Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы АІІІВV. Устройства на ПАВ. Светодиоды. Лазерные диоды

Области применения гетеротранзисторов

Можно выделить следующие области применения сверхвысокочастотных гетеротранзисторов:

• техника связи на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволнах;
• сверхвысокочастотная измерительная техника;
• большие интегральные схемы для высокоскоростной обработки информации специального назначения;
• системы радионаблюдения (радиотелескопы, радары).

По причинам, о которых мы уже говорили во вступлении в предыдущую лекцию, электронные устройства на полупроводниках группы являются значительно более дорогими, чем электронные устройства на кремнии. Но там, где крайне важны повышенное быстродействие, широкий диапазон рабочих температур, радиационная стойкость, пользователи согласны на повышенные затраты ради достижения необходимых им технических характеристик.

Для обоснования важности применения сверхвысокочастотных гетеротранзисторов в технике связи напомним известное соотношение между частотой и длиной волны электромагнитных сигналов:

где м/с – скорость света в вакууме. Отсюда вытекает, что диапазону сантиметровых волн ( = 1-10 см) соответствуют частоты от 30 до 3 ГГц. Это – "супервысокие" частоты (англ. SHF) согласно классификации международной организации ІЕЕЕ. А миллиметровым волнам ( = 1-10 мм) соответствуют частоты от 300 до 30 ГГц – "экстравысокие" частоты (англ. ЕHF) согласно той же классификации. Еще более высокие частоты – от 300 ГГц до 3 ТГц соответствуют субмиллиметровому (микроволновому) диапазону электромагнитных волн ( от 1000 до 100 мкм), который расположен на границе радиоволн и далекой инфракрасной области спектра. Еще до недавнего времени все эти диапазоны электромагнитных волн были мало освоены и не распределены. Микроволновый диапазон электромагнитных волн остается не распределенным и до сих пор.

В то же время, чем выше частота электромагнитных волн, тем бoльшие объемы информации можно передавать и принимать с их помощью в единицу времени, тем меньшие по размерам антенны можно использовать, тем более широкополосные сигналы можно передавать, принимать и обрабатывать, обеспечивая неслыханные ранее скорость и качество связи.

Для освоения этих новых "поколений" средств связи и оказались необходимы сверхвысокочастотные гетеротранзисторы, появившиеся на "наноэлектронном" этапе развития. Каждые "завоеванные" ими добавочные 10 ГГц частотного диапазона, в конечном счете, позволяют передавать/принимать дополнительно 1 Гбит информации каждую секунду.

Наиболее известны широкой общественности системы сотовой связи 3-го и 4-го поколений, обеспечивающие независимое общение одновременно миллионов людей и возможности беспроводного доступа новейших сотовых телефонов, смартфонов, мобильных компьютеров к сети Интернет. Менее известны, но не менее важны, системы беспроводной ближней радиосвязи для создания беспроводных локальных вычислительных и управляющих сетей в промышленности, на транспорте, в учреждениях, в системах безопасности. Они все больше применяются и в домашнем хозяйстве, помогая дистанционно проверять состояние и управлять разнообразной домашней техникой.

Без сверхвысокочастотных наноэлектронных гетеротранзисторов не обходятся уже и мощные телекоммуникационные сети, системы кабельного и спутникового телевидения, радиорелейные станции, системы спутниковой и дальней космической связи.

В качестве одного из возможных примеров, на рис. 9.1 показан фотоснимок части параболической антенны спутниковой связи с двумя установленными на ней усилителями-конверторами, построенными на ПГТЗШ и имеющими очень низкий уровень собственных шумов. В данном случае радиосигналы сантиметровых волн от спутников связи посылаются в частотном диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц. Усилители-конверторы выделяют из них составляющие вертикальной и горизонтальной поляризации, усиливают принятые радиосигналы указанного диапазона на 50-60 дБ, выделяют из них поддиапазон заданной частоты, смешивают со сверхвысокочастотным сигналом супергетеродина и усиливают радиосигналы уже значительно более низкой промежуточной частоты (от 950 до 2150 МГц), которые передаются по высокочастотному антенному кабелю в ресивер.

Напряжение питания и сигналы управления усилителями-конверторами передаются к ним через коаксиальный кабель. Конверторы надежно работают и в мороз, и в жару. Значительное усиление и частотное преобразование сигналов непосредственно возле антенны позволяют получать сигналы сразу многих каналов цифрового телевидения высокой четкости и использовать спутниковую антенну как коллективную, обслуживающую многих пользователей.

Без сверхвысокочастотных гетеротранзисторов не обходятся и волоконно-оптические линии связи. Для передачи информации в них используется ближний инфракрасный свет с длиной волны 1,3 мкм или 1,55 мкм. Теоретическая пропускная способность таких каналов чрезвычайно велика. Но практически она ограничивается быстродействием соответствующих модуляторов и демодуляторов сигналов и устройств коммутации. Такие устройства как раз и строятся на основе гетеротранзисторов и сейчас обеспечивают потоки данных со скоростью порядка 40 Гбит/с. Но этим возможности дальнейшего усовершенствования еще не исчерпаны.

Среди полупроводниковых материалов группы имеется, в частности, и фосфид индия, на основе которого можно формировать не только сверхскоростные гетеротранзисторы, но и сверхбыстродействующие светодиоды (о которых мы расскажем ниже) и фотоприемники света указанной длины волны, которые потенциально способны модулировать и демодулировать такой свет с частотой в несколько терагерц (10¹² Гц).

В области измерительной техники сверхвысокочастотные гетеротранзисторы необходимы, прежде всего, для исследований очень быстропротекающих процессов, а также для сверхскоростной обработки больших и многоканальных потоков данных (например, быстрых преобразований Фурье для спектрального анализа, реализации сверхскоростных многоканальных осциллографов, томографов, аппаратуры для исследований в области физики высоких энергий и т.д.).

В области радиолокации повышение рабочих частот означает повышение разрешающей способности аппаратуры при одновременном уменьшении размеров антенных систем и потребляемой мощности. Для радиоастрономии – это открывает дополнительное "частотное окно" в безграничные пространства космоса, дает шанс увидеть объекты и явления, которые в доступном для наблюдений радиодиапазоне ранее не замечались.