электронная
36
печатная A5
242
12+
Введение в исследование, макетирование и моделирование элементов оптоэлектронных цифровых интегральных схем для компьютерных систем и технологий

Бесплатный фрагмент - Введение в исследование, макетирование и моделирование элементов оптоэлектронных цифровых интегральных схем для компьютерных систем и технологий

Объем:
40 стр.
Возрастное ограничение:
12+
ISBN:
978-5-4496-8097-6
электронная
от 36
печатная A5
от 242

Проскурин Н. П. Введение в исследование, макетирование и моделирование элементов оптоэлектронных цифровых интегральных схем для компьютерных систем и технологий.

Материал сформирован на основе автореферата1 диссертации автора (русскоязычный перевод) и представлен для популяризации перспективных изысканий и технологий в области цифровой техники.

1 Проскурін М. П. Мікропотужні оптоелектронні логічні елементи цифрових інтегральних схем на твердотільних світловипромінюючих і фотоелектричних приладах: — Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 — «Твердотільна електроніка», Одеський Національний політехнічний університет, Одеса, 2007.

Издание относится к разделу информационно-технических наук и технологий, является специализированным, рассчитано на экспертов, специалистов, разработчиков в области микрооптоэлектроники для использования, внедрения ее преимуществ в цифровые интегральные схемы (ИС) с целью радикального обновления вычислительной базы — «железа» («hard»), а на этой основе — компьютерных систем, технологий и повышения их производительности. Читателю предложено ознакомится с некоторыми положениями, подходами, методиками автора в проведении исследований, расчетов и полученными результатами в следующих областях: оптоэлектронные полупроводниковые устройства и микромощные оптроны ВЧ-УВЧ диапазонов, оптосхемотехника логических элементов и цифровая оптоэлектроника, оптические связи в ИС, др. и сделать выводы.

The publication refers to the section of information technology and technology, is specialized, designed for experts, specialists, developers in the field of microoptoelectronics to use, to integrate its advantages into digital integrated circuits (ICs) in order to radically update the computing base — hardware («hard»), аnd on this basis — computer systems, technologies and increasing their productivity. The reader is offered to familiarize with some of the provisions, approaches, methods of the author in conducting research, calculations and the results obtained in the following areas: optoelectronic semiconductor devices and micropower optocouplers of the HF-UHF ranges, optical circuitry of logic elements and digital optoelectronics, optical communications in the ICs, etc. and make findings.

Работа выполнена в Запорожской государственной инженерной академии Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Костенко Виталий Леонидович,

Одесский национальный политехнический университет,

профессор кафедры информационных систем

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Крылов Виктор Николаевич, Одесский национальный политехнический университет, профессор кафедры прикладной математики и информационных технологий в бизнесе

кандидат технических наук, доцент Лысенко Геннадий Леонидович,

Винницкий национальный технический университет,

доцент кафедры лазерной и оптоэлектронной техники

Ведущее учреждение: Центр оптоэлектронных технологий ДП Научно-исследовательский институт «Микроприбор» НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, г. Киев

Защита состоялась «18» мая 2007г. в 14—00 часов на заседании специализированного ученого совета К41.052.03 в Одесском национальном политехническом университете по адресу: 65044, г. Одесса, пр. Шевченко, 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устройства и схемы обработки оптической цифровой информации получили широкое применение. Развитие локальных, региональных, территориальных, глобальных сетей связи основанно на внедрении исключительно волоконнооптических линий связи (ВОЛС). Логическая обработка потоков оптических цифровых сигналов, которые передаются по ним, базируется на использовании их отображений в виде электрических сигналов (после преобразования типа излучение — фототок: L→ Е с помощью фотоприемников). Для детектирования оптических цифровых сигналов используют фоточувствительные устройства — твердотельные полупроводниковые структуры (ППС): фотодиоды, фототранзисторы. Усиленные и сформированные с помощью усилителей фототока в виде потоков электрических сигналов, они обрабатываются полупроводниковыми цифровыми интегральными схемами (ИС) на базе схем логических вентилей Т2Л, И2Л, ЭСЛ, Т2ЛШ, МОП, МЭП. Для получения исходных оптических потоков цифровых сигналов (преобразования типа ток — излучение: Е→L) применяют другие схемы. В них усиленные цифровые сигналы из выходов ИС модулируют ток в излучателях на полупроводниковых структурах, к которым относят инжекционные лазеры, лазерные диоды и светодиоды. Оптический цифровой сигнал передается на значительные расстояния по волоконнооптическим каналам, которые созданы на основе диэлектрических оптическипрозрачных материалах. С помощью оптоэлектронных устройств — оптронов (оптопар), которые включают в себя твердотельные излучатели и фотоприемники, обеспечиваются многочисленные преобразования типа L↔Е. Недостатками ИС является использование заряженных частиц (электронов) и металлических проводников, преимуществами — развитость элементной базы.

В схемах оптоэлектронных логических элементов (ОЛЭ) используется другой (чем в ИС) тип носителя цифровых сигналов (электронейтральные фотоны) и среды (в виде оптической среды). Оптоэлектронные схемы вентилей квазиимпульсно-потенциального (КИПТ) типа имеют в своем составе оптические логические входы, которые соединенные с 1…N фотоприемником, усилитель фототока и светодиод, который соединен с оптическим логическим выходом. Эти схемы обрабатывают оптические цифровые сигналы без использования вентилей известных типов логики, содержат в своей конструкции элементы оптопары (излучатель — фотоприемник) и имеют преимущества оптической связи: гальваническую развязку, широкую полосу пропускания, возможность передачи в оптическом канале несколько сот потоков оптических цифровых сигналов. Но анализ схем ОЛЭ и логических устройств (ОЛУ) на их основе не выявляет среди них схем с использованием мало- и микромощных режимов в начале линейной вольтамперной характеристики (ВАХ) светодиодов. Это уменьшает потребление устройств и приблизит их к параметрам схем логических вентилей цифровых ИС. Таким образом, исследования особенностей процессов мало- и микромощного переключения светодиодов оптопар на макетах, моделях устройств, расчет твердотельних элементов ОВЧ оптопары и моделирование на их базе микромощных схем ОЛЭ и ОЛУ, анализ возможностей разработки конструкций устройств логической обработки, преобразования и комму-тации потоков оптических цифровых сигналов, которые имеют схемотехническую универсальность, пригодные технические показатели и могут быть выполнены за интегральными технологиями — является актуальной научно — практической задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационное исследование являлось частью комплексных государственных НИР- проект №7- 1Г/98, регистрационный № ПРО198U 007691, которые осуществлялись согласно комплексной программе координационного плана экспертного Совета Минобразования Украины по направлению «Приборостроение» (приказ №271 от 15.08.1996г.) на кафедре ФБМЭ ЗГИА в 1999—2004 годах при поддержке института Физики Полупроводников НАН Украины (приказ ИФПП НАНУ №233 — вк от 01.12.1999г.), составной частью которой было: выбор схемы базиса оптоэлектронных логических вентилей КИПТ; исследование мало- и микромощных режимов их работы, макетирование и моделирование оптоэлектронных устройств на их основе; расчеты полупроводниковых структур типа светодиодов и фотоприемников инфракрасного (ИК) диапазона для скоростных микромощных оптопар, которые входят в схемы логических вентилей; разработка эскиза конструкции цифровой интегральной схемы с оптическими связями (в виде устройства логической обработки, преобразования и коммутации потоков оптических цифровых сигналов); оценка технологии ее изготовления. Часть результатов исследования отражено в годовых отчетах кафедры ФБМЭ по указанной НИР.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является повышение эксплуатационных характеристик схем оптоэлектронных логических элементов использованием мало- и микромощных режимов переключения светодиодов в начале линейной ВАХ и разработка на их основе устройств логической обработки, преобразования и коммутации.

Для достижения определенной цели необходимо было:

— сделать анализ схем модуляции светодиодов и провести экспериментальные исследования переключательных режимов их р-n переходов (на трех типах оптопар), которые работают в начале линейной ВАХ, определить частотные зависимости параметров их переключения от типа фотоприемника в схемах ОЛЭ КИПТ;

— исследовать макеты маломощных оптоэлектронных логических устройств «R-S триггер», «кольцевой генератор импульсов» (КГИ) и провести моделирование элект-рических схем оптоэлектронных логических вентилей и устройств на их основе;

— исследовать адаптивность фотоприемника (на основе фототранзистора с базовым выводом) и оценить границы его подстройки к уровням мощности входных оптических цифровых сигналов в микромощных логических схемах NИЛИ-НЕ на модели оптопары;

— провести разработку конструкции элементов оптопары ОВЧ диапазона: излучатель- светодиод на соединениях GaAs, фотоприемник — p-i-n фотодиод с усилителем фототока на ВЧ биполярном транзисторе на Si;

— провести физикотопологическое проектирование полупроводниковых структур и выбор программной среды для расчета элементов ОВЧ оптопары, формализовать их параметры и промоделировать микромощные схемы ОЛЭ, ОЛУ;

— обосновать конструкцию оптоэлектронного устройства логической обработки, преобразования и коммутации оптических цифровых сигналов в виде ИС с оптическими связями (на микромощных схемах ОЛЭ NИЛИ-НЕ) и технологию ее изготовления.

Объект исследования  оптоэлектронные явления в полупроводниках.

Предмет исследования — разработка функциональных устройств оптоэлектроники в виде мало- и микромощных оптопар ОВЧ диапазона и логических схем.

Исследовательские приемы. В работе развито способ обработки и преобразования потоков оптических цифровых сигналов с помощью мало- и микромощных оптоэлектронных схем логики, которая позволяет проводить ее без использования вентилей известных типов логики. Для достижения сформулированной цели использованы методы и методики: физического анализа и синтеза, эксперимента и компьютерного моделирования, обработки результатов и ряд подходов. Рассчитана и усовершенствована модель оптопары типа СД-ФП, параметры которой обеспечивают ее стойкое переключение в ВЧ и ОВЧ диапазоне в мало- и микромощных режимах. Использование этого дает возможность поднять частотный диапазон оптоэлектронных устройств и снизить их потребление.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит в следующем:

— исследована и доказана (на макетах и моделях схем ОЛЭ КИПТ) возможность снижения токов дискретных оптопар производства СНГ в 10…40 раз использованием переключения светодиодов в начале линейной ВАХ, что позволяет уменьшить потребление и дает возможность расширить их техническое применение;

— впервые рассчитана и исследована модель микромощной оптопары ОВЧ диапазона и установлена возможность использования мало- и микромощных режимов переключения ее светодиодов в режиме «малого сигнала», что позволяет получить новые сведения о средствах их модуляции и дает возможность расширить ее частотный диапазон;

— усовершенствованы элементы микромощной оптопары ОВЧ диапазона в виде: светодиода с повышенным КПД излучения и фотоприемника в составе p-i-n фотодиода, который интегрирован в базу ВЧ n-p-n транзистора, который позволяет повысить ее частотные характеристики и расширить сведения про их конструкции и дает возможность использовать их для цифровой ИС с оптическими связями;

— приобрела дальнейшее развитие разработка модели адаптивной микромощной оптоэлектронной схемы логики NИЛИ-НЕ, что позволяет получить новые сведения о процессах ее переключения и дает возможность достичь ей параметров вентилей известных типов логики.

Обоснованность, достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задач, использованием известных методов и методик, сравнением и согласованием полученных результатов исследований (на макетах и моделях) с численными результатами, которые известные из литературных источников.

Практическое значение результатов работы состоит:

— в расширении диапазона функционирования оптопар производства СНГ использованием режимов маломощного переключения их излучателей — ИК светодиодов и уменьшении мощности их потребление на порядок;

— в уточненные границ и параметров мало- и микромощных режимов переключения светодиодов оптопар производства СНГ и их моделей, которые работают в начале линейной ВАХ и использования этого для создания энергосберегающих оптоэлектронных логических схем NИЛИ-НЕ и устройств на их основе и возможности повысить их эксплуатационные характеристики;

— в развитии подходов для получения экспериментальных данных при исследовании процессов маломощного излучения/поглощения, для чего использованы методики расчетов интегральных светодиодов и фотоприемников на основе одномерной модели Эберса-Молла и формализованы параметры для введения их в модель оптопары;

— в создании оригинальной конструкции оптоэлектронного устройства логической обработки, преобразования и коммутации потоков оптических цифровых сигналов.

Оптоэлектронные приборы на маломощных схемах ОЛЭ использованы:

— при макетировании устройств передачи, приема данных в цифровом тракте с частотой до 0,25МГц при разработке системы управления сверхскоростных транспортных средств с магнитной левитацией в Институте транспортных систем и технологий НАН Украины (Акт от 28.04.2006). Основой внедрения являются маломощные схемы NИЛИ-НЕ на диодной оптопаре 3ОД120А-1 с ВЧ n-p-n транзистором КТ3102Е;

— для модернизации приемопередатчиков цифровых сигналов агрегатной системы телемеханической техники комплекса контроля состояния контактных сетей коммунального предприятия «Запорожэлектротранс» (Акт от 12.08.2006). Основой внедрения являются маломощные схемы NИЛИ-НЕ на оптопарах АОТ101, АОТ128;

Действующие макеты оптоэлектронных устройств «R-S триггер», «КГИ» на основе маломощных схем ОЛЭ NИЛИ-НЕ использованы в Запорожском филиале университета современных знаний при преподавании дисциплин «Компьютерные сети и системы», «Электронная коммерция» (Акт от 30.11.2005).

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались, нашли отображения и обсуждались на международных научно-технических, практических конференциях разного уровня: «Проблемы и пути реализации научно-технического потенциала ВПК», г. Киев, 2000г.; «Датчик 2000», г. Судак, 2000г.; «Оптикоэлектронной информационно-энергетической технологии», г. Винница, 2001г.; «Современной проблемы радиоинженерии, телекоммуникаций и компьютерной науки», г. Львов-пгт. Славское, 2002 г.; «Проблемы современной электротехники», г. Киев, 2002г.; «Современное состояние и перспективы использования ВОЛС. Первичные сети как транспортная основа телекоммуникационной инфраструктуры Украины», г. Запорожье, 2002г.; «Современные информационные и электронные технологии», г. Одесса, 2003г.; «Modern problem of radio Ingineering, Telecomunications and Computer Science», г. Львов-пгт. Славское, 2004г.; «Информационная техника и электромеханика», г. Луганск, 2005г.; «Современные проблемы и достижения в области радиотехники, телекоммуникаций и информационных технологий», г. Запорожье, 2006г..

Публикации и личный вклад соискателя. Основные научные результаты диссертации отображены в материалах: 5 статьях в профессиональных изданиях (перечень которых утвержден ВАК Украины), 8 патентах Украины, 1 а. с. СССР, 7 тезисах докладов на научных конференциях — всего в 21 работе. Основные результаты получены автором самостоятельно.

Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.
электронная
от 36
печатная A5
от 242