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

Основные положения лекции 9

Сверхвысокочастотные гетеротранзисторы на полупроводниках группы широко применяют в технике связи на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволнах, в сверхвысокочастотной измерительной технике, в схемах высокоскоростной обработки информации специального назначения, в радарах и радиотелескопах, – везде, где важны повышенное быстродействие, широкий диапазон рабочих температур, радиационная стойкость, и где ради этого можно пойти на повышенные затраты.

Полупроводники группы являются также пьезоэлектриками, и поэтому их с успехом используют для реализации функциональных схем на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Такие схемы являются высокоэффективными корреляторами, которые выдают на выход пик напряжения тогда, когда пространственная структура поверхностной акустической волны совпадает с геометрической структурой встречно-штыревых электродов. Схемы на ПАВ автоматически "фазируются" и синхронизируются с сигналом, поступающим на их вход, – и в этом состоит их большое преимущество. На них строят высокоэффективные фильтры промежуточной частоты, выходные фильтры, многомодовые фильтры и калиброванные линии задержки с незначительным затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т.п. На "наноэлектронном" этапе развития удалось значительно повысить частоты, на которых работают такие схемы. И теперь их широко используют и в системах цифровой и локальной беспроводной связи, и в сотовой радиосвязи, и в системах глобальной ориентации (GSM), и для радиоидентификации и т.п.

На "наноэлектронном" этапе развития значительно усовершенствованы светодиоды. Слой высокочистого узкозонного полупроводника между высоколегированными широкозонными областями - и -типов проводимости позволил значительно повысить светоотдачу таких гетеродиодов. Если на предыдущем этапе светодиоды использовались в основном как индикаторные лампочки, для построения алфавитно-цифровых индикаторов, информационных табло, то теперь из них строят огромные уличные телевизионные экраны и видео-дисплеи, высокохудожественное архитектурное и рекламное освещение, используют для построения сканеров и т.п. Поскольку их светоотдача приблизилась уже к 200 лм/Вт и заметно превысила светоотдачу ламп накаливания и люминесцентных ламп, встал вопрос их массового использования для освещения. Успешно решена задача создания белых гетеродиодных светильников. Их внедрение обеспечивает большую экономию электроэнергии, расходуемой сейчас на освещение и световую рекламу.

Повышенная эффективность светодиодов позволила наладить промышленный выпуск лазерных диодов, отличающихся от некогерентных светодиодов наличием оптического резонатора и более высоким током инжекции. Если у обычных светодиодов спектральная полоса излучения относительно широка (полуширина 20-50 нм), то излучение лазерных диодов почти монохроматическое (полуширина 0,1-0,4 нм). А спектральная интенсивность в этой спектральной линии излучения на порядки величины выше. Обычный светодиод излучает свет с относительно широким пространственным углом расхождения, а излучение лазерного диода когерентное и направлено в основном вдоль оптической оси резонатора.

Лазерные диоды разных размеров, мощности, частоты излучения применяют в информатике очень широко: для формирования сверхвысокочастотных сигналов в волоконно-оптических, в открытых атмосферных и в линиях дальней космической связи, в высокоточных оптических приборах, в оптических дисководах, компьютерных "мышках", лазерных указках, во многих высокочувствительных оптоэлектронных сенсорах, для считывания штрих-кодов и т.п.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные области применения сверхвысокочастотных гетеротранзисторов.
2. Почему так важна частота в средствах передачи информации?
3. Для чего необходимы сверхвысокочастотные наноэлектронные гетеротранзисторы в области сотовой связи?
4. Почему без сверхвысокочастотных наноэлектронных гетеротран-зисторов уже не могут обойтись мощные телекоммуникационные сети, системы кабельного и спутникового телевидения, радиорелейные станции, системы спутниковой и далекой космической связи?
5. Почему без сверхвысокочастотных наноэлектронных гетеротран-зисторов уже не могут обойтись волоконно-оптические линии связи?
6. Для чего необходимы сверхвысокочастотные наноэлектронные гетеротранзисторы в областях радиолокации и радиоастрономии?
7. Что такое "поверхностные акустические волны" (ПАВ)?
8. Что такое "встречно-штыревой преобразователь"? Объясните принцип возбуждения и детектирования ПАВ и запишите условие резонанса.
9. Какие преимущества дает применение нанолитографии при изготовлении приборов на ПАВ и почему?
10. Почему приборы на ПАВ являются высокоэффективными корреляторами?
11. Благодаря чему схемы на ПАВ автоматически "фазируются" и синхронизируются с сигналом?
12. Можете ли Вы описать принцип работы системы автоматической радиоидентификации? Опишите.
13. На чем основана работа светодиодов? Объясните.
14. Какое влияние на улучшение характеристик светодиодов оказала новейшая наноэлектронная технология? Благодаря чему?
15. Каким образом на основе светодиодов создают источники белого света?
16. Как устроены лазерные диоды? Чем их световое излучение отличается от излучения обычных светодиодов?
17. Где применяются лазерные светодиоды?