Таълим вазирлиги фарғона политехника институти

Маъруза№21
Мавзу: Оптоэлектрон асбоблар
Режа:
1. Оптоэлектрон асбоблар
2. Функционал асбоблар


Таянч иборалар: функционал микроэлектроника, пъезоэлектр резонаторлар, оптоэлектрон асбоблар, оптронлар функционал асбоблар, оптронлар, ички фотоэффект, фотодиодлар, фоторезисторлар, монокристаллар

1. Оптоэлектрон асбоблар

Оптоэлектрон асбобларнинг иши маълумот олиш, уни ўзатиш ва сақлашнинг электрон - фотон жараёнларига асосланган.
Оптоэлектрон асбобларнинг энг соддаси оптоэлектрон жуфт ёки оптрондир. Нурланиш манбаи, иммерсия муҳит (ёруглик ўтказгич) ва фотоприёмникдан иборат оптроннинг ишлаш принципи электр сигнални оптик сигналга айлантириш, сўнгра эса, яна электр сигналга қайтаришга асосланган.
Оптронлар функционал асбоблар сифатида одатдаги радиоэлементларга нисбатан қуйидаги афзалликларга эга:
«кириш-чикиш» нинг тўла галpваник ажратилганлиги (изо­ляция қаршилиги 10¹²10¹⁴ Ом дан юқори);
Маълумотлар узатиш каналида абсолют ҳалакитдан ҳимояланганлик (маълумот ташувчилар — электр жиҳатдан нейтрал зарралар — фотонлар); ёруғлик тарқалишининг ўзига ҳослигига боғлиқ бўлган маълумотлар оқимининг бир йўналишдалиги;
оптик тўлқинлар юқори частотали бўлганлиги сабабли кенг полосалилиги;
етарли даражада тез ишлаши (бир неча наносекунд);
бузилиш кучланишининг юқорилиги (ўнлаб киловолpт);
шовкин даражасининг кичиклиги;
яхши механик мустахкамлиги.
Бажарадиган ишига кўра оптронни реледаги трансформатор (боғланиш элементи) билан (калит билан) таққослаш мумкин.
Оптрон асбобларида ярим ўтказгичли нурланиш манбалари — Л^IIIВ^V гуруҳ бирикмалари материалларидан тайёрланадиган ёруғлик нурлатувчи диодлар қўлланилади. Буларнинг ичида галлий фосфиди ва арсенидининг келажаги порлокдир. Уларнинг нурланиш спектри кўриш ва яқин инфрақизил нурланиш (0,5 - 0,98 мкм) соҳасида ётади. Галлий фосфиди асосидаги ёруғлик нурлатувчи диодлар қизил ва яшил рангли нурланишга эга. Кремний карбидидан ишланган диодлар сариқ рангли нурла­ниш беради ва юқори температурада, намликда ва агрессив муҳитларда ҳам ишлай олади.
Спектрнинг кўринадиган диапазонида нур тарқатувчи ёруғлик диодлари электрон соатларда ва микрокалpкуляторларда ишлатилади.
Ёруғлик тарқатувчи диодлар нурланишнинг етарлича кенг спектрал таркиби; йўналганлик диаграммаси; чиқариладиган ёруғлик квантлари сонининг р —n ўтиш орасидан ўтган электронлар сонига нисбати билан аниқланадиган квант эффективлиги; қувват (кўринмас нурланишда) ва равшанлик (кўриш нурланишида); волpт-ампер, ломен-ампер ва ватт-ампер характеристикалари; тез ишлаш (импулpс уйғонишда электрлюминесценциянинг ортиши ва пасайиши); температуранинг ишлаш диапазони билан характерланади. Юқори иш температурасида ёруғлик диодларининг равшанлиги сусаяди ва нурланиш куввати пасаяди.
Кўриш диапазонидаги ёруғлик нурлатувчи диодларнинг асосий характеристикалари жадвалда, инфрақизил диапазондагиларники келтирилган.
Ёруғлик диодлари оптоэлектрон асбобларда фотоприёмникларга иммерсион муҳит орқали уланади. Сигнални минимал исроф ва минимал четланиш билан узатиш шу муҳитга нисбатан қўйиладиган асосий талабдир. Оптоэлектрон асбобларда қаттиқ иммерсия муҳитлари — полимер органик бирикмалар (оптик елимлар ва локлар), халpкогенид муҳитлар ва толали ёруғлик ўтказгичлардан фойдаланилади. Нурлатгич ва фотоприёмник орасидаги оптик каналнинг узунлигига қараб оптоэлектрон асбобларни оптожуфтлар (канал узунлиги 100—300 мкм) га, оптоизоляторлар (1 м гача) га ва тола-оптикавий алоқа линиялари (ВОЛС) (ўнлаб км) га ажратиш мумкин.
Оптоэлектрон асбобларда ишлатиладиган фотоприёмникларга нисбатан қўйиладиган талаблар спектрал характеристикаларнинг нурлатгич билан мослиги, ёруғлик сигналини электр сигналига айлантиришдаги минимал сарф, фотосезгирлик тез ишлаш, фотосезгир юзачанинг ўлчамлари, ишончлилик ва шовқинлар даражаси бўйича бўлади.
Оптронлар учун ички фотоэффектли фотоприёмниклар энг истиқболли ҳисобланади. Буларда фотонларнинг электронлар билан маълум физикавий хоссага эга бўлган материал ичидаги ўзаро таъсири электронларнинг шу материаллар кристалл панжарасининг ҳажмида ўтишига олиб келади.
Ички фотоэффект икки хил намоён бўлади: ёруғлик таъсирида фотоприёмник қаршилигининг (фоторезисторлар) ўзгаришида ёки иккита материал — ярим ўтказгич — ярим ўтказгич, ме­талл — ярим ўтказгичнинг туташиш жойида фото-Э.Ю.К. пайдо бўлишида (вентил фотоэлементлар, фотодиодлар, фототранзисторлар).
Ички фотоэффектли фотоприёмниклар фотодиодлар (р—n ўтишли, МДП-структурали, Шоттки тусиғили) га, фоторезисторларга, ички кучайтириш фотоприёмниклари (фототранзисторлар, таркибий фототранзистортар, фототиристорлар, майдон фототранзисторлари) га ажратилади.
Фотодиодлар кремний ва германий асосида тайёрланади. Кремнийнинг максимал спектрал сезгирлиги 0,8 мкм, германийники эса, 1,8 мкм гача. Улар р—n ўтишдаги тескари силжишда ишлайди. Бу ҳол уларнинг тез ишлашини, барқарорлигини ва тавсифларининг чизиқлилигини оширишга имкон беради.
Турли мураккабликдаги оптоэлектрон асбобларнинг фотопри­ёмниклари сифатида, кўпинча, р—i—n структурали фотодиод­лар қўлланилади, бу ерда i-юқори электр майдоннинг сийраклашган соҳаси. Ушбу соҳанинг қалинлигини ўзгартириб, элтгичнинг кичик сиғими ва учиб ўтиш вақти ҳисобига тез ишлаш ва сезгирликка оид характеристикаларни яхшилаш мумкин.
Заряд элтгичлар кўпайганда фототокнинг кучайишига асосланган қуюнли фотодиодлар юқори сезгирликка ва тез ишлашга эга бўлади. Бироқ бу фотодиодларда температура диапазонидаги параметрлар етарлича барқарор эмас ва юқори кучланишли ток манбаи талаб этилади.
Шоттки тусиғили ва МДП-структурали фотодиодлар тўлқин узунлигининг маълум диапазонларида ишлатишда истиқболли ҳисобланади.
Фоторезисторлар, асосан, поликристалл ярим ўтказгич плён-кадан бирикма (кадмийнинг олтингугурт ва селен билан) асо­сида тайёрланади. Фоторезисторларнинг максимал спектрал сезгирлиги 0,5—0,7 мкм. Улар, одатда, кичик ёритилганликда қўлланилади; сезгирлигига кўра уларни фотоэлектрон кўпайтиргичлар — ташқи фотоэффектга асосланган асбобларга таққослаш мумкин, бироқ улар паст кучланишли ток манбаи талаб қилади. Иш суратининг пастлиги ва шовқин даражасининг юқорилиги фоторезисторларнинг камчилиги ҳисобланади. Фотоприёмникларнинг энг кўп тарқалганлари ички кучайтиргичли фототранзисторлар ва фототиристорлардир. Фототранзисторлар фотодиодларга қараганда сезгирроқ, лекин ишлаш сурати пастроқ. Фотоприёмникнинг сезгирлигини янада ошириш учун фото ва кучайтиргичли транзисторларнинг қўшилмасидан иборат таркибий фототранзистордан фойдаланилади. Аммо унинг ишлаш сурати юқори эмас.
Оптронларда фотоприёмник сифатида фототиристор (ёритилганда алмашлаб уланувчи учта р—n ўтишли ярим ўтказгичли асбоб) ишлатиш мумкин. У юқори сезгирликка ва чиқиш сигнали даражасига эга, лекин секин ишлайди.

Оптронлар турларининг ҳар хиллиги, асосан, фотоприёмникларнинг хоссалари ва характеристикалари билан аниқланади. Оптронларнинг асосий қўлланишларидан бири рақамли ва аналогли сигналлар 25-расм узатгичлари ва қабул қилгичларини эффектив галpваник ажратишдир. Бу ҳолда оптронни сигналлар ўзгартгичи ёки коммутатори режимида иш­латиш мумкин.
Оптрон мум­кин бўлган кириш сигнали (бошқариш токи), ток узатиш коэффициенти, тез ишлаши (алмашиб уланиш вақти) ва нагрузка қобилияти билан характерланади. Ток узатиш коэффициентининг алмашлаб уланиш вақтига нисбати оптроннинг асиллиги дейилади. У фо­тодиод ва фототранзистор оптронлари учун 10⁵10⁶ га тенг бўлади. Фототиристор­лар асосидаги оптронлар кенг қўлланилади, фоторезисторлардаги оптронлар эса, вақт бўйича ва температурага нисбатан барқарорлиги пастлиги туфайли кенг тарқалмади. Баъзи оп­тронлар схемалари 130-расм, а—г да келтирилган.
Когерент нурланиш манбалари сифатида юқори барқарорликка, яхши эпергиявий тавсифларга ва самарадорликка эга бўлган лазерлар ишлатилади. Оптоэлек-троникада компакт тузилмалар конструк-цияси учун, масалан,

26-расм

маълумотларни анъанавий узатиш тармоқлари (кабелли ва симли) ўрнига тола-оптикавий алока линияларида қўлланиладиган ярим ўтказгичли лазерлар — лазер диодларидан фойдаланилади. Улар юқори ўтказиш қобилиятига (ўтказиш полосаси бирлик гигагерц), электромагнит халакитлар таъсирига барқарорликка, кичик масса ва ўлчамларга, киришдан чикишгача тўла электр изоляциясига, портлаш ва эга. ВОЛСларнинг ўзига хос томони уларда тузилиши 131-расмда кўрсатилган махсус тола-оп­тикавий кабелнинг ишлатилишидир. Шундай кабелларнинг саноатдаги намуналари 1—3 дБ/км ва ундан кам сўнишга эга. Тола-оптикавий алоқа линиялари телефон ва ҳисоблаш тармоқларини, юқори сифатли тасвир ўзатувчи кабелp телевидениеси тизимини яратишда ишлатилади. Бу алоқа линияларида бир вақтда ўн минглаб телефон орқали сўзлашувлар ва бир нечта телевидение дастурлари узатилади.
Кейинги вақтларда оптикавий интеграл схемалар (ОИС) ишлаб чиқилмокда ва кенг қўлланилмокда. Уларнинг барча элементлари керакли материалларни тагликка ўтказиш йўли билан шакллантириб олинади.
Электрон соатларнинг индикаторлари сифатида кенг қўлланилувчи суюқ кристаллар асосидаги асбоблар оптоэлектроникада истикболли ҳисобланади. Суюқ кристаллар кристалл хоссали органик модда (суюқлик) бўлиб, кристалл фаза билан суюқлик ўртасидаги ўтиш ҳолатида бўлади.
Суюқ кристаллардаги индикаторлар юқори ажратиш қобилиятига эга, нисбатан арзон, кам кувват талаб қилади ва юқори ёритилганлик даражасида ишлайди.
Монокристалларга ўхшаш хоссали суюқ кристаллар (нематиклар) ёруғлик индикаторлари ва оптикавий хотира тузилмаларида кўп ишлатилади. Қиздирилганда рангини ўзгартирувчи суюқ кристаллар (холестериклар) ишлаб чиқилди ва амалда кенг қўлланилмокда. Суюқ кристалларнинг бошқа турлари (смектиклар) маълумотни термооптикавий ёзишда ишлати­лади.
Кейинги йилларда ишлаб чиқилган оптоэлектрон асбоблар ўзларининг ноёб хоссалари туфайли фан ва техниканинг турли соҳаларида кенг тарқалди. Уларнинг кўпчилиги вакуум ва ярим ўтказгичлар техникасида аналогга эга эмас. Бироқ янги материаллар ишлаб чиқиш билан, шу асбобларнинг электр ва ишлатилиш характеристикаларини яхшилаш билан ва уларни тайёрлаш технологиясини ривожлантириш билан боғлиқ бўлган ҳал этилмаган муаммолар хали кўп.
Элементлар ва уларнинг бирикмаларидан қилинадиган ярим ўтказгичли микросхемалар интеграция даражасининг турли физик чекланишларига эга. Бу чекланишлар чегараланган ҳажмдан иссиқликни чиқаришга, ўтказгичларнинг ўлчамини кичрайтирганда иссиқликнинг микросхема томонидан сочилишини ва ундаги исрофини оширувчи ўтказгич электр қаршилигининг кўпайишига; диэлектрик бузилишнинг пайдо бўлишига (чунки ярим ўтказгичли микросхемаларда иш кучланиши ўлчамларининг камайишига пропорционал равишда камаймайди); юқори зичликдаги токда ўтказгичларда ишончлиликни пасайтирувчи электромиграцияга боғлиқ.
Материалларнинг асосий хоссалари (иссиқлик, магнит, оптикавий) дан фойдаланиб, ҳар хил схемалар ва тузилмалар учун бўлган бу чекланишлар йўқотилади. Электрониканинг бундай йўналиши функционал микроэлектроника дейилади.
Функционал микроэлектроника усуллари ёрдамида уланган асбоблар узлуксиз муҳитлар (бунда одатдаги схеманинг элементига эквивалент бўлган битта ҳам локал соҳани ажратиб бўлмайди); ташқи муҳит энергиясининг ютилишидан фойдаланувчи дискрет узлуксиз муҳитлар; катта функционал имкониятларга эга бўлган. Хар хил элементларда килинган дискрет тузилмалар бўлиши мумкин.
Пъезоэлектр резонаторлар, манфий қаршиликка эга бўлган тузилмалар ва б. Оддий функционал асбобларга мисол бўлиши мумкин.
Ҳозирги вақтда функционал микроэлектроникада бир нечта йўналиш мавжуд: оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнитоэлектроника, криоэлектроника, хемотроника, заряд боғланишли асбоблар, Ганн асбоблари.

Адабиётлар:

1) К.П.Богородиский, В.В.Пасинков, “Электротехнический материали”1985г
2) И.Холикулов, М.М.Нишонова ”Электрон техника материаллари“ Тошкент шарк 2006й
3) Н.В.Никулин, В.А.Назаров ”Радиоматериаллар ва компонентлар “ Тошкент