Органiзацiя та планування виробництва потококонвеєрноi лiнii

            Описанные  в  этой работе  оптроны,  отлично  иллюстрируя  принципы, оказались  непригодными для  промышленной реализации, так как основывались на несовершенной  элементарной базе - неэффективных  и  инерционных порошковых  злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах  (приемник). Несовершенны были  и  важнейшие  эксплуатационные  характеристики  приборов: низкотемпературная и  временная стабильность  параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах  оптрон  оставался  лишь  интересным научным достижением не находящим применения в технике.

            Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически  совершенных высокоэффективных  быстродействующих  кремниевых  фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная  база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в  важную  и  быстро  развивающуюся отрасль электронной техники,  успешно дополняющую  традиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

            Элементную основу оптронов составляют  фотоприемники  и  излучатели,  а  также  оптическая  среда между ними.  Ко  всем  этим  элементам   предъявляются  такие общие  требования,  как малые  габариты и  масса, высокая  долговечность и надежность, устойчивость  к механическим  и  климатическим   воздействиям,  технологичность, низкая стоимость. Желательно также  чтобы элементы   прошли   достаточно   широкую   и   длительную промышленную апробацию.

Функционально  (как  элемент  схемы)   оптрон  характеризуется в первую очередь  тем, какой  вид фотоприемника в нем используется.

            Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется  выполнением  следующих  основных требований:  эффективность  преобразования  энергии  квантов излучения  в  энергию  подвижных  электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного  усиления;  высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

            В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные  источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

            Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной   спектральной  чувствительности   находится вблизи l=0,7...0,9мкм.

            Многочисленные требования предъявляются и к излучателям  оптронов.  Основные из них: спектральное согласование с  выбранным   фотоприемником;  высокая эффективность  преобразования  энергии  электрического тока  в  энергию  излучения;  преимущественная направленность  излучения; высокое  быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

            Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

            - Миниатюрные  лампочки  накаливания.

            - Неоновые лампочки, в которых используется свечение  электрического разряда  газовой смеси неон-аргон.

Этим  видам  излучателей      свойственны  невысокая  светоотдача,  низкая  устойчивость  к механическим  воздействиям,  ограниченная  долговечность, большие  габариты,  полная несовместимость  с интегральной технологией.  Тем  не менее  в отдельных  видах оптронов они могут находить применение.

            - Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические  зерна  сульфида   цинка  (активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

            - Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки   имеют   невысокую   эффективность  преобразования  электрической  энергии  в  световую,  низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны  в управлении  (например,   оптимальный  режим   для  порошковых люминофоров  ~220  В  при  f=400  ... 800Гц). Основное достоинство  этих  излучателей  -  конструктивно-технологическая   совместимость   с   фоторезисторами,  возможность   создания   на   этой  основе   многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

            Основным   наиболее  универсальным   видом  излучателя,  используемым  в  оптронах,  является полупроводниковый   инжекционный   светоизлучающий  диод -  светодиод. Это  обусловлено следующими  его достоинствами:  высокое  значение   КПД  преобразования  электрической  энергии  в оптическую;  узкий спектр излучения    (квазимонохроматичность);    широта   спектрального   диапазона,  перекрываемого   различными  светодиодами;  направленность  излучения;  высокое  быстродействие;  малые  значения  питающих  напряжений  и  токов;  совместимость  с  транзисторами   и  интегральными схемами;  простота  модуляции  мощности   излучения  путем  изменения  прямого  тока;  возможность   работы  как в  импульсном,  так и  в непрерывном  режиме; линейность ватт-амперной  характеристики  в  более  или  менее  широком  диапазоне  входных  токов;  высокая  надежность и долговечность;  малые  габариты;  технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

            Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение  показателя  преломления  nим;  высокое значение удельного сопротивления rим; высокая  критическая напряженность  поля  Еим кр,   достаточная  теплостойкость Dqим раб; хорошая  адгезия  с  кристаллами  кремния  и арсенида галлия; эластичность (это необходимо,  так как не  удается  обеспечить согласование  элементов оптрона по  коэффициентам  термического   расширения);  механическая  прочность,  так как  иммерсионная среда  в оптопаре  выполняет  не только  светопередающие, но  и конструкционные  функции;  технологичность   (удобство использования,   воспроизводимость   свойств,   дешевизна и т. п.).

            Основным   видом   иммерсионной   среды,  используемой  в оптронах  являются полимерные  оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим > 1012... 1014  Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

            Рассмотрение       процессов   преобразования  энергии в  оптроне требует  учитывать квантовую  природу света. Известно,  что электромагнитное  излучение  может  быть представлено  в  виде  потока  частиц -  квантов (фотонов), энергия. каждого из которых  определяется соотношением;

Eф=hn=hc/nl                                                                         (2.1)

 где      h  -  постоянная  Планка ;

            с - скорость света в вакууме ;

            n - показатель преломления полупроводника ;

            n, l   - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

            Если плотность  потока квантов  (т. е.  число квантов, пролетающих  через  единицу  площади  в   единицу  вpeмени)  равна  Nф, то  полная удельная  мощность излучения составит:

Pф= Nф Eф                                                                              (2.2)

 и, как видно  из (2.1),   при заданном Nф она  тем больше, чем  короче  длина  волны  излучения.  Поскольку  на  практике  заданной   бывает Pф (энергетическая  облученность фотоприемника),    то  представляется    полезным   следующее соотношение

Nф = Pф/ Eф=51015 l Pф                                                     (2.3)

Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP).

где Nф, см-2с-1; l, мкм; Pф, мВт/см.

            Механизм    инжекционной    люминесценции в светодиоде состоит из трех основных  процессов: излучательная (и  безызлучательная) рекомбинация  в полупроводниках,  инжекция избыточных  неосновных носителей заряда в базу светодиода  и вывод  излучения из области генерации.

            Рекомбинация носителей заряда   в   полупроводнике определяется прежде всего его зонной  диаграммой, наличием и природой примесей  и дефектов,  степенью нарушения  равновесного  состояния.  Основные материалы оптронных  излучателей  (GaAs  и  тройные соединения на его основе GaA1As и  GaAsP) относятся  к прямозонным  полупроводникам т.е. к  таким, в  которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением

lизл[мкм] =1,23/ Eф[эB]                                                       (2.4)

            Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации   . К числу важнейших из них относятся:

            1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень Et на рисунке 2.1).

            2. Оже-рекомбинация (или  ударная). При  очень высоких концентрациях свободных  носителей заряда  в полупроводнике растет  вероятность столкновения  трех тел, энергия   рекомбинирующей   электронно-дырочкой  пары при этом отдается третьему свободному носителю  в форме  кинетической  энергии,  которую он  постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

рис.2.2. Электрическая (a) и оптическая (b) модели светодиода.

A - оптически “прозрачная” часть кристалла; B - активная часть кристалла; C -“непрозрачная” часть кристалла; D - омические контакты; E - область объемного заряда.

            Относительная  роль  различных  механизмов рекомбинации   описывается   введением   понятия   внутреннего квантового выхода  излучения hint,  определяемого отношением вероятности  излучательной рекомбинации  к полной  (излучательной  и  безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение hint является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0 hint100%.

            Создание    избыточной    концентрации    свободных   носителей  в   активной  (излучающей)   области  кристалла светодиода     осуществляется     путем     инжекции    их  р   -   n-переходом,   смещенным  в   прямом  направлении.

            “Полезной” компонентной тока, поддерживающей  излучательную рекомбинацию в активной области диода, является  ток  электронов  In     (рис.2.2,а), инжектируемых   р   -   n-переходом.   К   “бесполезным” компонентам прямого тока относятся:

            1.  Дырочная  составляющая  Ip,  обусловленная инжекцией  дырок  в  n-область  и  отражающая  тот факт, что  р - n-переходов с  односторонней инжекцией  не бывает,  Доля этого  тока тем  меньше чем  сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

            2.  Ток  рекомбинации (безызлучательной)  в области объемного  заряда  р  -  n-перехода  Iрек.  В полупроводниках  с  большой  шириной  запрещенной  зоны  при  малых прямых  смещениях  доля  этого  тока может  быть заметной.

            3.  Туннельный  ток Iтун ,  обусловленный “просачиванием” носителей  заряда  через  потенциальный  барьер. Ток  переносится  основными носителями  и вклада  в излучательную  рекомбинацию   не  дает.   Туннельный  ток тем  больше,  чем  уже  р -  n-переход, он  заметен при сильной  степени  легирования  базовой  области  и  при больших прямых смещениях.

            4. Ток поверхностных утечек Iпов,  обусловленный отличием  свойств  поверхности полупроводника  от свойств объема   и   наличием   тех  или   иных  закорачивающих включений.

Эффективность р  - n-перехода  характеризуется коэффициентом инжекции:

                                                      (2.5)

Очевидно, что  пределы возможного  изменения g те же, что и у hint, т. е. 0 g 100%.

            При  выводе  излучения  из  области  генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

            1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует  формуле (2.4),  то она  совпадает с  “красной границей” поглощения (см.  ниже), и  такое излучение  быстро поглощается   в  толще   полупроводника  (самопоглощение).В  действительности,  излучение в   прямозонных полупроводниках  идет  не  по  приведенной  выше идеальной, схеме. Поэтому  длина  волны  генерируемых  квантов несколько больше, чем по (2.4):

            2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.

            3. Потери  на обратное  и торцевое  излучение (луч 3  и  4).

Количественно      эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется  коэффициентом вывода Копт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в  нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так  же, как и для коэффициентов hint и g , всегда выполняется условие 0 Копт 100%.

            Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода hext. Из сказанного ясно, что hext= hint g Копт.

            Перейдем к приемному блоку.  Принцип действия    используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем  фотоэффекте , заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного      (оптического)  излучения.

            Кванты    света,    поглощаясь    в    кристалле,    могут   вызывать   отрыв   электронов  от   атомов  как   самого  полупроводника,  так  и  примеси.  В  соответствии  с этим говорят     о собственном     (беспримесном)      и     примесном поглощении      (фотоэффекте).       Поскольку      концентрация примесных     атомов     мала,     фотоэлектрические     эффекты, основанные   на    собственном   поглощении,    всегда   существеннее,   чем   основанные   на   примесном.    Все   используемые   в   оптронах   фотоприемники  “работают”   на  беспримесном   фотоэффекте.   Для   того   чтобы   квант    света   вызывал  отрыв электрона  от атома,  необходимо выполнение  очевидных   энергетических  соотношений:

Eф1=hn1Ec-Ev                                                                      (2.6)

Eф2=hn2Ec-Et                                                                      (2.7)

             Таким  образом,  собственный  фотоэффект  может  иметь место  лишь при  воздействии на  полупроводник излучения  с  длиной  волны,  меньшей некоторого  значения lгр:

lгр=hc/( Ec-Ev)1.23/ Eg                                                       (2.8)

            Второе равенство  в (2.8)  справедливо, если lгр выражено в  микрометрах, а  ширина запрещенной  зоны полупроводника Eg -  в  электроновольтах. Величину lгр называют  длинноволновой  или “красной” границей спектральной  чувствительности  материала.

            Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной  области,  где   он  может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов.   Анализ  экспериментальных  зависимостей    от показывает, что в   интересной  для   оптронов  спектральной   области  b=1.

            Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух  фотоэлектрических   эффектов:  фотопроводимости (возрастание проводимости образца  при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе  или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике  конструирования  фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим  является использование фото-ЭДС-эффекта.

            Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического  окна; максимальный   и   минимальный   уровни   мощности  излучения. К электрооптическим - фоточувствительность,  степень однородности распределения чувствительности  по фотоприемной  площадке;  спектральная  плотность чувствительности  (зависимость  параметра,  характеризующего  чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость  от уровня  засветки и диапазона  рабочих  частот; разрешающее  время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами  его эквивалентной  схемы, требованиями  к рабочим режимам, наличием  (или отсутствием)  встроенного механизма  усиления,  видом  и формой  выходного сигнала. Прочие   характеристики:   эксплуатационные,  надежностные,  габаритные,  технологические -  ничего специфически “фотоприемното” не содержат.

            В зависимости от характера выходного  сигнала (напряжение, ток)  говорят о  вольтовой или  токовой фоточувствительности  приемника S,  измеряемых  соответственно в В/Вт или  А/Вт. Линейность  (или нелинейность) фотоприемника  определяется  значением  показателя  степени  n  в   уравнении,  связывающем   выходной  сигнал с  входным: Uвых( или Iвых)~Pф. При n1 фотоприемник  линеен;  область  значений Pф(от Pф max до Pф min), в  которой  это  выполняется,  определяет  динамический диапазон   линейности   фотоприемника ,  выражаемый обычно в децибелах: =10 lg(Pф max /Pф min).

            Важнейшим  параметром   фотоприемника,  определяющим порог его  чувствительности, является  удельная обнаружительная  способность D,  измеряемая   в Вт-1мГц1/2. При известном  значении D порог чувствительности   (минимальная   фиксируемая   мощность  излучения) определяется как

Pф min=/D                                                                     (2.9)

 где А - площадь фоточувствительной площадки; - диапазон  рабочих  частот  усилителя  фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

            В применении к оптронам  не все  перечисленные характеристики   оказываются   одинаково   важными.   Как правило,  фотоприемники  в  оптронах  работают  при облученностях,  очень далеких  от пороговых,  поэтому использование  параметров Pф min и D оказывается практически    бесполезным.  Конструктивно   фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

Рис. 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода.

            Механизм   работы   фотоприемников,   базирующихся   на фотовольтаическом    эффекте,   рассмотрим    на   примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов  с  р   -  n-переходом  и с р - i - n-структурой,  в которых  можно выделить  n+- подложку,  базу  n-  или i-типа  (слабая проводимость  n-типа)  и  тонкий  р+-слой.  При работе  в фотодиодном  режиме  (рис. 2.4,а)  приложенное   извне  напряжение   заставляет   подвижные   дырки    и   электроны уходить от р - n(р - i)-перехода;  при этом  картина распределения  поля  в  кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

            Световое  излучение,   поглощаясь  в   базовой  области диода,   генерирует   электронно-дырочные   пары,  которые диффундируют  к  р  -  n-переходу,  разделяются  им   и  вызывают   появление   дополнительного   тока    во   внешней цепи. В р -  i -  n-диодах это  разделение происходит  в поле  i-o6лaсти  и  вместо  процесса  диффузии   имеет  место дрейф   носителей   заряда   под   влиянием  электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара,  прошедшая  через  р  -  n-переход,  вызывает  прохождение  во  внешней  цепи  заряда,  равного  заряду  электрона.  Чем  больше  облученность   диода,  тем   больше  фототок.  Фототок  протекает  и  при  смещении  диода  в прямом  направлении  (рис.  2.4,а),   однако  уже   при  небольших напряжениях   он   оказывается   намного   меньше   прямого тока,  поэтому  его  выделение   оказывается  затруднительным.

            Рабочей    областью    вольт-амперных    характеристик фотодиода является  III квадрант  на рис. 2.4,а; соответственно   этому   в   качестве  важнейшего   параметра  выступает токовая чувствительность

                                                     (2.10)

            Второе равенство в (2.10) получено  в предположении  линейной зависимости Iф=f(Pф), а третье - при условии пренебрежения темновым  током (),  что для  кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

            Если освещать фотодиод без приложения к нему  внешнего   смещения,   то   процесс   разделения   генерируемых   электронов   и   дырок   будет    протекать   благодаря действию  собственного  встроенного  поля  р  -  n-перехода. При  этом  дырки  будут  перетекать  в  р-область  и  частично  компенсировать  встроенное  поле  р  -  n-перехода.  Создается   некоторое  новое   равновесное  (для   данного  значения: Pф)  состояние,  при  котором  на   внешних  выводах диода   возникает   фото-ЭДС Uф. Если   замкнуть  освещенный  фотодиод  на  некоторую  нагрузку,   то  он   будет  отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ.

            Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx и  ток короткого замыкания Iкз (рис. 2.4,б).

            Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому  его определяющим   параметром   является   КПД  преобразования световой энергии в электрическую:

КПД=Pэ/APф=aUxxIкз/ Apф                                       (2.11)

            В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.

3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ  ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ

ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ

При  классификации   изделий  оптронной   техники  учитывается  два  момента:  тип   фотоприемного  устройства и конструктивные особенности прибора в целом .

Выбор   первого   классификационного   признака   обусловлен  тем, что  практически у  всех оптронов  на входе помещен  светодиод  и  функциональные  возможности  прибора   определяются  выходными   характеристиками  фотоприемного устройства.

В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.

Используя   этот   смешанный   конструктивно-схемотехнический  принцип  классификации, логично  выделить три основные  группы  изделий  оптронной  техники: оптопары (элементарные  оптроны),   оптоэлектронные  (оптронные) интегральные  микросхемы  и  специальные   виды  оптронов.  К каждой  из этих  групп относится  большое число видов приборов.

Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения:

Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т2 - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

Система  параметров  изделий  оптронной   техники  базируется  на  системе  параметров  оптопар,  которая  формируется из четырех групп параметров и режимов.

1	2	3	4