CC BY
20Преимущества использования АФН-элементов в автоматизации
Алижанов Д.Д. Мирзаев К.С. УсмоновЖ.Н. Анарбоев И. Сохибова З.М. Андижанский машиностроительный институт, г. Андижан, Узбекистан
Аннотация: В данной статье рассмотрен преимущества использования АФН-элемен-тов в автоматизации. В настоящее время уже доказано, что из любого полупроводникового материала можно изготавливать АФН-элемент. Применение в оптоэлектронике АФН-элементов как ПОИ автономного типа открывает новые функциональные возможности в микроэлектронике и автоматизации. В микроэлектронных системах с большим числом элементов, сложные функциональные элементы такие, как АФН-элементы более перспективны. Их использование позволит снизить стоимость устройства при одновременном значительном увеличении общей надежности.
Ключевые слова: АФН-пленка, оптико-управляемые микросхемы, оптоэлектронный датчик, МОП-транзистор.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время уже доказано, что из любого полупроводникового материала можно изготавливать АФН-элемент. Однако, для каждого полупроводника надо найти свою технологию изготовления АФН-элементов.
В отличие от обычных фотоприемников АФН-элементы представляет собой приемники оптического излучения (ПОИ) генераторного типа, т. е. пленки АФН-элемента непосредственно генерирует фотонапряжение, оно является электрическим генератором со световым питанием. Применение в оптоэлек-тронике АФН-элементов как ПОИ автономного типа открывает новые функциональные возможности в микроэлектронике [5]. В оптоэлектронных системах, когда ПОИ служит АФН-элемент, в цепи такого оптрона не нужен источник электрического питания [3].
Для приборов на АФН-элементах необходимы индикаторы с высоким входным сопротивлением или согласующие звенья. Возможности решения, совместимого с требованиями микроминиатюризации, открывают МОП-транзисторы и другие приборы с изолированным затвором (МДП, МНОК и др.).
В микроэлектронных системах с большим числом элементов, сложные функциональные элементы такие, как АФН-элементы более перспективны. Их использование позволит снизить стоимость устройства при одновременном значительном увеличении общей надежности.
При проектировании микроэлектронных схем рассеиваемая мощность становится особенно важным критерием; это обусловлено высокой плотностью компоновки схем в микроэлектронных устройствах. Для таких устройствах микроэлектронных схем рассеиваемой мощности лежат в диапазоне нескольких микроватт. Если в оптоэлектронных микросхемах в качестве фотоприемника использовать АФН-элементы, тогда такие приборы работают в области нановаттного диапазона мощности. Они становятся практически энергонезависимыми, а в условиях естественной радиации, действуют без внешнего источника электрического питания.
К сожалению изучено ещё очень мало полупроводников из которою можно получить АФН-элементы. В настоящее время все больше возрастает интерес к АФН-элементам. Эти элементы очень чувствительны к магнитным, электрическим полям. В АФН-элементах наблюдаются фотовольтаические, фотомагнитные и магнито-оптические эффекты [10]. Кроме того в поляризованном свете проявляются многие (характеристики сильно видиоменяются) свойства АФН-элементов. Для серийного выпуска в технология изготовления АФН-элементов ещё имеется много нерешенных вопросов. Основные характеристики и свойства АФН-элементов находятся на стадии изучения, так как эти свойства и характеристики определяют области технического применения АФН-элементов [7]. АФН-элементы сложная СМС-структура. В ней протекают разнообразные микропроцессы. Для изучения этих процессов необходимо новые методы изучения, такие, как методы компьютерного моделирования, изучение процессов на основе АФН-элементах.
С этой целью составлены предписания алгоритмеческого типа для компьютерного моделирования процессов присходящих в АФН-элементах.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования существующих материалов и работ по АФН-элементам из элементарных и сложных материалов из которых можно получить высоковольтные аномально большие фотонапряженя [2].
В результате исследований составлены эквивалентные схемы АФН-элементов. На основе предложенной модели анализируются основные свойства и характеристики АФН-элементов.
Методы компьютерного моделирования позволяют глубже изучать фотоэлектрические, фотомагнитные и магнитоэлектро - оптические свойства АФН-элементов. В результате открывается широкий путь к практическим аспектам АФН-элементов.
Исследование ВАХ АФН-элементов методом компьютерного моделирования, позволяют определение микропараметров АФН-элементов из любых полупроводниковых материалов [4].
1. НОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА АФН-ЭЛЕМЕНТАХ
Супермногослойная структура (СМС) из сложных полупроводниковых сплавов является объемно-поверхностной неоднородной
гетероситемой (ОПНГС). Такие ОПНГ системы технологически тесно связаны с оптоэлек-троникой неразрушающего контроля различных технологических процессов и материалов. Такие сверхструктурные, трехмерные приборы, как отдельный функциональный элемент, можно собрать из большого числа тонких пленок различных материалов в виде слоев, образующих взаимно запирающие переходы. (Большинство таких приборов являются поперечными, пропускающими поток носителей перпендикулярно слоям). Однако, реализация такой сложной СМС, технологически является очень сложной задачей. При разработке и исследовании фотоприёмников генераторного типа [1] доказано, что аномальные фотоприемники генераторного типа, изготовленные с помощью специальной технологии из сложных (многокомпонентных) полупроводниковых соединений представляют собой неоднородную СМС, с ^-«-переходами. Как известно, для получения сигнала на выходе оптоэлектронной системы должен находиться источник питания. В оптоэлектронной системе, с прямой оптической связью, действующей на базе СМС с аномальными фотовольто-мическими эффектами, эта трудность снимается, т.е. в выходной цепи фотоприемника в этом случае не нужен источник питания. Поскольку фотовольтомически чувствительная СМС с р-п-переходами является фотоприемником генераторного типа, они при освещении светом, становятся источником высоковольтного напряжения. Кроме того, спектральная чувствительность таких СМС элементов очень высока, поэтому опто-электронные приборы, работающие на базе СМС, открывают большие возможности в области неразрушающего контроля и технической диагностики. При использовании ОПНГС в фотоприемнике из-за увеличения дискретности края зоны проводимости и уменьшения дискретности края валентной зоны увеличивается отношение коэффициентов переноса электронов и дырок, что приводит к ослаблению шумов.
Активно ведутся исследования СМС приборов продольного типа, пропускающих носителей вдоль слоев. Такие приборы отличаются от всех существующих приборов тем, что можно осуществить в одном приборе весь процесс от приёма световых сигналов до обработки информации.
Одна из особенностей СМС приборов заключается в том, что сигнал может случайным образом проходить сквозь активные слои элементов поперечного типа и по активным слоям элементов продольного типа. Это позволяет проводить параллельную корреляционную обработку сигнала в технологическом процессе контроля.
Поэтому развитие новых функциональных элементов желательно осуществлять в тесном контакте с оптоэлектроникой.
Для автоматизации и повышения производительности труда, миниатюризации и повышения качества продукции, а также для того чтобы оградить людей от работы во вредной среде, требуются самые различные дистанционные датчики. Использование в качестве датчика фотоприемников генераторного типа на основе СМС позволяет быстро и точно производить измерения и контроль без контакта с объектом даже при его значительных размерах. Развитие измерений (контроль) с использованием оптики сопровождается появлением различных оптоэлектронных приборов. Эти оптоэлектронные приборы в системах не разрушающего контроля выполняют разнообразные функции (работы). Обычные фотоприемники (фотодиод, фоторезистор, фототранзистор и т. д.) в оптронной паре используются для контроля всего одного параметра объекта [8]. Если в качестве фотоприемника применена СМС-фотоприемник генераторного типа, тогда измерительная цепь становится универсальной.
Перед микроэлектроникой в настоящее время стоит проблема создания микросхем, работающих в нановаттном диапазоне мощностей (около 9-10 Вт). Таким образом, совершенно ясно, что для создания таких микросхем необходим коренной пересмотр многих традиционных методов и положений.
Ярким примером этому может служить внедрение АФН-пленок совместно МОП-транзисторами в технологию изготовление микросхем в полупроводниковом приборостроение [6]. В таких микросхемах снижается потребляемая мощность, повышается экономичность, обеспечивается минимальный нагрев МОП-транзистора, что приводит к малым токам утечки затвора и высокому входному сопротивлению. Микросхемы этого вида имеют очень большое усиление. Они могут иметь низкий уровень шума и хорошую частотную характеристику. Высокое усиление по напряжению можно получить, если напряжение на затворе МОП-транзистора будет
выбрано близким к напряжению отсечки. С помощью АФН-пленок микросхемы на МОП-транзисторах становятся оптико-управляемым.
Оптико-управляемые микросхемы являются энергонезависимым (Рис. 1)
Рис. 1. Оптико-управляемые микросхемы: Т-МОП - транзистор, ФГТ-фотоприёмник генераторного типа с
тонкослойной АФН-пленкой
В условиях солнечной радиации для питания таких микросхем не нужен внешний источник напряжения [5, 9]. Такие микросхемы представляет особую ценность для микроэлектроники, так как обеспечивает возможность создания сложных интегральных схем и блоков из однородных компонентов, изготовленных по единой технологии.
ОПТРОНЫ КАК ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Как известно, оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и ПОИ, оптически связанные между собой [5].
Принцип действия любого оптрона основан на преобразовании излучателем электрического сигнала в оптический с последующим обратным преобразованием оптического излучения в электрический ток или напряжение (ПОИ). Физически смысл оптронов заключается в том, что использование фотонов в качестве носителей информации обеспечивает очень высокую степень электрической изоляции входа и выхода.
Задача создания трансформатора напряжения, аналогичного по своим свойствам трансформатору с электромагнитной связью, т. е. сочетающего преобразование напряжения с электрической развязкой входа и выхода, не имеет решения в твердотельной электронике. Необходимость реализации этих функций привела к идее оптрона с прямой оптической
связью, положившей начало развитию оптоэлектроники. Однако передача напряжения в оптроне осуществляется не путем непосредственной трансформации входного сигнала в выходной с помощью внутренних связей, а по релейному принципу. Напряжение, подаваемое во входную цепь, изменяет через канал оптической связи проводимость фотоприемника во вторичной цепи, работающего как реостат, управляемый светом. Поэтому для получения сигнала на выходе в выходной цепи оптрона должен находиться автономный источник питания (Рис. 2).
В оптроне с прямой оптической связью, действующем на базе АФН-эффекта (Рис. 2, б), эта трудность снимается. Такой оптрон представляет собой оптоэлектронный трансформатор напряжения, функционально подобный трансформатору с электромагнитной связью. Входное напряжение (1-5 В) определяется порогом свечения инжекционного полупроводникового излучателя. Как будет показано ниже, при освещении от инжек-ционных излучателей АФН-пленки создают на выходе напряжение порядка 10-100 В. Поэтому рассматриваемая система работает как повышающий трансформатор, причем формирование сигнала на выходе происходит в результате непосредственной трансформации входного сигнала через оптическую связь, играющую здесь роль индуктивной связи в обычном трансформаторе.
а)
Ri
Rz
БШ
СИД ^
м Ai
бш
mAz
б)
БШ
fii
СИД
©
Й2
мА
Рис. 2. Оптрон открытого канала: а — СИД - фотодиод; б — СИД - АФН-приемник
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оптоэлектронные первичные преобразователи с применением АФН-элементов в качестве автономного ПОИ открывают широкие возможности в области разработки контрольно-измерительных систем и в автоматизации. На основе полученных результатов будут разработаны уточненные математические модели источника излучения, ПОИ и оптических каналов, который позволяет провести исследования работы измерительные первичные и подобрать для них оптимальные решения при их конструировании и эксплуатации.
компьютерные
оптоэлектронные
преобразователи
ЛИТЕРАТУРА
[1]
С.
Хатамов - В сб.: в полупроводниках -
[2] [3]
Р. Найманбоев, Фотоэлектрические явления 2004., Ташкент, 2004, с.165
Рахимов Н.Р., Серьёзнов А.Н. АФН-пленки и их применение. -Новосибирск, 2005.-65с.
Н.Р. Рахимов, Д.Д Алижанов, В.А. Жмудь. Перспективы применения АФН - приемника для разработки оптоэлектронной информационно -измерительной системы. //Научный вестник НГТУ -2014г.
[4] Рахимов Н.Р., Ушаков О.К. Оптоэлектронные датчики на основе АФН-эффекта. - Новосибирск: СГГА, 2009 г. - 148 стр.
Рахимов Н.Р., Отажонов С. М., Алижанов Д.Д «Автономный приемник оптического излучения на основе АФН структур» ФерГУ, Фергана, 2011 г. С.214-217
[6] Разработка оптоэлектронных датчиков на основе АФН-пленок из полупроводниковых соединений / Д.Д. Алижанов, Н.Р. Рахимов, В.А. Жмудь // Сборник научных трудов НГТУ. - 2012. - №2(68).
[7] Особенности получения фоточувствительных пленок с аномальным фотонапряжением // Алижанов Д.Д.
[5]
//Автоматика и программная инженерия. - 2013. - № 3 (5). - С. 81-84.
[8] Оптоэлектронный метод контроля физико-механических параметров поверхностей твердых материалов / Т.В. Ларина, Е.Ю. Кутенкова, В.А. Жмудь, Д.Д. Алижанов // Автоматика и программная инженерия. 2012, №1(1)
[9] Автономный приёмник для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения / Н.Р. Рахимов, В.А. Жмудь, Д.Д. Алижанов, Ш.И. Мадумаров // НГТУ - патент № 2522737 Опубликовано: 20.07.2014 Бюл. № 20.
[10] Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроники / под ред. Э.И. Адировича. -Ташкент: ФАН, 1972. - С. 177.
Advantages of Using AFN-Elements in Automation
D.D. ALIZHANOV, K.S. MIRZAEV, ZH.N.
USMONO, I. ANARBOEV, Z.M. SOHIBIOVA
Andijan Machine Building Institute, Andijan, Uzbekistan
Abstract: The advantages of using AFN-elements in automation are considered in this зфзук. At present, it has already been proved that an AFN-element can be produced from any semiconductor material. The use of AFN-elements in optoelectronics as an autonomous type of photo detectors opens new functional possibilities in microelectronics and automation. In microelectronic systems with a large number of elements, complex functional elements such as AFN-elements are more promising. Their use will reduce the cost of the device with a simultaneous significant increase in overall reliability.
Key words: AFN-film, optically-controlled microcircuits, optoelectronic sensor, MOS transistor.
REFERENCES
[1] R. Najmanboev, S. Hatamov - V sb.: Fotojelektricheskie javlenija v poluprovodnikah - 2004., Tashkent, 2004, s.165
[2] Rahimov N.R., Ser'joznov A.N. AFN-plenki i ih primenenie. -Novosibirsk, 2005.-65s.
[3] N.R. Rahimov, D.D Alizhanov, V.A. Zhmud. Perspektivy primenenija AFN - priemnika dlja razrabotki optojelektronnoj informacionno - izmeritel'noj sistemy. //Nauchnyj vestnik NGTU - 2014g.
[4] Rahimov N.R., Ushakov O.K. Optojelektronnye datchiki na osnove AFN-effekta. Novosibirsk: SGGA, 2009 g. 148 str.
[5] Rahimov N.R., Otazhonov S. M., Alizhanov D.D «Avtonomnyj priemnik opticheskogo izluchenija na osnove AFN struktur» FerGU, Fergana, 2011 g. S.214-217
[6] Razrabotka optojelektronnyh datchikov na osnove AFN-plenok iz poluprovodnikovyh soedinenij / D.D. Alizhanov, N.R. Rahimov, V.A. Zhmud // Sbornik nauchnyh trudov NGTU. - 2012. - №2(68).
[7] Osobennosti poluchenija fotochuvstvitel'nyh plenok s anomal'nym fotonaprjazheniem // Alizhanov D.D. //Avtomatika i programmnaja inzhenerija. - 2013. - № 3 (5). - S. 81-84.
[8] Optojelektronnyj metod kontrolja fiziko-mehanicheskih parametrov poverhnostej tverdyh materialov / T.V. Larina, E.Ju. Kutenkova, V.A. Zhmud', D.D. Alizhanov // Avtomatika i programmnaja inzhenerija. 2012, №1(1)
[9] Avtonomnyj prijomnik dlja registracii rentgenovskogo i ul'trafioletovogo izluchenija / N.R. Rahimov, V.A. Zhmud, D.D. Alizhanov, Sh.I. Madumarov // NGTU -
patent № 2522737 Opublikovano: 20.07.2014 Bjul. № 20.
[10] Fotojelektricheskie javlenija v poluprovodnikah i optojelektroniki / pod red. Je.I. Adirovicha. - Tashkent:
Донёрбек Дилшодович
Алижанов, старший научный исследователь, Андижанский машиностроительный институт (АндМИ) e-mail: doni.al@mail.ru
Кахрамон Мирзаев, преподаватель, Андижанский машиностроительный институт (АндМИ)
Жохонгир Нишонбоевич Усмонов, ассистент кафедры «Физики и химии» Андижанский машиностроительный институт (АндМИ).
Икболжон Анарбоев, ассистент кафедры «Физики и химии» АндМИ.
Зарнигор Муталибжон кизи Сохибова, ассистент кафедры «Физики и химии» Андижанский машиностроительный институт (АндМИ).
FAN, 1972. - S. 177.
