Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 181

накачки, чем светодиод. Это позволяет при превышении некоторого

порогового значения получить режим индуцированного излучения.

Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью,

благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину

спектра излучения (1–2 нм) по сравнению с 30–50 нм у светодиодов

(рис. 113). В таком режиме работы р–n-переход испускает монохрома-

тичный строго направленный луч света. Зависимость мощности излуче-

ния от тока накачки описывается ватт-

амперной характеристикой лазерного

диода. При малых токах накачки лазер

испытывает слабое спонтанное излу-

чение, работая как малоэффективный

светодиод. При превышении некото-

рого порогового значения тока накач-

ки I

пор

излучение становится индуци-

рованным, что приводит к резкому

росту мощности излучения и его ко-

герентности (рис. 114), т.е. спектр из-

лучения становится очень узким.

Чаще всего полупроводниковый

лазер представляет собой пятислой-

ную эпитаксиальную структуру на

основе твёрдых растворов InAlGaAsP, выращиваемую методом МОС-

гидридной эпитаксиальной технологии.

Обычно конструкция лазера совмещена с модулятором. Длина вол-

ны генерируемого излучения определяется составом излучающей

структуры. Далее в таблице приведены параметры полупроводниковых

материалов, наиболее часто используемых для изготовления излуча-

ющих приборов.

На рис. 115 показана базовая структура лазера с р–n-переходом. Две

боковые грани структуры скалываются или полируются перпендику-

лярно плоскости перехода. Смещение лазерного диода в прямом на-

правлении вызывает протекание тока.

Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излуче-

ние, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении сме-

щения ток достигает порогового значения, при котором создаются ус-

ловия для стимулированного излучения, и р–n-переход испускает моно-

хроматичный строго направленный луч света.

Рис. 114. Зависимость мощности

излучения от тока накачки

182 В.П. Леонов

Таблица параметров

Материал

Карбид кремния

SiC

Фосфид галлия

GaP

Твёрдый раствор

AlGaAs

Арсенид галлия

GaAs

Кремний Si

Германий Ge

Арсенид индия

InAs

Антимонид

индия

InSb

Кадмий – ртуть

– теллур

CdHgTe

Ширина

запрещённой

зоны E

, эВ

3,0 2,26

1,41–1,61

1,42 1,12 0,66 0,36 0,17 0,10

Длина

волны

гр

, мкм

0,4 0,54

0,77–0,87

0,86 1,09 1,85 3,4 7,2 12,2

Рис. 115. Схема конструкции полупроводникового лазера

Волоконно-оптические линии связи

Идея волоконно-оптической передачи была сформулирована еще в

1910 г. Д. Хондросом и П. Дебаем, которые рассматривали распростра-

нение электромагнитных волн в диэлектрических стержнях. Оптоэлек-

тронные приборы широко используются в волоконно-оптических лини-

ях связи (ВОЛС) (рис. 116). В 50-е годы ХХ века в США и Англии были

разработаны волокна, предназначенные для передачи изображения. Эти

волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для

визуального наблюдения внутренних органов человека. Тогда же стали

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 183

использовать термин «волоконная оптика» (1956 г.). В 1972 г. были по-

лучены кварцевые волокна, которые можно было использовать для пе-

редачи информации. А в 1976–1977 гг. оптоволоконные линии связи

стали успешно применяться в телефонных системах. В 1990 г. Линн

Моллинар, сотрудник Bellcore, продемонстрировал возможность пере-

дачи сигнала без регенерации со скоростью 2,5 Гбит/с на расстояние

около 7500 км. В то же самое время японской компанией Nippon

Telephone & Telegraph была достигнута скорость 20 Гбит/с, правда, на

существенно более короткое расстояние [28, 31].

Рис. 116. Схема волоконно-оптической линии связи

При современной технологии скорость передачи информации может

достигать на одно волокно 10 Гбит/с и выше. Используя при этом тех-

нологию волнового мультиплексирования, можно пропустить по одно-

му волокну не менее 400 таких потоков. Таким образом, общая скорость

достигает десятков терабит в секунду.

Основные преимуществах волоконной оптики:

• Широкая полоса пропускания.

• Низкие потери.

• Нечувствительность к электромагнитным помехам.

• Малый вес.

Технологический процесс производства оптоволокна (ОВ) происхо-

дит в два этапа: изготовление заготовки и вытягивание волокна. Заго-

товка представляет собой стержень из кварцевого стекла SiO

, имею-

щий тот же профиль показателя преломления, что и получаемое из него

ОВ. Диаметр заготовки составляет 15–20 мм, а длина – от одного до

нескольких метров. Из одной заготовки можно получить 50–200 км во-

локна с внешним диаметром 100–240 микрон. Каждый световод состо-

ит из центрального проводника – сердцевины, и стеклянной оболочки,

которая имеет меньший показатель преломления. В силу этого, проходя

по сердцевине, луч света отражается от покрывающей оболочки и не

выходит за пределы центрального слоя. При изготовлении заготовок

обычно используют метод парофазного осаждения. В основе метода

184 В.П. Леонов

лежит реакция окисления высокочистых газовых компонентов (напри-

мер, SiCl

, GeCI

), в результате которой образуются SiO

и GeO

. В за-

висимости от того, где осаждаются частицы кварцевого стекла – на

внешней поверхности несущего керамического стержня или на внут-

ренней поверхности кварцевой исходной трубки, различают методы

внешнего и внутреннего парофазного осаждения. Необходимая раз-

ность показателей преломления сердцевины и

оболочки оптоволокна может быть достигнута

легированием кварцевого стекла соответст-

вующими добавками. Так, для увеличения по-

казателя преломления сердцевины в состав

SiO

вводят окислы GeO

, P

и ТiO

. Для

уменьшения показателя преломления оболочки

используют двуокись бора В

или фтор.

Температура плавления кварца – приблизи-

тельно 1900 °C. Полученная заготовка далее

подвергается вытягиванию при температуре

2000–2100 °С для того, чтобы получить воло-

конно-оптический кабель (ВОК) с требуемыми

оптическими свойствами (рис. 117). ВОК по-

ставляется на катушках (или барабанах), пред-

ставляющих одну кабельную секцию, которая

имеет длину 1, 2, 5 и 10 км.

Все оптические волокна делятся на три ти-

па: многомодовое волокно со ступенчатым из-

менение показателя преломления (рис. 118, а),

многомодовое волокно с плавным (градиентным) изменением показате-

ля преломления (рис. 118, б) и одномодовое волокно (рис. 118, в). Эти

три типа волокна отличаются диаметром центрального световода. Тер-

мин «мода» означает режим распространения светового луча в цен-

тральном световоде волокна. Многомодовые волокна имеют более тол-

стый центральный световод, диаметр которого равен 50, 62,5 или 85

микрон. В таком волокне одновременно может распространяться не-

сколько световых лучей, отражающихся от внешней оболочки под раз-

ными углами. Угол отражения луча от внешней оболочки и называется

модой луча. Технические характеристики многомодовых волокон хуже,

чем одномодовых. Однако технология их изготовления проще, и потому

они дешевле, чем одномодовые волокна. Многомодовые кабели исполь-

зуют для передачи информации на расстояния 300–2000 м со скоростью

Рис. 117. Технология

изготовления опто-

волокна

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 185

до 1 Гбит/с. Для передачи на большие расстояния используются так на-

зываемые эрбиевые усилители сигнала на основе оптоволокна, легиро-

ванного редкоземельным элементом эрбием. В качестве источника для

них используют светодиоды. Одномодовые же кабели имеют толщину

центрального сердечника 8,6–9,5 мкм. Их применяют для передачи ин-

формации на расстояния до нескольких сотен километров, со скоростью

до нескольких терабит в секунду. В качестве источника для них исполь-

зуют полупроводниковые лазеры. Большинство устройств волоконной

оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800

до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм.

Рис. 118. Три типа оптоволокна

Помимо собственно оптического волокна такие кабели содержат

также силовые упрочняющие элементы, а также внешнюю оболочку. В

результате армирования стальной лентой их можно подвешивать на

опорах, укладывать под водой, в канализационных колодцах и т.д. Со-

186 В.П. Леонов

временные ВОК имеют от нескольких десятков до нескольких сотен

отдельных оптоволокон. Помимо стеклянных оптоволокон используют-

ся также и волокна из пластика. Они имеют пластиковое ядро и пласти-

ковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон

пластиковые имеют более ограниченные возможности. Но низкая себе-

стоимость и простота их получения и применения делают их весьма

привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе

пропускания не столь высоки. Пластиковые волокна являются доста-

точно прочными, с малым радиусом изгиба и способностью восстанав-

ливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот тип воло-

кон находит применение в автомобилестроении, музыкальных систе-

мах, различной бытовой технике.

Оптоэлектроника, полупроводники, люди

Свет издавна применяли для передачи информации. На морских су-

дах использовали сигнальные лампы, а на суше устанавливали маяки. В

девяностых годах XVIII века во Франции был построен оптический те-

леграф длиной 230 км. Сообщения передавалось с одной башни на дру-

гую с помощью системы телеграфных башен из одного конца в другой

за 15 минут. Аналогичный телеграф был построен и в США. В 1870 г.

английский физик Джон Тиндалл на заседании Королевского общества

показал, как свет, распространяясь в струе воды, огибал углы в изогну-

той струе. Аналогичным образом пучок света распространяется и внут-

ри оптического волокна.

Сегодня невозможно представить современную технику связи без

ВОЛС. Огромный вклад в создание светодиодов и полупроводниковых

лазеров внесли отечественные учёные. Впервые «полупроводниковый

свет» на карбиде кремния наблюдал в 1922 г. восемнадцатилетний ра-

диолюбитель, только что окончивший школу, Олег Владимирович Ло-

сев, работавший тогда в Нижегородской радиолаборатории. Свою карь-

еру в этой лаборатории он начинал курьером, разнося документы по

адресам. В своих экспериментах О.В. Лосев заметил свечение из-под

иглы. В 1927 г. он занялся исследованием этого свечения. В 1928 г. ра-

диолаборатория была закрыта, и директор Ленинградского физико-

технического института А.Ф. Иоффе взял Лосева на работу в свой ин-

ститут. О.В Лосеву была присуждена степень кандидата физико-

математических наук без защиты и без вузовского диплома. В 30-е годы

прошлого века во многих физических журналах мира авторы ссылались

Глава 3. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов 187

на публикации О.В. Лосева. 22 января 1942 г. в блокадную зиму, на

39 году жизни, О.В. Лосев скончался от истощения.

В 50-е годы ХХ века обнаружилось, что германиевые транзисторы

не могут работать при повышенных температурах. И тогда начались

поиски новых полупроводниковых материалов для их использования

при изготовлении транзисторов. Вскоре место германия прочно занял

кремний, однако теперь на первый план вышла инфракрасная техника,

на основе которой можно было создавать многочисленные изделия, в

частности приборы ночного видения, головки самонаведения для ракет

и т.д.

Однако работы О.В. Лосева не были забыты. В 1950 г. Нина Алек-

сандровна Горюнова, основоположница химии сложных алмазоподоб-

ных полупроводников, предсказала полупроводниковые свойства ряда

интерметаллических соединений. В 1963 г. она возглавила лабораторию

физико-химических свойств полупроводников ленинградского Физико-

технического института им. А.И. Иоффе Российской академии наук.

Именно тогда в этой лаборатории были выращены первые кристаллы

арсенида галлия и других соединений A

. В 1968 г. появляется её

итоговая монография, где была предложена периодическая система по-

лупроводниковых соединений. Нина Александровна умерла от тяжелой

болезни 31 января 1971 г., едва достигнув 54 лет. В эти же годы анало-

гичные работы были начаты и в Сибирском физико-техническом инсти-

туте при ТГУ. Некоторые из этих работ были далее реализованы в про-

мышленности, в частности в созданном в те годы в Томске НИИ полу-

проводниковых приборов, где и по настоящее время выпускаются опто-

электронные изделия. Признанием заслуг томских учёных в этой облас-

ти является систематическое проведение в Томске конференций по со-

единениям А

раз в 4–5 лет.

К 1961 г. сформулированы теоретические предпосылки создания

полупроводникового лазера. Летом 1962 г. начались интенсивные рабо-

ты по созданию полупроводникового лазера, поскольку именно он мог

кардинально преобразить облик новой электроники. В конце июля

1962 г. американские учёные выбрали для этой цели арсенид галлия. В

сентябре-октябре лазерный эффект получили сразу в трех лаборатори-

ях. Развитие лазерных полупроводниковых диодов связано с гетерост-

руктурами. Отечественный вклад и приоритет получили мировое при-

знание. В 2000 г. Жоресу Ивановичу Алфёрову за эти работы была при-

суждена Нобелевская премия. Несколько лет группа Алферова билась

над поиском подходящего для реализации материала, а нашла его в со-

188 В.П. Леонов

седней лаборатории у Н.А. Горюновой. Гетеролазер на этом материале

был создан в канун 1969 г., а приоритетной датой обнаружения лазер-

ного эффекта является 13 сентября 1967 г. В том же 1962 г. в НИИ

«Сапфир» было развернуто производство светодиодов на основе карби-

да кремния, что означало развитие идей Лосева на более современной

технологической основе. Светодиоды отличались низкой эффективно-

стью, но, благодаря их безынерционности, им было найдено важное

применение в ядерной физике для калибровки счетчиков частиц.

Выводы

Физика полупроводников, выделившаяся из физики твёрдого тела,

является тем теоретическим фундаментом, на котором сформировалась

физика полупроводниковых приборов. Многообразие полупроводнико-

вых приборов обусловлено большим набором специфических эффектов,

наблюдаемых в полупроводниках, а также изощрёнными инженерными

решениями. Для полупроводниковых приборов характерно доминиро-

вание межграничных контактов как основных механизмов реализации

рабочих функций этих приборов. Это утверждение относится к таким

контактам, как р–n-переход, контакты полупроводник – металл и полу-

проводник – диэлектрик. Основная тенденция развития полупроводни-

ковых приборов заключается в их микроминиатюризации, повышении

плотности размещения приборов на единицу площади, снижении энер-

гоёмкости, повышении быстродействия, повышении надёжности. Одна-

ко уже очевидно, что существующие технологии микроэлектроники

подходят к пределу своих возможностей. На смену им приходят нано-

технологии, которые не только значительно улучшат характеристики

уже известных приборов, но и позволят создать приборы на принципи-

ально новых физических эффектах.

Глава 4. Отдельные элементы и узлы цифровых приборов 189

Глава 4. ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ

ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Выпрямитель

Работа вычислительной техники возможна только при наличии ис-

точников постоянного напряжения. Такими источниками могут быть

аккумуляторы или батареи. Гораздо чаще в качестве источника питания

используется промышленная сеть переменного напряжения. В таком

случае производится преобразование переменного тока в постоянный

(выпрямление) с помощью электронных схем, называемых выпрямите-

лями. Назначение выпрямителя – преобразовать знакопеременное на-

пряжение в постоянное. Простейшая схема выпрямителя приведена на

рис. 119. С помощью трансформатора

(Тр) происходит понижение напряжения

до необходимого уровня. Далее диод вы-

прямляет один полупериод переменного

напряжения. Однако в такой простейшей

схеме напряжение на нагрузке R будет

пульсирующим. Для того чтобы устра-

нить эти пульсации параллельно нагрузке

включают емкость С, в результате чего

пульсации будут сглажены. Такой выпрямитель называется однополу-

периодным. Основной недостаток такого выпрямителя – малый КПД.

Чаще всего используют выпрямитель, состоящий из 4 диодов, включён-

ных в так называемый мостик. Когда на вторичной обмотке трансфор-

матора положительный полупериод, то диоды D1 и D4 открыты, а D2 и

D3 – закрыты. В этом случае ток будет протекать по пути: от точки «а»

через верхнюю ветвь – диод D1 и далее на нагрузку, затем к точке «d» и

далее через диод D4 и далее через точку «с» (рис. 120) [6, 8, 9].

Когда полярность напряжения на вторичной обмотке трансформа-

тора сменится, то в течение этого полупериода диоды D1 и D4 закроют-

ся, тогда как диоды D2 и D3 откроются (рис. 121). При этом ток будет

протекать по нижней ветви через точку «с» и диод D3, далее через точ-

Рис. 119. Простейший

выпрямитель на диоде

190 В.П. Леонов

ку «b» на нагрузку, затем к точке «d» через диод D2 и к точке «a». Та-

ким образом ток через нагрузку будет протекать в одном и том же на-

правлении за оба полупериода. Такая схема выпрямителя называется

двухполупериодной. Для уменьшения пульсаций напряжения на на-

грузке используют элементы, которые могут накапливать энергию, по-

ступающую от выпрямителя в те отрезки времени, когда она нарастает,

и отдавать ее, когда происходит ее уменьшение. К таким сглаживаю-

щим устройствам относятся емкостная цепь, когда конденсатор С

включен параллельно нагрузке, и индуктивная цепь, когда катушка ин-

дуктивности с большим значением L (дроссель) включена последова-

тельно с сопротивлением нагрузки. Нередко также используют комби-

нированные цепи, включающие и конденсаторы и индуктивности.

4.2. Стабилизаторы

В процессе эксплуатации вычислительная техника нуждается в ав-

томатическом поддержании постоянства питающих напряжений и то-

ков. Для этой цели применяются стабилизаторы напряжения (СН). Ста-

билизатор напряжения – это устройство которое автоматически под-

держивает напряжение на нагрузке с заданной степенью точности при

изменениях напряжения питающей сети, колебаниях тока нагрузки и

температуры окружающей среды. Стабилизаторы подразделяются на

две группы: 1 – стабилизаторы напряжения переменного тока (электро-

магнитные, феррорезонансные и тиристорные); 2 – стабилизаторы на-

пряжения постоянного тока. Наибольший интерес представляет вторая

группа. Наибольшее распространение получили полупроводниковые

стабилизаторы с непрерывным регулированием. В любом стабилизато-

ре присутствует регулирующий элемент, которым может быть элек-

Рис. 120. Двухполупериодный

выпрямитель

Рис. 121. Двухполупериодный

выпрямитель