрій визначається як прилад, що чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній (ІЧ) чи ультрафіолетовій (УФ) областях; чи прилад, що випромінює і перетворює некогерентне або когерентне випромінювання у цих же спектральних областях. В оптоелектронних процесах відбуваються перетворення виду Е → L (у випромінювачах) та L → Е (у фотоприймачах), а також L → L (під час розповсюдження випромінювання), де L і Е оптичне і електричне збурення. 2. Технічну основу ОЕ-ки визначають конструктивно–технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважний розвиток твердотільних площинні конструкцій; інтеграція елементів; інтеграція елементів і функцій; орієнтування на спеціальні надчисті матеріали; використання методів групової обробки виробів, таких як епітаксія, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімія. 3. Функціональне призначення ОЕ-ки полягає у розв’язанні задач інформатики: генерації інформації шляхом перетворення різних зовнішніх впливів у відповідні електричні та оптичні сигнали; переносі інформації; перетворенні інформації за заданим алгоритмом; збереженні інформації, включаючи такі процеси, як записування, зчитування, стирання; відображення інформації. Для розв’язання цих задач в ОЕ - них пристроях використовують інформаційні сигнали в оптичній та електричній формах, але визначаючими є оптичні сигнали. Часто ОЕ - ний пристрій фактично є оптичним, а електроніка виконує допоміжні "обслуговуючі" функції. В таких випадках "оптоелектроніка - це оптика, що керується електронікою". Відзначимо, що перехід до оптичних систем (з "відсуванням електроніки" на периферію) дає максимальний ефект. ОЕ - ка синтезує досягнення ряду областей: квантова електроніка, напівпровідникова техніка, оптика, фото електроніка, електрооптика, світлотехніка, нелінійна оптика, голографія, волоконна оптика, ІЧ-техніка.

ПЕРЕВАГИ ОЕ Принципові позитивні якості ОЕ-ки обумовленні специфічними особливостями електромагнітних хвиль оптичного діапазону, відмінними властивостями фотона, як носія інформації, і проявляються у наступних основних моментах. Високочастотність. Частота оптичних коливань на 3-5 порядків вища, ніж радіотехнічного діапазону. Це означає, що у стільки ж разів зростає пропускна спроможність оптичного каналу передачі інформації. Гостре фокусування. Відповідно до дифракційної теорії потік випромінювання можна сфокусувати до плями з поперечним лінійним розміром близько λ/2; такий же і мінімальний крок дискретності оптичних впливів. Це означає, що максимальна густина запису оптичної інформації може сягати 4/λ2, тобто 109- 1010 біт/см2. Направленість. Кутова розбіжність проміня, що обмовлена фундаментальними дифракційними границями, α ≈ λ/А, де А - апертура випромінювача. Внаслідок малості λ при значеннях А, що можна практично реалізувати досягається зниження α до рівня десятків чи одиниць кутових секунд. Розв'язка. Використання як носіїв інформації електрино нейтральних фотонів обумовлює безконтактність оптичного зв'язку. Звідси витікає ідеальна електрична розв'язка входу і виходу: однонаправленність потоку інформації і відсутність зворотної реакції приймача на джерело; перешкодозахищеність оптичних каналів зв'язку; прихованість передачі інформації за оптичним каналом зв'язку. Візуалізація. Оптоелектроніка, що охоплює видимий діапазон електромагнітного спектру, дозволяє перетворити інформацію, яка представлена в електричній формі, в зорову, тобто в форму, найбільш зручну для сприйняття людиною. Фоточутливість. Ця властивість робить можливим сприйняття образів тобто перетворення поля випромі-нювання в адекватну йому електричну інформаційну дію (звично у відеосигнал). При цьому на відміну від людського ока оптоелектронний прилад може "бачити" предмети у будь-якій необхідній області оптичного спектру. Просторова модуляція. Електронейтральність фотонів обумовлює не взаємодію (незмішуванність) окремих оптичних потоків. Внаслідок цього, на відміну від електричного струму, потік фотонів можна промоделювати не тільки в часі, але і у просторі. Це відкриває великі можливості для паралельної обробки інформації - обов'язкова умова створення надпродуктивних обчислювальних систем.

НЕДОЛІКИ ОЕ Незадовільна енергетика. Коефіцієнт корисної дії перетворювань виду Е→L чи L→E в кращих сучасних приладах (лазери, світлодіоди, р-і-п- фотодіоди), як правило, не перевищує 10-20%. Тому якщо в пристрої здійснюються ці перетворення лише двічі (на вході і виході), як, наприклад, в оптопарах або в волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ), то загальний ККД зменшується до одиниць відсотків; кожен додатковий акт перетворення інформаційних сигналів із однієї форми в іншу зменшує ККД ще на порядок і більше. Низьке значення ККД спричиняє зростання енергоспоживання, що неприпустимо із-за обмежених можливостей джерел живлення; утруднює мініатюризацію, оскільки не вдається відвести тепло, що виділяється; знижує ефективність і надійність більшості оптоелектронних приладів. Відмітимо, що в окремих експериментальних зразках лазерів, світлодіодів, фотоприймачів вдається отримувати внутрішній ККД, властивий активній області напівпровідниковій структурі, близьким до 100°, що свідчить про принципову можливість подолання даного недоліку. Гібридність. Складові ОЕ-го пристрою, окремі елементи і прилади, як правило, виготовляються із різних матеріалів: наприклад, в оптопарі це арсенід галію (випромінювач), полімерний оптичний клей, кремній (фотоприймач); у ВОЛЗ до цих матеріалів добавляють кварц (світловод). Ще більш "строката" картина у складних оптоелектронних системах. Наявність різнорідних матеріалів обумовлює: низький ККД пристрою із-за поглинання у пасивних областях структур, відбиття і розсіювання на оптичних межах; зниження надійності із-за відмінності коефіцієнтів температурного розширення матеріалів, роз'юстировки при механічних впливах, складності загальної герметизації пристрою; технологічну складність та високу вартість. В традиційній мікроелектроніці ці недоліки визначили домінування монолітних інтегральних мікросхем над гібридними. Деградація. Деградація - це зниження ефективності ОЕ – них приладів під впливом температури Т, проникаючої радіації R, а також довготривалої роботи Д. Принципова особливість ОЕ - них перетворювань і процесів розповсюдження випромінювання у речовині полягає у їх виключно високій чутливості до порушень оптичної однорідності матеріалів і навіть до субмікронних включень. До появи таких дефектів приводять Т, R і Д - дії. Практично для усіх видів випромінювачів спостерігається зменшення потужності випромінювання при підвищенні температури; у фотоприймачів зростають темнові струми та рівень шумів. Також проявляється дія проникаючої радіації (швидкі електрони, протони, α-частинки, нейтрони, γ-кванти), з тією різницею, що спричинені порушення є незворотні. Ступінь деградації фізичних властивостей ОЕ -го приладу за час тривалої роботи залежить від його технологічного удосконалення, одначе завжди неминуче помутніння оптичних середовищ і погіршення світлопропускання на межах різнорідних матеріалів. Співставлення переваг і недоліків, значимість перших і можливість подолання (хоч би частково) других дозволяє зробити загальний оптимістичний висновок про великі можливості ОЕ - ки.

ОСНОВНІ ПРИЛАДИ ОЕ Різноманітність фізичних ефектів визначила велику кількість різних приладів ОЕ -ки. Нижче розглянуто основні із них. Індикатори - прилади для систем візуального відображення інформації. Широко використовуються в електронних годинниках, мікрокалькуляторах, табло і приладних щитах, в дисплеях і системах людина - ЕОМ. Розвиток індикаторної техніки дозволив створити плоскі екрани телевізійного типу. Фізичну основу приладів індикаторного типу складають різні види електролюмінісценції і електрооптичні явища. В промисловості найширше представленні рідкокристалічні, напівпровідникові (світлодіоди), вакуумні люмінесцентні, газорозрядні індикатори. Ці вироби виконуються у вигляді цифрових і цифро-літерних індикаторів, багаторозрядних моно дисплеїв, універсальних інформаційних плоских екранів, що відображають цифри, літери, символи, графіки, а також рухомі двомірні картини. Формувачі сигналів зображення (ФСЗ) чи формувачі відеосигналів (ФВС) - прилади, що призначенні для перетворення зображень в адекватну їм послідовність електричних сигналів. Використовуються в телевізійних передавачах, фототелеграфії, під час зчитування інформації на вході в ЕОМ, в приладах контролю технологічних процесів тощо. Мініатюрні твердотільні ФСЗ разом з мікропроцесорами використовуються під час розробки систем штучного бачення роботів, а в майбутньому і людини. Робота приладів базується на фізиці фотоелектричних явищ. Типовими представниками є фоточутливі прилади із зарядовим зв'язком (ФПЗЗ) - багатоелементні інтегральні фотоприймачі із вмонтованим електронним самоскануванням, що забезпечує послідовне зчитування інформації від усіх фоточутливих комірок. Волоконно-оппшчні лінії зв'язку (ВОЛЗ) - пристрої і системи, основу яких складає гнучкий волоконно-оптичний світловод (у вигляді кабелю), зчленований з випромінювачем на передаючому кінці і з фотоприймачем - на другому. Вони виконують функції лінії зв'язку і передачі даних: це найкоротші лінії (до 1 м) для обміну інформацією у високовольтовій апаратурі; короткі бортові внутрішньо об’єктні ВОЛЗ (5...100 м); лінії середньої довжини (1...20 км, які складають основу між машинних інтегральних мереж передачі даних і розгалужених внутрішньо міських АТС; магістральні ВОЛЗ довжиною в тисячу кілометрів, у тому числі трансконтинентальні, а також підводні. Фізичну основу ВОЛЗ складають процеси розповсюдження оптичних сигналів за волоконним світловодом, а також світло-генераційні і фотоелектричні явища у випромінювачах і приймачах. Для технічної реалізації використовують в основному надчисті кварцові світловоди, напівпровідникові гетеролазери і світлодіоди на сполуках A3B5, фотодіоди на основі кремнію та сполуках A3B5, A2B6.

ОСНОВНІ ПРИЛАДИ ОЕ Оптопари чи елементи електричної розв'язки, що представляють собою прилади, в яких світлодіодний випромінювач (вхідне коло) зв'язаний з фотоприймачем (вихідне коло) оптично і розв'язаний електрично. Оптопари широко використовуються у мікроелектронній та електротехнічній апаратурі для забезпечення електричної розв'язки при передачі інформаційних сигналів, безконтактної комунікації великострумних та високовольтних кіл, при створенні фотоприймачів, що можуть перестроюватися, в пристроях контролю і керування. Сонячні фотоперетворювачі - напівпровідникові фотодіоди, що оптимізовані для прямого перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Їх функціональне призначення не відповідає визначенню оптоелектроніки, однак історично склалось так, що стало загальноприйнятим відносити сонячні батареї до ОЕ-них приладів. Ці прилади основані на фотовольтаічному ефекті у напівпровідниках. Визначальний напрям їх конструктивно-технологічної реалізації - створення великої фоточутливої площі, досягнення високого ККД і малої вартості. Оптична пам'ять основана на ЗП, в яких на носій записується інформація, що представлена в оптичній формі. Висока щільність запису обумовлює перспективність цих пристроїв в архівних ЗП ЕОМ та інформаційно-пошукових системах, до яких багаторазово звертається велика кількість користувачів. Додаткова перевага оптичної пам'яті - великий термін збереження інформації, підвищена швидкість інформаційного обміну, можливість запису аналогової інформації і двовимірних образів. Фізичною основою оптичної пам'яті є теплова дія на речовину лазерного променя. Досліджуються ЗП з паралельним записом масивів інформації на фотопластинках у вигляді голограм. Промисловістю випускаються оптичні дискові накопичувачі з послідовним (побітовим) записом інформації на поверхню диску, що обертається, гостро сфокусованим променем лазеру. Оптична обчислювальна техніка - комплекс оптоелектронних апаратурних засобів, що дозволяють ефективно здійснювати математичні і логічні операції з інформацією, яка представлена в оптичній формі. Алгоритмічна основа цього напряму зв'язана зі здібністю лінійних оптичних систем здійснювати деякі аналогові математичні перетворення (двомірне інтегральне перетворення Фур'є та операцію згортки), а також паралельну обробку великих масивів цифрової інформації. Принциповим конструктивно-технологічним досягненням є інтегральна оптика, на основі якої створюються прилади і пристрої на базі тонкоплівкових плоских діелектричних хвилеводів. Оптоелектронні датчики - прилади, що перетворюють зовнішні фізичні дії: температуру, тиск, вологість, прискорення, магнітне поле тощо, в електричні сигнали. До таких датчиків відносяться формувачі сигналів зображення і оптопари з відкритим оптичним каналом. Інтенсивний розвиток цього напряму зв'язаний з появою волоконно-оптичних датчиків, у яких зовнішні дії змінюють характеристики оптичного сигналу, що розповсюджується по волокну. Перевагою волоконно-оптичних датчиків є те, що чутливий елемент (волокно) одночасно є і каналом передачі інформації до місця її обробки. Інші ОЕ-і прилади: дискретні світлодіоди, фотодіоди, фоторезистори, модулятори світлових променів тощо.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ОПТИКИ Св́ітло це електромагнітні хвилі видимого діапазону. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7,5×1014 - 4,0×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нм. У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру. Електромагнітна хвиля – це розповсюдження електромагнітного поля (електромагнітних коливань) у просторі. Електромагнітна хвиля є плоскою поперечною хвилею. Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією та інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку - швидкістю світла (с=3106 м/c). Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Взаємодіючи з речовиною, світло розповсюджується і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до його заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково відбивається. Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія яких залежить від частоти: E = h , де E - енергія кванта,  - частота, h - стала Планка. Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ = T =  /, E = h = hv/, де  - довжина хвилі;  - її швидкість;  - частота; Е - енергія

МЕХАНІЗМИ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА При попаданні світла на напівпровідник скінченної товщини можливі наступні процеси: відбиття від границі розділу матеріалів, поглинання у напівпровіднику, проходження через матеріал. Коли пучок монохроматичного випромінювання проходить через речовину, то внаслідок відбиття від поверхні і поглинання в об'ємі його інтенсивність I1=IT зменшується. Якщо інтенсивність світла що падає I0, а відбитого IR то відношення R = IR/I0 називається коефіцієнтом відбиття. Відповідно відношення інтенсивності світла що пройшло IT до вхідної T = IT/I0 називається коефіцієнтом проходження світла. Залежність коефіцієнта відбиття (пропускання) від енергії світла що падає R(hv) (Т(hv)) або довжини хвилі R() (Т()) називається спектром відбиття (пропускання).

ЗАКОНИ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА Cвітло з інтенсивністю I0 яке падає на тіло товщиною l частково відбивається від границь розділу середовищ (рис.). З урахуванням відбиття від першої поверхні у зразок пройде випромінювання з інтенсивністю (1 - R)I0. Внаслідок поглинання у шарі товщиною dx інтенсивність випромінювання I зменшиться на величину dI. Кількість поглиненої енергії dI пропорційна кількості енергії I що падає і товщині поглинаючого шару dx -dI = Idx

ЗАЛОМЛЕННЯ ТА ВІДБИТТЯ CВІТЛА При розповсюдженні світла в прозорій речовині, змінюється його швидкість. Для характеристики оптичних властивостей середовища вводять абсолютний і відносний показники заломлення. Абсолютним показником заломлення середовища називається величина, що дорівнює відношенню швидкості електромагнітної хвилі у вакуумі до їх фазової швидкості в середовищі: n = c/v = Для середовища, яке не має феромагнітних властивостей n = Відносним показником заломлення двох середовищ називається величина, яка дорівнює відношенню показників заломлення цих середовищ: n21 = n2/n1 Відбиття світла від твердих тіл характеризується коефіцієнтом відбиття R = IR/I0. Коефіцієнт відбиття пов’язаний з показником заломлення n і показником поглинання (екстинції) k формулою Френеля R = де k = . .

ФОРМУЛА ДРУДЕ-ФОЙГТА При отриманні зв'язку коефіцієнта заломлення з довжиною хвилі у визначеній області значень  користуються основами теорії гармонічних коливань, а також емпіричною формулою Друде-Фойгта. У відповідністю з теорією гармонічних коливань коефіцієнт заломлення n можна представити у вигляді n2 = 1 + ln, де  = , Ed, E0 - сталі речовини. Коефіцієнт заломлення n згідно з емпіричною формулою Друде-Фойгта, може бути записаний у вигляді n2 = 1 + , де N – число іонів в одиниці об'єму; e і m – заряд і маса електрона відповідно.

СПЕКТРИ ПРОПУСКАННЯ ТА ВІДБИТТЯ

ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА Прямозонні матеріали поглинають 90% падаючого світла на товщині 1-3 мкм, непрямозонні на 100-150 мкм. Для того, щоб поглинути 100% світла, шар кремнію повинен мати товщину104 мікрон, в той час коли, наприклад, шар CdTe (CIGS) – лише 4-5 мікрон

ВИЗНАЧЕННЯ Еg Залежності (hv)2 - E для прямозонних плівок ZnS, отриманих при різній температурі підкладки

ЕКСИТОННЕ ПОГЛИНАННЯ

ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ Люмінесценцією називається електромагнітне нетепловое випромінювання, що має тривалість, яка значно перевищує період світлових коливань. Для виникнення люмінесценції в напівпровіднику атоми напівпровідника повинні бути виведені зі стану термодинамічної рівноваги, тобто збуджені. Вони можуть бути переведені в збуджений стан електричним полем - електролюмінесценція, бомбардуванням напівпровідника електронами -катодолюмінесценція, освітленням - фотолюмінісценція. При люмінесценції акти поглинання енергії напівпроводником і випромінювання квантів світла розділені в часі. Люмінесценція, яка відбувається під час збудження називається флюоресценцією, якщо ж вона продовжується після закінчення збудження – фосфоресценцією. Випромінювання квантів світла з напівпровідника може відбуватися в результаті переходу електрона на більш низький енергетичний рівень при міжзонної рекомбінації або при рекомбінації за участю рекомбінаційних пасток. Випромінювальна рекомбінація носіїв заряду може відбутися без електромагнітного впливу, тобто самовільно. Така рекомбінація називається спонтанною. Акти спонтанного випромінювання відбуваються незалежно один від одного в різні моменти часу. Тому спонтанне випромінювання не когерентне. Перехід електрона на більш низький енергетичний рівень з випромінюванням кванта світла, що стався з допомогою електромагнітного впливу, називається вимушеної або стимульованої рекомбінацією. Індуковане випромінювання відбувається в тому ж напрямку, що і викликало його випромінювання, в одній і тій же фазі і з однаковою поляризацією. Індуковане випромінювання є когерентним. На практиці найбільшого поширення набула електролюмінесценція. На основі цього явища працюють випромінювачі, тобто прилади, що перетворюють електричну енергію збудження в енергію оптичного випромінювання заданого спектрального складу і просторового розподілу. Когерентні - інжекційні лазери і некогерентні - світловипромінюючі діоди. Специфічні вимоги до світловипромінюючих діодів: робота у видимому діапазоні 400 ... 700 нм, висока яскравість, визначають вимоги до напівпровідникових матеріалів для їх виготовлення. Міжзонна рекомбінація найбільш імовірна в прямозонних напівпровідниках, типовими представниками яких є GaAs, InAs, InSb, GaSb, більшість сполук А2В6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), а також ряд інших бінарних сполук - PbS, PbSe, PbTe. Спектральний склад оптичного випромінювання визначається шириною забороненої зони в прямозонних напівпровідниках і енергетичним рівнем пасток в непрямозонних.

ІНЖЕКЦІЙНА ТА УДАРНА ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ Схема випромінювальної рекомбінації носіїв на р-n-переході: 1 - потік електронів, 2 - потік дірок, 3 - міжзонна випромінювальна рекомбінація носіїв, 4 - випромінювальна рекомбінація носіїв через центри люмінесценції

ФОТОРЕЗИСТИВНИЙ ЕФЕКТ Фоторезистивний ефект - це зміна електричного опору напівпровідника, обумовлене виключно дією оптичного випромінювання і не пов'язане з його нагріванням. Для виникнення фоторезистивного ефекту необхідно, щоб у напівпровіднику відбувалося або власне поглинання оптичного випромінювання з утворенням нових пар носіїв заряду, або домішкове поглинання з утворенням носіїв одного знака. В результаті збільшення концентрації носіїв заряду зменшується опір напівпровідника. Надлишкову концентрацію носіїв заряду, наприклад, електронів можна визначити наступним чином Δ n = (1-R) αη NФτ, де R - коефіцієнт відбиття фотонів від напівпровідника, α - показник поглинання, η - квантова ефективність генерації, NФ - кількість фотонів, що падають на одиничну поверхню в одиницю часу, τ - час життя нерівноважних носіїв заряду.

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА Електронні пристрої та системи, в яких використовують разом із традиційними електричними ефектами неелектри­чні, лежать в основі нового напряму в електроніці – оптоелектроніки. Оптоелектроніка – це галузь електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в кристалах, а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів у електричні та навпаки. У широкому сенсі оптоелектронний пристрій це прилад, що випромінює або перетворює електромагнітне випромінювання у видимій, інфрачервоної (ІК) або ультрафіолетової (УФ) областях спектру, або використовує подібне випромінювання для внутрішньої взаємодії його елементів. Оптоелектронні напівпровідникові прилади (ОПП) ділять на випромінювачі, приймачі випромінювання, оптопари і оптоелектронні ІМС (табл. 1).

НАПІВПРОВІДНИКИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА

СВІТЛОДІОДИ Напівпровідниковий випромінювальний діод (світло­діод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосе­реднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання. Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що означає матеріал виготовлення (А(1) - арсенід галію), другим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю свічення менше 500 Кд/м2; 4 – з яскравістю, більшою 500 Кд/м2. Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів. Основний фізичний процес, що забезпечує роботу світлодіодів – це випроміню­вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнені – переходу. Ця рекомбі­нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготов­лення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі U>Uпор, де Uпор  UК (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіоду показана на рис. 1. Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 2).

СВІТЛОДІОДИ Колір свічення світлодіоду залежить від матеріалу з якого він виготовлений (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони матеріалу, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, двокомпонентні напівпровідникові матеріали GaAs і GaP дають червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-помаранчове або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення. Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 1), які мають два – переходи, утворені різними vматеріалами (легуючими домішками). Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншим – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати інтенсивність кожного з кольорів, а отже і сумарний колір свічення. Світлодіоди широко використовуються ї в різноманітних електронних пристроях. Перевагою інжекційних світлодіодів є – яскраве і чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо. Крім точкових світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів: семисегментну та матричну (рис.2). Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (75+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

ПАРАМЕТРИ СВІТЛОДІОДІВ Світлодіод - низьковольтний прилад. Звичайний світлодіоди, що застосовуються для індикації, споживають від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіоди, які використовуються для освітлення, споживають таку ж напругу, але струм є вищим - від декількох сотень мА до 1 А. В світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В). При підключенні світлодіода необхідно дотримуватись полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і звичайно становить більше 5 В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існують світлодіоди різних конструкцій, що випромінюють в тілесному вуглі від 40-1400. Колір, світла, що випромінюється, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання. Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена. В робочих режимах струм світлодіода експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги приводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може привести до його прискореного старіння. Саме тому послідовно з світлодіодом включають конвертор (driver). Для світлодіода він те саме, що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЛАЗЕРИ Напівпровідниковий лазер - твердотільний лазер, в якому як робоча речовина використовується напівпровідник. У такому лазері, на відміну від лазерів інших типів, використовуються випромінювальні переходи не між ізольованими рівнями енергії атомів, молекул і іонів, а між дозволеними енергетичними зонами або подзонами кристала. В напівпровідниковому лазері накачування здійснюється: безпосередньо електричним струмом (пряме накачування); електронним пучком; електромагнітним випромінюванням. Оскільки в напівпровідниковому лазері збуджуються і випромінюють колективно атоми, що складають кристалічну гратку, сам лазер може мати дуже малі розміри. Іншими особливостями напівпровідникових лазерів є високий ККД, мала інерційність, простота конструкції. Типовим представником напівпровідникових лазерів є лазерний діод - лазер, в якому робочої областю є напівпровідниковий p-n перехід. У такому лазері випромінювання відбувається за рахунок рекомбінації електронів і дірок інжектованих в область p-n-переходу. Для отримання лазерного випромінювання також використовують структури з квантовими ямами.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЛАЗЕРИ У лазері на діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. Така пластинка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті утворюється плоский p-n перехід великої площі. Дві бокові сторони (торці) кристала поліруються для створення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, названий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, що випромінюється перпендикулярно цим площинам, проходить через оптичний хвилевід і кілька разів відбивається від торців, перш ніж вийде назовні. Проходячи вздовж резонатора, він буде викликати вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Це відповідає пороговому струму інжекції. Одномодові лазери застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЛАЗЕРИ Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів. Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника. У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують. Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують їх електропровідність. Фоторезистори Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис. а). Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей. Вихідним матеріалом для виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є PbS, CdSe або CdS.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм IТ. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм I=C + IТ, де С - коефіцієнт пропорціональності; Ф - світловий потік; IТ - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів). Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в. При низьких рівнях освітлення залежність I= f(Ф) можна вважати лінійною: I=CФФ + IТ,, де CФ- інтегральна чутливість фоторезистора. Недоліками фоторезисторів є нелінійність характерис­тики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц). Фоторезистори застосовують як оптоелектронні датчики, а також як фотоприймачі в оптронах.

ФОТОДІОДИ У фотодіодах кристал напівпровідника обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на p–n перехід фотодіода внаслідок явища внутрішнього фотоефекту в областях біля переходу відбувається додат­кова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля p–n переходу фотодірки переміщуються до p-області, а фотоелектрони – до n області. При цьому створюється фото ЕРС EФ= (0,1  1,0) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 1. Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум IФ, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2). Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді I=IS(- 1) де IS - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; IФ - фотострум. Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину IФ . Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

ФОТОДІОДИ Оскільки фото ЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I = 0 можна визначити за формулою: EФ=Тln() Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ. Фотодіоди використовують у двох режимах: вентиль­ного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EФ, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла. У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями UЗВ, IЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф. Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3. Параметрами фотодіода є: темновий струм IТ  струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; Uроб - робоча напруга  напруга на діоді у фотодіодному режимі; SФ=IФ/Ф  інтегральна чутливість.

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ До таких фотоприймачів належать фототранзистори та фототиристори. Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум. Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою (IБ=0) (рис. ). Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм IТ=IКБ0(h21Е+1). При освітленні області бази через вікно (Ф>0) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під дією цих електронів зростає струм на величину IФ. Дірки створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково зростає на величину h21Е IФ. Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ Загальний колекторний струм фототранзистора IК=IФ+h21ЕIФ+IТ= (1+h21Е)IФ+IТ Сім’я ВАХ фототранзистора IК = f(UКБ)Ф = const пока­зана на рис. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою, до зростання колек­торного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора SФ в (1+h21Е) раз більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм IФ підсилюється в (1+h21Е) раз. Фототиристори (рис.) є фотоприймачами з ключо­вою пороговою характеристикою, вони застосовуються для перемикання великих струмів і напруги. ВАХ з відкриваю­чою дією світлового потоку показана на рис.  Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ До основних параметрів фотоприймачів відносяться: 1. Довгохвильова границя 0 або довжина хвилі, що відповідає максимуму фоточутливості m; 2. Спектральна чутливість R - величина вихідного сигналу, що припадає на одиницю потужності монохроматичного випромінювання у даній спектральній області; 3 Мінімальна потужність що виявляється Pmin - потужність при якій вихідний сигнал дорівнює рівню шуму. Часто використовується еквівалентна потужність шуму. NEP = Pmin()-1/2 Тобто потужність, віднесена до одиничної полоси пропускання. Тут  - ефективна полоса пропускання підсилювача. 4. Виявна здатність D* - величина обернена Pmin віднесена до одиничної полоси пропускання (1 Гц) і одиничної площі поверхні фотоприймача. 5. Квантова ефективність  - число фотогенерованих носіїв, що припадають на один поглинутий фотон 6. Стала часу  - час за який вихідний сигнал детектора досягне 63% максимального значення. 7. Опір приймача R або приведений опір. Звичайно він наводиться при нульовому зміщенні. 8. Гранична частота  - найбільша робоча частота приладу.

Принцип роботи СЕ можна пояснити на прикладі перетворювачів з p-n-переходом, які широко застосовуються у сучасній геліоенергетиці.       а б Конструкція (а) та принцип дії (б) фотоперетворювача

ПРОЦЕСИ У ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧАХ При роботі СЕ приладів відбуваються наступні процеси: 1. Генерація електронно-діркових пар під дією випромінювання; 2. Дифузія неосновних фотогенерованих носіїв до p-n, гетеро- або переходу напівпровідник-метал; 3. Розділення носіїв переходом; 4. Збирання носіїв омічними контактами. Процеси рекомбінації характеризуються часом життя неосновних носіїв заряду - час життя неосновних носіїв заряду;  - їх теплова швидкість; Sr - переріз захвату носіїв рекомбінаційними центрами. Дифузійна довжина неосновних носіїв заряду пов’язана з їх часом життя де k – стала Больцмана;  - рухливість носіїв заряду; е – заряд електрона.

ВТРАТИ ЕНЕРГІЇ У СЕ

СЕ РІЗНИХ ПОКОЛІНЬ

РОЗПОДІЛ СЕ ЗА МАТЕРІАЛОМ

ВИГОТОВЛЕННЯ ФЕП НА ОСНОВІ Si

ПОВЕРХНЕВА РЕКОМБІНАЦІЯ

Гетеропереходом (ГП) називають контакт двох напівпровідників, які розрізняються структурними та електрофізичними параметрами: кристалічною структурою, шириною забороненої зони, величиною електронної спорідненості, діелектричними сталими, ефективною масою тощо. Внаслідок цього їх експериментальне дослідження та теоретичний опис набагато складніші ніж у випадку p-n-переходів. Розрізняють ізотипні і анізотипні гетеропереходи. Якщо гетероперехід утворений двома напівпровідниками одного типу провідності, то говорять про ізотипний гетероперехід. Анізотипні гетеропереходи утворюються напівпровідниками з різним типом провідності. Найбільш перспективними вважаються СЕ на основі ГП між сполуками А2В6 Гетеропереходи утворенні сполуками цієї групи, досліджуються вже більше 40 років. Однак в основному вивчені структури, де на монокристалічну підкладку з однієї сполуки різними методами нанесена епітаксіальна плівка іншої сполуки. Серед сполук А2В6 тільки ZnTe і CdTe у нелегованому вигляді можуть мати діркову провідність, всі інші мають n-тип, тому створення анізотипних гетеропереходів можливе лише з даними матеріалами.

ТИПОВА КОНСТРУКЦІЯ СЕ НА ОСНОВІ ГП

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОПЛІВКОВИХ ФЕП

ВПЛИВ ГРАНИЦЬ ЗЕРЕН При встановлені впливу міжкристалітних меж на характеристики приладів з сепаруючими бар’єрами (фотодетекторів, СЕ тощо) їх звичайно поділяють на два типи: паралельні цьому бар’єру перпендикулярні йому. Носії які генеруються випромінюванням за межею паралельною p-n чи ГП практично повністю рекомбінують на зерномежевих станах і внеску у фотострум не вносять, суттєво погіршуючи характеристики приладів. При цьому міжкристалічні потенціальні бар’єри є суттєвими перепонами для носіїв заряду, які їх все ж перетнули. В результаті в полікристалічних напівпровідниках рухливість носіїв суттєво знижується у порівнянні з їх рухливістю у монокристалічному матеріалі. Межі перпендикулярні сепаруючому бар’єру призводять до зменшення струмів короткого замикання Isc та напруги холостого ходу Uoc,, збільшення струмів втрати СЕ та інших приладів в яких генеруються носії заряду. Для мінімізації цих втрат зерна полікристалічних плівок повинні бути стовпчастими з розмірами, що перевищують подвоєну дифузійну довжину носіїв заряду (D>>2Ldif).

ТИПИ ПОТЕНЦІАЛЬНИХ БАР’ЄРІВ НА МЕЖІ ЗЕРНА

Залежність Voc від тривалості життя носіїв для СЕ на основі CdTe

НОВІ МАТЕРІАЛИ ПОГЛИНАЮЧИХ ШАРІВ СЕ

Багатоперехідні (каскадні) сонячні перетворювачі У типовому багатоперехідному сонячному елементі одиночні фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією. Пропущені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони і так далі.  

ОПТРОНИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ Оптрон, або оптопара, - це оптоелектронний прилад, що містить у собі конструктивно об’єднані й розміщені в одному корпусі джерело і приймач випромінювання з певним видом оптичного й електричного зв’язку між ними. В електронних схемах оптрон виконує функцію елемента зв’язку, в одній з ланок якого інформація передається оптичним шляхом. Якщо між компонентами оптрона створити електричний зворотний зв’язок, то оптрон стає активним приладом, придатним для підсилення і генерування електричних і оптичних сигналів. Приклад будови резисторного оптрона показано на рис. Як джерело світла в ньому використовується світлодіод 1, як фотоприймач – фоторезистор 3 у вигляді спресованої таблетки. Для зменшення ємнісного зв’язку між джерелом світла та фотоприймачем розміщується прозорий електростатичний екран 4. Внутрішня частина оптрона заливається оргсклом або епоксидною смолою, які захищають прилад від впливу зовнішнього середовища і відіграють роль світловода. Герметичний металевий корпус 2 зовні нагадує корпус простого транзистора.

ЗРОСТАННЯ ККД СЕ

ОПТРОНИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ Джерело і приймач світла в оптроні мають бути спектрально узгоджені між собою. В оптичному видимому діапазоні застосовуються світлодіоди на основі SiC або GaP і фоторезистори на основі селеніду кадмію (CdSe) або сульфіду кадмію (CdS). Проте оптичне середовище в оптроні може створюватися не лише з прозорого компаунда на основі полімерів. Для одержання високої розв’язки виходу і входу використовують волоконні світловоди у вигляді нитки з прозорого діелектрика. Світловий промінь від джерела випромінювання потрапляє в торець світловоду, і після багаторазового відбиття від бічних стінок він виходить з іншого кінця світловоду, зазнавши малого гасіння. За допомогою волоконного світловоду можлива передача сигналу керування на великі відстані з високою електричною розв’язкою і завадостійкістю. Схема вмикання діодного оптрона зображена на рис. Принцип дії оптрона полягає в тому, що під дією вхідного сигналу (сигналу керування) змінюється інтенсивність світлового потоку від випромінювача, і це приводить до зміни внутрішнього опору фотоприймача (фотодіода), струму у вихідному колі та напруги, що знімається з навантаження RH.

ОПТРОНИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ До основних параметрів оптрона належать: коефіцієнт передачі - K=Uвих/Uвх; швидкодія - V; опір розв’язки - Rp >1012 Ом; ємність розв’язки - Cp~1014 Ф. Переваги оптронів: 1. Можливість керувати високою напругою за допомогою низької напруги завдяки високій електричній ізоляції (Rp > 1012 Ом). 2. Широка смуга пропускання (від постійної складової до гігагерців). 3. Фізична і конструктивна різноманітність, широта функціональних можливостей. Оптронам властиві і деякі недоліки. До них належать висока споживана потужність, сильна температурна залежність характеристик, складність виготовлення, високий рівень власних шумів. Залежно від виду фотоприймача розрізняють (рис.) діодні, резисторні, транзисторні, тиристорні оптрони.

ОПТРОНИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ Швидкий розвиток оптоелектроніки зробив можливим у багатьох випадках замінити елементи електронних схем оптронами. Деякі приклади такої заміни наведені у табл. 

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ Мікроелектроніка – це галузь електроніки, пов'язана з розробленням, виготовленням і експлуатацією мікроелект­ронних виробів. Розвиток електронної техніки у другій половині ХХ століття відбувається за такими етапами. 1. 50-ті роки ХХ ст. – етап вакуумної електроніки. Елементна база останньої – елекронно-вакуумні прилади. Відбувається мініатюризація електронних ламп і пасивних елементів, оптимізація їх характеристик і параметрів, засто­совується об'ємний монтаж. Це дозволило підвищити щільність упакування до 200 елементів на 1 дм³ (0,2 елемента на 1 см³). 2. 60-ті роки ХХ ст. – етап дискретної напівпровідни­кової електроніки. Здобутки цього етапу відображені, зокрема, в попередніх розділах цього навчального посіб­ника. Поява і широке впровадження транзисторів, які разом з мініатюрними пасивними елементами утворюють якісний стрибок у мініатюризації пристроїв електроніки, сприяють підвищенню надійності, економічності, зниженню габаритів і маси. Актуалізуються функціонально-вузловий метод конструювання електронної техніки: не з окремих радіоде­талей, а з уніфікованих функціональних вузлів – підсилювачів, генераторів, перетворювачів, тригерів тощо. Застосовуються модулі (мікромодулі) із щільністю упаку­вання 2 елементи на 1 см³. 3. 70-ті роки ХХ ст. – етап мікроелектроніки. Перехід до застосування інтегральних схем (ІС). «Схема» в цьому терміні набуває нового значення: це пристрій, вузол. «Інтегральна» вказує на об'єднання великої кількості електрично з'єднаних елементів у одному виробі (корпусі). В ІС зникає необхідність застосування численних паяних з'єднань, які знижують надійність; зменшуються габарити і маса, а відтак вартість електронних виробів, оскільки зменшується кількість складальних і монтажних операцій. ІС на цьому етапі містять у собі 10-40 еквівалентних елементів (біполярних транзисторів, резисторів, конденсаторів, МДН-структур тощо). Кожна інтегральна схема виконує порівняно просту закінчену функцію (підсилювач, формувач, логічний елемент, тригер, лічильник тощо) і оформляється в автономному корпусі. Подальший розвиток мікромініатюризації до 1000 елементів на кристалі.

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ 4. 80-ті роки ХХ ст. – етап комплексної мікромініатюри­зації електронної техніки, етап великих інтегральних схем (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС). ВІС порів­няно з ІС малого рівня інтеграції більш надійні, дешевші, менші за габаритами. Поява мікропроцесорів дозволила замінити апаратурне (схемне) проектування електронної техніки програмуванням універсальних структур згідно з виконуваною ними функцією. 5. 90-ті роки ХХ ст. – оголошений етап так званої функ­ціональної мікроелектроніки. Втім, на пострадянському просторі внаслідок великих політико-економічних зрушень цей етап був значною мірою провалений, хоча світова електроніка продовжувала неухильно розвиватися. Елементна база цього етапу – ІС, які функціонують на базі нових фізичних явищ і принципів (оптоелектроніка, акусто­електроніка, хемоелектроніка, магнітоелектроніка, поляроніка тощо). Особливістю елементів функціональної мікроелектроніки є застосування середовищ з розподіленими параметрами, в яких не вдається виділити окремі області, що виконують функції звичайних радіоелементів. Тому зрештою це елект­ронні схеми, які не містять елементів і міжз’єднань у звичайному розумінні. Такі схеми можна характеризувати лише в цілому з огляду на функцію, що ними виконуються, причому вони можуть мати такі характеристики, яких не мають звичайні радіосхеми.

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ Мікроелектронний виріб – електронний пристрій з високим ступенем інтеграції (об'єднання) електрорадіоелементів. Інтегральна схема (ІС) – мікроелектронний виріб, який виконує певну функцію перетворення та обробки сигналів і має високу щільність упакування електрично з'єднаних елементів (більше ніж 5 елементів на 1 см³). З точки зору виготовлення і експлуатації ІС розглядається як єдине ціле і складається з елементів та компонентів. Елемент ІС – частина ІС, що реалізує функцію будь-якого радіоелемента (транзистор, діод, резистор, конденса­тор). Він не може бути відділеним від ІС як самостійний виріб і виконаний у кристалі ІС. Наприклад, елементами ІС є біполярні транзистори і діоди у напівпровідникових мікросхемах, плівкові резистори в гібридних мікросхемах. Компонент ІС – частина ІС, яка реалізує функцію будь-якого електрорадіоелемента. Однак компонент є самостійним виробом, що виготовляється окремо від ІС і може бути відділений від ІС. Наприклад, біполярні транзистори і діоди в гібридних ІС. Напівпровідникова ІС – це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані в об'ємі і на поверхні напівпровідникової пластини (рис. ).

ОСНОВИ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ Плівкова ІС - це ІС, у якої всі елементи і міжз’єднання виконані у вигляді різних плівок, нанесених на поверхню діелектричної підкладки. Гібридна ІС являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів і активних компонентів, розміщених на спільній діелектричній підкладці (рис. ). Суміщена ІС  це мікросхема, в якій активні елементи розміщені в об'ємі напівпровідникового кристала, а пасивні, виготовлені за плівковою технологією, наносяться на попередньо ізольовану діелектриком поверхню напівпровідникового кристала (рис. ).

ЕЛЕМЕНТИ КОНСТРУКЦІЇ ІС Корпус ІС – призначений для захисту ІС від зовнішніх впливів і для з'єднання із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Разом із корпусними випускаються і безкорпусні ІС. Підкладка ІС – заготовка, призначена для виготовлення на ній елементів гібридних ІС, міжз’єднань і контактних площадок. Напівпровідникова пластина  заготовка з напівпровід­никового матеріалу, яка застосовується для виготовлення напівпровідникових інтегральних схем (рис. поз. 1). Кристал ІС, чіп – частина напівпровідникової пластини (прямокутник 5х5 мм), у об'ємі і на поверхні якої сформовані елементи ІС, міжз’єднання і контактні майданчики (рис. поз. 2). Контактні майданчики – металізовані ділянки на підкладці або кристалі, призначені для приєднання до виводів корпуса ІС, а також для контролю її електричних параметрів і режимів (рис. поз. 3). Мікроскладання – мікроелектронний виріб, який вико­нує певну функцію і складається з елементів, компонентів і інтегральних схем (корпусних і безкорпусних) з метою мікромініатюризації електронної техніки. Мікроблок – мікроелектронний виріб, який, окрім мікроскладань, містить ще інтегральні схеми і компоненти. Серія ІС – це сукупність ІС, які можуть виконувати різноманітні функції, але мають єдине конструктивно-технологічне використання і призначені для спільного застосування (напр., серія 133, серія 155, серія 140).

КЛАСИФІКАЦІЯ IC 1. За технологією виготовлення ІС поділяють на: напівпровідникові; плівкові; гібридні. 2. За функціональними призначеннями: аналогові (АІС); цифрові (ЦІС). 3. За ступенем інтеграції, який оцінюється показником k = lgNe, де Ne – число елементів і компонентів у складі ІС: малої інтеграції: Ne ≤ 10, k = 1, 10 < Ne ≤ 100, k = 2; середньої інтеграції: 100 < Ne ≤ 1000, k = 3; великі інтегральні схеми (ВІС): 1000 < Ne ≤ 10000, k = 4; надвеликі інтегральні схеми (НВІС): 10000 < Ne ≤ 100000, k = 5. 4. За функціональними можливостями: універсальні; спеціалізовані. 5. За типом основного активного елемента: ІС на біполярних транзисторах; ІС на уніполярних транзисторах (МДН, КМДН). 6. За конструктивним виконанням: корпусні; без корпусні.

СИСТЕМА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ІС Упроваджена на підставі ГОСТ 17021-75 1-й елемент: 1, 5, 6, 7 – напівпровідникові ІС; 2, 4, 8 - гібридні ІС; 3 - інші (плівкові, вакуумні). 2-й елемент Означає порядковий номер розробки (точніше, даної серії). Може містити 2-3 цифри. 3-й елемент: ЛА – логічний елемент І – НЕ; ЕН – стабі­лізатор напруги; ТВ – JК тригер; ТМ – D-тригер; ТМ  D-тригер; ТР – RS-тригер; ІP – регістр; ІE – лічильник; СА – компаратор; ПВ – АЦП; ПА – ЦАП; УВ – підсилювач ВЧ; УР – підсилювач проміжної частоти; УН – підсилювач НЧ; УВ – відеопідсилювач; УЕ – емітерний повторювач; ФВ – фільтр ВЧ; ФН – фільтр НЧ; ГС – генератор синусоїдних сигналів.

ГІБРИДНІ IC Основою мікроелектроніки є метод інтеграції (об'єднання) елементів. При цьому сукупність елементів ІС і міжз'єднань виготовляється в єдиному технологічному процесі – одержують закінчений функціональний вузол. Автономно або разом із додатковими елементами цей вузол власне утворює інтегральну схему. Застосовуються дві основні технології виготовлення ІС – гібридна і напівпровідникова. До технології виготовлення ІС ставлять 2 суперечливі вимоги: 1 Підвищений ступінь інтеграції (щільності упакування). 2 Необхідно мати універсальні ІС. Втім, збільшення ступеня інтеграції ІС обмежує сферу її застосування, тобто призводить до зниження універсаль­ності схеми. Наявність двох технологій – гібридної і напівпровід­никової – дещо розв'язує цю суперечність. Максимальну щільність упакування дає напівпровідникова технологія, проте вона є складною, і властивості елементів, виготов­лених за нею, не завжди задовольняють вимогам ТУ (напри­клад, розкид параметрів і т. ін.) Гібридна технологія є більш економною і пристосованою до спеціальних прецизійних пристроїв, дозволяє одержати ІС із кращими властивостями, хоча при цьому з низьким ступенем інтеграції. Варто пам'ятати, що, крім напівпровідникових і гібридних ІС, існують ще й плівкові ІС. Плівкова ІС – це така, у якої елементи і міжз'єднання виготовляються з плівок необхідної форми з різними електрофізичними властивостями і розміщуються на поверхні діелектричної підкладки або діелектричної плівки. Однак плівкова технологія не дозволяє виготовляти активні елементи із задовільними параметрами. Відтак чисто плівкові ІС – це пасивні схеми (переважно резистивні розподільники напруги, набір резисторів і конденсаторів, резистивно-ємнісні схеми). Тому всі переваги плівкової технології застосовуються у високопрецизійних гібридних ІС.

ГІБРИДНА ТЕХНОЛОГІЯ Гібридна технологія полягає у наступному (рис.). На відшліфовану діелектричну підкладку (скло, кераміка) за допомогою масок наносяться плівки резистивних і провідникових матеріалів, а також контактні площадки. Активні елементи за плівковою технологією, як уже зазначалося, не виготовляються, а виробляються окремо, у безкорпусному виконанні, а потім підпаюються. Підкладка розрізається на окремі ІС, які вкладаються до корпусів і приєднуються до контактних площадок виводів. Корпуси герметизуються і маркуються. Розрізняють два різновиди плівкових ІС: товстоплівкові, у яких товщина нанесених плівок d > 10 мкм; тонкоплівкові, у яких d ≤ 1-2 мкм. Нанесення резистивних і провідникових плівок здійснюється через випарювання у вакуумі різноманітних матеріалів за допомогою трафаретів: ніхрому, двоокису олова і т.ін. Плівкові резистори (рис.) мають значно більший діапазон номінальних значень і менший розкид параметрів порівняно з дифузійними резисторами (виготовленими за напівпровідниковою технологією). Опір плівкового резистора залежить від товщини і ширини плівки, її довжини і матеріалу. Для створення більших опорів застосовуються з'єднання кількох плівок, резистори зигзагоподібної форми тощо.

ПЛІВКОВІ КОНДЕНСАТОРИ Плівкові конденсатори створюються шляхом почергового нанесення на діелектричну підкладку провідникових і діелектричних плівок (рис.1). Плівкова технологія дозволяє виконувати також індуктивності (у тому числі і трансформатори) у вигляді плоских спіралей прямокутної форми (рис. 2). На площі, яка не перевищує 25 мм², можна одержати індуктивність L ≤ 0,5 мкГн. Наноситься також феромагнітна плівка для формування осердя.

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ IC Напівпровідникова (монолітна, твердотільна) технологія більш придатна для масового виробництва ІС з високим ступенем інтеграції, характеристики яких не критичні щодо розкиду параметрів пасивних елементів, їх температурної нестабільності і впливу паразитних зв'язків. За напівпровід­никовою технологією виготовляється більшість цифрових інтегральних схем і багатофункціональних аналогових ІС. Надійність напівпровідникових мікросхем значно вища, ніж у гібридних ІС, внаслідок невеликої кількості припаювань. Усі елементи напівпровідникових ІС виконані всередині напівпровідникового кристала – чіпа. Товщина чіпа – 200-300 мкм, горизонтальні розміри – від 1,51,5 мм до 6,06,0 мм. Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем На кремнієвому кристалі (рис.) створюється тонкий шар двоокису SiO2. На нього наноситься шар 1 фоторезиста. Це речовина, яка під дією опромінення стає кислотостій­кою. Фоторезист опромінюється ультрафіолетовими променями через фотошаблон 3 (фотопластинка з відповідним рисунком із прозорих і непрозорих ділянок). Опромінені ділянки 5 витравлюються травником. Цей процес назива­ється фотолітографією. На ділянках 5 утворюються вікна, через які здійснюється процес дифузії донорних атомів із нагрітого газу 6.

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ IC Таким чином, у кремнієвому кристалі формуються n – області (так звані «кишені»), які відповідають емітерам усієї сукупності біполярних транзисторів цієї ІС. При повторенні операцій послідовно формуються області бази, потім  колектора. Паралельно формуються пасивні елементи, а на поверхні кристала – міжз'єднання і контактні площадки. Планарно-дифузійна технологія має такі недоліки: нерівномірний розподіл домішок у областях; нерівномірний опір колектора і збільшення його значення; відсутні чіткі межі переходів, що призводить до зменшення напруги пробою між колектором і підкладкою; підкладка дуже впливає на електричні параметри транзистора ІС. Натомість біполярні інтегральні транзистори, виготовлені за планарно-епітаксійною технологією, відзначаються рівномірним розподілом домішок (рис. ). У них на p-підкладці вирощується колектор n - типу. Для зменшення опору колектора, а отже, зниження втрат потужності і ступеня впливу підкладки створюють прихований n+- шар, який має менший порівняно з епітаксійним n - шаром опір. Цей прихований шар створюється за допомогою додаткової дифузії донорних домішок у відповідні ділянки підкладки.

ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ МДН- СТРУКТУР Послідовність операцій цієї технології показана на рис. Вирощується товстий (до 1,5 мкм) шар окису кремнію SiO2 (а); за допомогою фотолітографії витравляється «вікно» (б); це вікно покривається тонким шаром SiO2 (0,2 мкм) (в); потім уся пластина покривається шаром матеріалу затвора (алюміній, хром, молібден) (г); за допомогою фотолітографії залишається шар металу тільки над тією областю, де буде затвор (д); шляхом дифузії та іонного легування створюються p+- області витоку і стоку (причому електрод затвора служить маскою) (е).

ІЗОЛЯЦІЯ Усі елементи напівпровідникових інтегральних схем містяться в єдиному кристалі. Тому ізоляція елементів від кристала і один від одного є дуже важливою. Застосовуються такі способи ізоляції: 1. Ізоляція за допомогою p-n – переходу (рис. а). Перехід зміщується у зворотному напрямі за допомогою негативного потенціалу (порядку кількох вольтів), який стало подається на підкладку. Перехід має дуже високий опір (кілька мегомів). Це зумовлене застосуванням кремнію з шириною забороненої зони ∆W=1,12 еВ. Ізоляція цього виду найбільш проста і дешева. У «кишенях» в подальшому формуються активні та пасивні елементи. 2. Ізоляція за допомогою шару діелектрика (рис. б). Між «кишенями» і кристалом кремнію утворюють тонкий діелектричний шар двоокису кремнію SiO2. Якість ізоляції поліпшується, але виготовлення ускладнюється. Порівняно з попереднім способом ізоляції зменшується паразитна ємність між «кишенею» і кристалом.

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ При виготовленні транзисторів напівпровідникових ІС, як правило, використовується кремнієва підкладка p - типу. Отже, інтегральні біполярні транзистори мають n­-p-­n – структуру. Завдяки застосуванню кремнію, збільшується допустима робоча температура (до 150 0C); зменшуються зворотні струми; легко можна через окиснення одержати захисний шар SiO2. n­-p-­n – структура поліпшує частотні властивості транзисторів, оскільки електрони мають більшу рухливість, ніж дірки. Біля колекторного переходу область колектора повинна мати знижену концентрацію донорних домішок, щоб при зростанні товщини переходу зменшувалася його бар'єрна ємність і зростала напруга пробою. Область емітера n+-типу – для зменшення опору і збільшення рівня інжекції. Для біполярних транзисторів ІС; =200; fгр=500 МГц; СКП =0,5 пФ; UKпроб ≤ 50 В; UЕпроб ≤ 8. У інтегральних біполярних транзисторів, як правило, відсутнє джерело зміщення бази. Отже, для них режим відсічки – це активний режим при малих струмах (IK< IKmin, рис.).

БАГАТОЕМІТЕРНІ ТРАНЗИСТОРИ Чотирьохемітерні біполярні транзистори з об'єднаними колекторами і базами – це сукупність чотирьох незалежних транзисторних структур (оскільки взаємодія електродів через електрично нейтральну базу практично відсутня). До кожного емітера багатоемітерного транзистора E1, E2, E3, E4 (рис.) може бути ввімкнене своє джерело відпираю­чої напруги. До інших джерел такий імпульс напруги не потрапляє, оскільки емітерні переходи, що не працюють у цей момент, перебувають під зворотною напругою. Кількість емітерів у такому транзисторі обмежена максимально допустимою відстанню між ними l ≤ 10 мкм і становить, як правило, 4 - 8. Окрім багатоемітерних, у напівпровідникових ІС поширені і багатоколекторні транзистори. Структура їх ідентична до багатоемітерних транзисторів, просто емітери стають колекторами, а колектор – емітером. Супербета - транзистори За рахунок надзвичайно тонкої бази (l = 0,2 - 0,3 мкм) коефіцієнт β цих транзисторів становить декілька тисяч. Однак напруга пробою у цих транзисторів UKпроб ≤ 1,5-2 В. При великих напругах настає пробій змикання.

БТ З БАР'ЄРОМ ШОТТКІ Для підвищення швидкодії транзистора у ключовому режимі (зниження часу розсмоктування неосновних носіїв у базі) застосовується легування бази золотом, яке прискорює рекомбінацію. Але більш ефективним з цією метою є застосування транзисторів з бар'єром Шотткі, у яких колекторний перехід зашунтований діодом Шотткі (рис. ). Діод Шотткі побудований на основі контакту «метал-напівпровідник» і має випрямні властивості. У цій конструкції діод Шотткі створюється у місці контакту металу з високоомною колекторною областю. У режимі відсічки і активному режимі потенціал колектора більший за потенціал бази (К>Б), діод Шотткі закритий, і транзистор із бар'єром Шотткі працює як звичайний біполярний транзистор. У режимі насичення К<Б діод Шотткі відкривається, основна частина базового струму протікає у колектор через відкритий діод. Тому надлишковий заряд у базі не накопичується, і через це при вимкненні транзистора (при переході з режиму насичення до режиму відсічки або активного режиму) буде відсутньою стадія розсмоктування надлишкового заряду у базі.

МОН (МДН)- ТРАНЗИСТОРИ Інтегральні МДН - структури найчастіше виготовляються з індукованим каналом. З цією метою за планарно-дифузійною технологією створюються n+ – «кишені» витоку і стоку. На переходах між «кишенями» і підкладкою підтримується зворотна напруга, тобто здійснюється ізоляція (рис.1). У деяких ІС застосовують пари МОН (МДН)-транзисторів з каналами n - і p - типу на одному кристалі. Такі пари називаються комплементарними транзисторами (КМОН, КМДН). Вони відрізняються надзвичайно малим споживанням струму (рис. 2).

ДІОДИ Замість діодів застосовуються біполярні транзистори у діодному вмиканні. Існує п'ять варіантів такого вмикання. У цих варіантах різною є пробійна напруга. У варіантах 1, 3 і 4 Uпроб = (5-7) В. У варіантах 2 і 5 Uпроб = (20-50) В. У варіантах 1 і 4 зворотні струми малі, бо площа емітерного переходу менша за площу колекторного. Найбільший зворотний струм у схемі 3 за рахунок паралельного вмикання переходів. Найбільшу швидкодію виявляє варіант 1 (час перемикання – одиниці наносекунд). У варіанті 4, де також застосовується тільки емітерний перехід, час перемикання в кілька разів вищий. Обидва варіанти мають мінімальну ємність (частки пФ). Варіанти 1 і 4 застосовуються у швидкодійних низьковольтних схемах. Варіант 3 має максимальний час перемикання (до 100 нс) і дещо більшу ємність. Найчастіше застосовуються варіанти 1, 4. Варіант 1 у прямому вмиканні використовується як стабілізатор для стабілізації 0,7 В (або як напруги, кратної 0,7 В, при послідовному з'єднанні таких діодів).

РЕЗИСТОРИ Так звані дифузійні резистори одержують з бази інтегрального біполярного транзистора (рис.). Опір таких резисторів залежить від концентрації домішок напівпровідника і геометричних розмірів ділянки кристала. Номінал опору перебуває в межах десятків Ом – десятків кОм, розсіювана потужність становить 0,1 Вт, допуск номіналу – 15 - 20%. На відміну від звичайних активних опорів дифузійні резистори є частотозалежними з причини впливу бар'єрної ємності ізолюючого – переходу. У напівпровідникових ІС застосовуються і т. зв. квазілінійні резистори на МДН – транзисторах з індукованим каналом (рис.). У них використовується ділянка вихідної (стокової) характеристики до настання перекриття каналу. Змінюючи величину напруги Uз, ми перестроюємо квазілінійний резистор. Опір таких елементів набуває значень від сотень Ом до десятків кОм. Можуть застосовуватися також т.зв. пінч-резистори, в яких реалізується структура польового транзистора з керувальним p–n переходом.

КОНДЕНСАТОРИ Найчастіше застосовуються дифузійні конденсатори, в яких основним параметром є бар'єрна ємність p-n – переходу, що, як відомо, залежить від площі переходу, діелектричної проникності ε напівпровідника, концентрації домішок і прикладеної зворотної напруги (рис. ) Ємність цих елементів набуває значень від 500 до 1500 пФ з допуском ±20%. Номінал ємності визначає фіксована зворотна напруга. Дифузійні конденсатори можуть працювати і як конденсатори змінної ємності: змінюючи зворотну напругу від 1 до 10 В, змінюють ємність у 2-2,5 раза. У напівпровідникових ІС застосовують МОН– конден­сатори (т. зв. металооксидні конденсатори) (рис.). Однією обкладкою є дифузійний шар n+, на якому створюється плівка SiO2. Поверх цього шару наноситься алюмінієва плівка, яка відіграє роль другої обкладки. Ємність С ≤ 500 пФ, допуск ±25%. У таких конденсаторах, на відміну від дифузійних, немає необхідності строго дотримуватися полярності вмикання. Крім того, в них відсутня нелінійна залежність ємності від напруги.

ІС З ІНЖЕКЦІЙНИМ ЖИВЛЕННЯМ Традиційними недоліками біполярних ІС є: мала щільність упакування; висока розсіювальна потужність. Ці недоліки подолані в ІС з інжекційним живленням. Ці схеми – насамперед логічні елементи, побудовані відповідно до принципу інжекційного живлення. Вони називаються інтегральною інжекційною логікою (ІІЛ або І²Л). Застосовуються в ВІС, зокрема у мікропроцесорах (серії К 582, К584). І²Л - елементи не мають аналогів у дискретних транзисторних схемах. За щільністю упакування вони перевищують навіть МОН-структури, а за рівнем розсіюваної потужності наближається до КМОН - структур. При цьому зберігається висока швидкодія, властива біполярним ІС. Основою І²Л елемента є схема рис. Елемент являє собою структуру, що складається з двох фізично об'єднаних транзисторів: горизонтального p-­n-­p і вертикального n-­p-­n. Емітерна область p-­n-­p  транзистора називається інжектором і підкладається до позитивного полюса джерела живлення (+Е). Від одного інжектора можуть живитися декілька схем. Вертикальний n­-p­-n  транзистор має кілька колекторів, які служать вихідними виводами логічного елемента. Особливості конструкції: спільна область n – типу є водночас базою p-­n-­p транзистора та емітером n-­p-­n  транзистора і підключається до корпуса; спільна область p – типу служить колектором p-­n-­p  транзистора і базою n-­p-­n  транзистора. За такої фізичної структури не потрібна ізоляція між окремими елементами І²Л, оскільки вони мають спільну n – область. Через це досягається висока щільність упакування (10000 елементів на кристалі). Весь елемент займає площу, що дорівнює площі одного багатоемітерного транзистора. Зображений на рис. типовий елемент І²Л – це логічний елемент НІ (ключ – інвертор).

ІС З ІНЖЕКЦІЙНИМ ЖИВЛЕННЯМ Його електричну схему можна подати у вигляді пари комплементарних біполярних транзисторів: V2 – багато­колекторний транзистор n-­p-­n, основа ключа; V1 - p­-n­-p – транзистор, постійно відкритий, який служить у схемах І²Л джерелом струму IГ. Цей струм створюється інжекцією дірок через ЕП p-­n­-p – транзистора V1. Тому емітер, який виконує функцію джерела струму, вважається інжектором, а самі елементи – логічними елементами з інжекційним живленням. Величина Е = 1,0 - 1,5 В. Через це логічні рівні схеми малі і становлять: U1 = 0,75 В; U0 = 0,05 В. І²Л-елемент працює у позитивній логіці. Якщо Uвх =U1 = 0,75 В, то багатоколекторний транзистор V2 відкритий, струм IГ = IК1 тече в його базу, насичуючи прилад. При цьому на всіх колекторах V2 буде низький потенціал: Uвх = U0 = 0,05 В. Якщо ж Uвх = U0 = 0,05 В, то транзистор V2 закривається, і струм IГ =IК1 потече у вхідне коло. На виході І²Л-інвертора буде Uвх = U1 = 0,75 В – високий потенціал. Описаний І²Л-елемент є будівельною «цеглиною» більш складних логічних елементів.

Дякую за увагу Дякую за увагу