Для устранения их предложена схема ОЛЭ типа ОИ [47]. Ее отличие в том, что излучатель ОИ выполнен на основе СД, работающего в маломощном режиме, ФП на ФР, ФТ, ФД с УФ на транзисторе и к нему может быть подключен маломощный дополнительный источник питания (ДИП) для усиления адаптивных свойств ФП (влияние ДИП на работу ОЛЭ заключается в задании напряжения смещения относительно общего провода одного из выводов ФП, см. подр. 2.2). Схема ОИ приведена на рис.2.1а с ФП на основе ФР, ее преимущества перед схемой ОИ [46] излучатель на типовом СД, отсутствие жестких требований к значениям токов ІВкл. СД, возможность использования ФП разных типов и применение ДИП в их цепи. Схемы адаптивного типа PROS [48] (рис.2.1б), PROCOS [49] сочетают в себе схему n ИЛИ-НЕ (базис Пирса) с адаптивными ФП и имеют расширенные функциональные возможности.
Преимуществами схемы ОЛЭ PROS перед схемой ОИ [46] являются: функциональное охват ею минимального логического базиса (универсальность); схемотехническое использование в схемах ОЛЭ nИЛИ-НЕ базового вывода ФТр., двойного переменного резистора для обеспечения адаптивности по входам (заданием тока смещения Б транзистора) и выходам (изменением тока излучения выходных СД1, СД2); наличие неинверсного оптического выхода СД1. Это позволяет влиять на выбор режима ФП, адаптировать (подстраивать) его к изменяющимся значениям входной оптической мощности ЦС и управлять значением выходной оптической мощности СД на логическом выходе схемы ОЛЭ.
Недостатками схем ОЛЭ КИПТ [15,48,49] является их усложнение (увеличение количества элементов, связей) общее количество элементов в устройствах растет пропорционально n числу входных переменных. В схеме ОЛЭ nИЛИ-НЕ типа SUPROSTD [50] на n оптических входов (соединенных между собой по схеме У образного оптического ответвителя) использован один ФП (функция «монтажного»» оптического ИЛИ на n входов, см. рис.2.1в). Это схемотехническое решение применимо в некоторых схемах ОЛЭ, при этом количество логических входов схемы равно n, логических выходов один, количество ФП один, общее количество элементов три. Мало- и микромощные схемы nИЛИ-НЕ [4750] в интегральном исполнении могут быть основой при создании ИС с оптическими связями.
В следующем подразделе приведены характеристики программ моделирования современного инструмента для изучения и разработки оптоэлектронных устройств.
2.2. Особенности программных сред для моделирования электронных схем
Автоматизированные системы управления технологическим проектированием устройств электронной техники получили широкое распространение [5160]. Их применение связано с возможностями математически описать физические процессы (проходящие в схемах и устройствах на их основе) любой сложности на языке математических зависимостей, что позволяет с достаточной точностью проектировать и проводить исследование моделей. Преимуществами программных сред (ПС) схемотехнического моделирования типа Micro-CapV, Electronics Work Bench-5.12 (EWB) [54,55] являются: адаптированный многооконный интерфейс пользователя, библиотека моделей (БМ) аналоговых и цифровых устройств (совместима с РSpice), интерфейс со стандартными приложениями (Windows). Программа EWB характеризуется дополнительной возможностью изменения параметров компонентов схем, отличается управлением точностью расчета, созданием отчетов моделирования, встраиваемые виртуальные приборы (для визуализации процессов определения значений токов, напряжений, получения осциллограмм в узлах схем, др.). Это позволяет реализовать систему типа «рабочий стол» с качественным и количественным анализом ряда электронных схем при приемлемой точности моделирования. Указанные ПС применяются в качестве инструмента построения, моделирования (эмулирования) и демонстрации поведения несложных электронных схем, измерения и оценки полученных параметров в процессе обучения студентов электронных специальностей, что является их преимуществом. Недостатком их является невозможность ввода аналоговых, цифровых компонентов (диодов, транзисторов, оптопар, ИС, др.), отсутствующих в БМ например, с расчетными параметрами.
Наибольшее развитие для разработки электронной аппаратуры на ПК в странах СНГ (наряду с отечественными разработками) получили ПС типа P-CAD, РSpice [56]. Они предназначены для решения следующих задач: графический ввод принципиальных схем, моделирование цифровых и аналоговых устройств, проектирование программируемых логических ИС, разработка печатных плат (размещение компонентов и трассировка печатных проводников) и др.. В 2001г. выпущена версия OrCAD 9.2, которая объединила ПС моделирования цифровых, аналоговых устройств и обеспечила их оптимизацию с графическим схемным редак-тором. В состав версии OrCAD 9.2 входят 10 программных модулей, информация о которых представлена в источнике [57]. Популярность ПС связана с развитыми функциями сервиса для проектирования, моделирования электронных схем, составления технической и проектной документации, развитием средств Internet для пополнения и информационной поддержки десятков тысяч математических моделей цифровых, аналоговых электронных устройств, входивших в базовый комплект. Каталоги БМ и корпусов компонентов пополняются моделями элементов, приборов, схем фирмами производителями (Analog Devices, Linear Technology, Siemens, Texas Instruments, др.), что обеспечивает выбор элементной базы, но связывает разработ-чика только с существующими моделями, а через них с конкретными производителями электронных изделий. Недостатком указанных ПС являются закрытость внутренних параметров моделей, ограничение возможностей создания новых приборов на их основе, отсутствие инструмента моделирования электронных компонентов с расчетными параметрами [57]. Вопрос ввода расчетных параметров новых устройств в модель после их формализации (например, ввода характеристик ППС СД и ФП микромощной оптопары ОВЧ диапазона) не решается на основе таких ПС. Причина жесткая их связь с существующими БМ и закрытыми для пользователя описаниями в них моделей электронных элементов (в виде «черного ящика»), которые разрабатывает и пополняет за плату производитель электронного изделия.
Наибольшее развитие для разработки электронной аппаратуры на ПК в странах СНГ (наряду с отечественными разработками) получили ПС типа P-CAD, РSpice [56]. Они предназначены для решения следующих задач: графический ввод принципиальных схем, моделирование цифровых и аналоговых устройств, проектирование программируемых логических ИС, разработка печатных плат (размещение компонентов и трассировка печатных проводников) и др.. В 2001г. выпущена версия OrCAD 9.2, которая объединила ПС моделирования цифровых, аналоговых устройств и обеспечила их оптимизацию с графическим схемным редак-тором. В состав версии OrCAD 9.2 входят 10 программных модулей, информация о которых представлена в источнике [57]. Популярность ПС связана с развитыми функциями сервиса для проектирования, моделирования электронных схем, составления технической и проектной документации, развитием средств Internet для пополнения и информационной поддержки десятков тысяч математических моделей цифровых, аналоговых электронных устройств, входивших в базовый комплект. Каталоги БМ и корпусов компонентов пополняются моделями элементов, приборов, схем фирмами производителями (Analog Devices, Linear Technology, Siemens, Texas Instruments, др.), что обеспечивает выбор элементной базы, но связывает разработ-чика только с существующими моделями, а через них с конкретными производителями электронных изделий. Недостатком указанных ПС являются закрытость внутренних параметров моделей, ограничение возможностей создания новых приборов на их основе, отсутствие инструмента моделирования электронных компонентов с расчетными параметрами [57]. Вопрос ввода расчетных параметров новых устройств в модель после их формализации (например, ввода характеристик ППС СД и ФП микромощной оптопары ОВЧ диапазона) не решается на основе таких ПС. Причина жесткая их связь с существующими БМ и закрытыми для пользователя описаниями в них моделей электронных элементов (в виде «черного ящика»), которые разрабатывает и пополняет за плату производитель электронного изделия.
Анализ имеющихся ПС указал на оригинальную отечественную разработку ПС Моделирование Аналоговых Электронных Схем МАЭС-П [5861], особенности построения и применения которой позволяют: моделировать электрические схемы ОЛЭ, ОЛУ на основе модели оптопары К249КП1 (СД-ФТр.) из ее БМ, вводить в нее виртуальные и расчетные параметры их ППС. ПС МАЭС-П (см. п.2.5) предназначена для автоматизированного проектирования на IBM-PC устройств электронной техники, имеет БМ с десятками типов электронных приборов производства СНГ.
В следующем подразделе приведена оценка методов физикотопологического проектирования инструмента для расчета ППС, указаны их достоинства и недостатки.
2.3. Методы физикотопологического проектирования и моделирования полупроводниковых структур
В настоящем пункте проведен анализ и выбор методов решения основных дифференциальных уравнений, описывающих процессы переноса НЗ в ППС [3538] применительно к задаче расчета элементов ОВЧ оптопары.
Аналитические модели ВАХ ППС (модели: Молла-Росса для низкого уровня инжекции; Гуммеля-Пуна для высокого уровня инжекции; Эберста-Молла для режимов высоких плотностей тока) содержат обычно упрощающие предположения, которые ограничивают область применения каждой конкретной формулы моделей [35,6264]. Использование упрощенных одномерных моделей ППС Эберса-Молла и соответствующих уравнений при расчетах их параметров для ФД следует проводить только после учета ряда дополнительных эффектов: расширение базы (Б), Оже- рекомбинации и др.. В транзисторной модели внимание уделяется процессу снижения коэффициента усиления по току h с увеличением плотности тока за счет увеличения рекомбинации в его Б. Для этого необходимо ввести в модель прямой и инверсный коэффициенты усиления по току (ВЕТА, ВЕТАИ) и их зависимость от частоты. Конечные соотношения для токов зависят от суперпозиции двух токовых составляющих, одна из которых связана с эмиттерным (Э-Б), а другая с коллекторным (Б-К) переходами в приложении Б. Описание моделей транзистора Эберса-Молла и Гуммеля-Пуна приведены на основе источников [35,62], причем количество параметров в последней возрастает вдвое, что несколько повышает точность расчета. С другой стороны, большинство аналитических моделей, применяющихся в схемотехническом моделировании, не связаны непосредственно с геометрией элементов ППС, что не позволяет определить частотные зависимости в схемах от их размеров. Перечисленные модели в большинстве своем не учитывают эффекты: сужение эмиттера (Э), расширение Б, модуляции при распределенном сопротивлении Б. Физическими эффектами, определяющими, например, снижение коэффициентов инжекции являются: рекомбинация НЗ в толстых слоях структуры (например, Б), через глубокие уровни в ЗЗ и за счет Оже процессов (в сильно-легированных структурах), электронно дырочное рассеяние, изменение параметров Si в сильнолегированных слоях ППС. Их учет полезен для оценки влияния различных геометрических, физических параметров на характеристики ППС при создании конструкций СД, ФП, ВЧ транзистора. Конечные формулы ВАХ ППС получены в результате разложения общих решений уравнений непрерывности в ряд по малому параметру [62]. Для практических расчетов характеристик многослойных ППС (с высокими плотностями тока J, малыми топологическими размерами и глубинами переходов) такие подходы не всегда приемлемы по причине узости границ применимости формул аналитических моделей. В них игнорируются некоторые эффекты, например, связанные с высокими плотностями тока в сильнолегированных ППС. С другой стороны, в ППС на основе Si, работающих на повышенных плотностях тока, кроме эффектов, описываемых взаимодействием НЗ с примесями, решеткой кристалла, существенными становятся эффекты, определяемые взаимодействием НЗ друг с другом. В результате вступает в действие дополнительный канал рекомбинации (за счет Оже процессов), возникает эффект взаимного увлечения НЗ, который изменяет коэффициенты переноса, приводит к возникновению дополнительных членов в выражениях для токов электронов и дырок в ППС. Существенное значение играет эффект туннелирования НЗ, который становится возможен при концентрациях примеси выше 1019см3 и очень малой ширине (менее 0,2мкм) р-n перехода. Большинство указанных эффектов в аналитических моделях не учитываются [13,35], поэтому расчет ППС необходимо вести с помощью методов, включающих учет большей части известных эффектов. Высокому соответствию происходящих в ППС физических процессов, отвечают методы численного моделирования (ЧМ), учитывающие указанные эффекты и позволяющие работать в широких пределах концентраций, плотностей токов, глубин и геометрических размеров [6264]. Основой ЧМ является замена производных (частных решений дифференциальных уравнений) отношениями конечных приращений; в результате система дифференциальное уравнений переходит в систему алгебраических уравнений (в случае линейного уравнения она оказывается линейной системой [65]), что позволяет получить числовые значения.