Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффективности применения оптоэлектронных коммутаторов (ОЭМК) в информационных системах 7
1.1. Анализ 7
1.2. Постановка основных задач исследований 14
Выводы 22
Глава 2. Физические основы работы оптоэлектронных коммутаторов.(ОЭМК) 23
2.1. Основные уравнения физических процессов, протекающих в ОЭМК..23
2.2. Физическая модель излучателя ОЭМК 26
2.3. Расчет фотоэлектрических характеристик интегрального фотодиода ОЭМКП 28
2.4. Электрические модели оптоэлектронных коммутаторов 33
2.5. Переходные процессы в ОЭМК 39
2.5.1. Методы заряда при анализе переходных процессов в ОЭМК 39
2.6. Расчет первичных фототоков 45
Выводы 52
Глава 3. Аппаратная реализация оптоэлектронных коммутаторов 54
3.1. Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов 54
3.2. Оптоэлектронные многоканальные коммутаторы 62
3.3. Переходные процессы в оптоэлектронных ключах, работающих в режиме коммутации малых сигналов 71
Выводы 84
Глава 4. Эксплуатация оптоэлектронных коммутаторов 86
4.1. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов 86
4.2. Система параметров излучающих диодов для ОЭМК 88
4.3. Система параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов 89
4.4. Система параметров оптоэлектронных коммутаторов 91
4.5. Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов 95
4.5.1. Методы измерения параметров излучающих диодов для ОЭМК .95
4.5.2. Методы измерения параметров фотоприемников для оптоэлектронных коммутаторов 98
4.5.3. Экспериментальные исследования натурных образцов оптоэлектронных матричных коммутаторов 100
4.6. Экспериментальные исследования ОЭМК 102
Выводы 110
Заключение 111
Список литературы 112
- Постановка основных задач исследований
- Физическая модель излучателя ОЭМК
- Переходные процессы в оптоэлектронных ключах, работающих в режиме коммутации малых сигналов
- Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов
Введение к работе
Актуальность темы. Современное общество характеризуется внедрением информационных телекоммуникационных технологий, технически реализуемых в системах и сетях различного функционального назначения. Основой их все более успешно становится оптоэлектронные элементы и устройства, позволяющие всецело удовлетворять всё усложняющимся требованиям, предъявляемым к таким системам и сетям, обеспечивать новые функциональные и сервисные возможности, что невозможно решить традиционными техническими методами.
Основными в этой области являются некогерентные оптоэлектронные элементы и устройства, которые отличаются функциональной гибкостью, высокой эксплуатационной устойчивостью, длительным безотказным временем работы и низкой стоимостью. Наиболее эффективно их применение во внутриобъектовых и межобъектовых локальных вычислительных сетях, являющихся основой современных технологий.
Настоящая работа посвящена таким приборам и устройствам некогерентной оптоэлектроники, выполняющим в информатике функции элементов коммутации информации, которые нашли широкое применение в вычислительных системах и сетях, системах телекоммуникации и автоматики.
Новые разработки оптоэлектронных многоканальных коммутаторов (ОЭМК) обеспечивают принципиально новые потребительские свойства электронной аппаратуры: помехозащищенность от сильных электромагнитных полей, совместимость разнородных блоков в едином комплексе, функциональную, схемо и системотехническую гибкость, выполнение функций, не реализуемых на обычных радиотехнических принципах (например, высокоскоростная параллельная обработка информации).
ОЭМК способствуют решению важной для вычислительной аппаратуры проблемы комплексной миниатюризации на новом физическом и аппаратном уровне. При этом обеспечивается обязательное требование к новым разработкам оптоэлектронных приборов и устройств - конструктивно-технологическая совместимость с уже имеющимися и широко используемыми в вычислительной аппаратуре микросхемами.
Значимость ОЭМК и устройств определяется не только уникальностью выполняемых ими функций, но и тем, что это направление науки и техники уже получило реальное промышленное воплощение, характеризующееся массовым производством приборов и их применением во всех сферах народного хозяйства и специальной техники.
Некоторые схемы прошли практическую апробацию путем применения их в системах в жестких эксплуатационных условиях. Эти системы доказали свою работоспособность при выполнении весьма сложных задач.
Внедрение оптоэлектронных коммутаторов (ОЭМК) в информационные системы происходит эволюционно, и следует различать этапы развития:
внедрение изделий некогерентной оптоэлектроники (ИК - излучающие диоды, p-i-n - фотодиоды, оптопары и оптоэлектронные микросхемы) в периферию современных вычислительных систем средней
производительности (107-180 опер/сек) с целью повышения помехозащищенности проводных линий связи, устройств ввода с перфолент, перфокарт и т.д.;
внедрение оптоэлектронных каналов (с волоконными и воздушными световодами) во внутриобъектовые информационные системы;
внедрение оптоэлектронных коммутаторов в устройства обработки информации (оптическая память, процессоры и т.д.)
Цель и основные задачи работы.
Целью настоящей работы является создание методов расчета параметров ОЭМК, которые позволяют сократить время проектирования и изготовления ОЭМК. Основными задачами, решения которых необходимо для достижения поставленной цели являются:
разработка требований к оптоэлектронным многоканальным коммутаторам (ОЭМК) со стороны информационных систем и сетей;
разработка методов математического моделирования работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;
разработка метода расчета динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;
разработка методологии программно-аппаратной реализации ОЭМК;
разработка методики выбора системы параметров ОЭМК;
разработка методов измерения параметров ОЭМК;
разработка методик испытаний ОЭМК;
Решение этих задач имеет большое значение для дальнейшего совершенствования процесса проектирования и создания ОЭМК конкурентно способных на мировом рынке. На защиту выносятся:
выбор требований к ОЭМК;
математические модели работы ОЭМК в различных эксплуатационных условиях;
методика расчета динамических помех ОЭМК в режиме коммутации «малого» сигнала;
методология программно-аппаратной реализации ОЭМК;
методика выбора системы параметров ОЭМК;
методы измерения параметров ОЭМК;
Методы исследования.
Для решения поставленных выше задач в качестве методов исследования использовались: теория систем дифференциальных уравнений; теория электрических цепей; моделирования и версификации электронных схем; анализ и статическая обработка полученных экспериментальных результатов. Научная новизна.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
методика выбора требований ОЭМК;
математические, физические модели работы ОЭМК;
метод расчета динамической помехи «малого» сигнала;
методика выбора системы параметров ОЭМК;
метод измерения параметров ОЭМК;
Практическая ценность работы состоит в разработке и испытаниях экспериментальных образцов ОЭМК. Реализация и внедрение результатов работы.
Предложенные в диссертационной работе методы расчета параметров, их измерения и испытания ОЭМК используются в промышленности на ФГУП Научно-исследовательский институт «Сапфир» (г.Москва), в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Вычислительные системы и сети» Московского государственного института электроники и математики (ВСиС МИЭМ). Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются при изучении курса «Сети ЭВМ и телекоммуникации». Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов (г.Москва , МИЭМ,2007г.,2008г.2009г.), а также на научно-исследовательских семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ с 2007г. по 2009г. Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 4 печатных работы, 1 из которых в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК для публикации результатов диссертаций. Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 40 наименований, общий объем работы составляет 142 страницы.
Постановка основных задач исследований
Широкое применение ОЭМК в вычислительных сетях требует решения целого ряда задач, направленных на повышение эксплуатационной устойчивости, повышение уровня интеграции и их комплексной миниатюризации, электрической совместимости (по уровню сигналов, напряжению питания) с изделиями микроэлектроники, используемых в информационных системах.
Учитывая, что в настоящее время в информационных системах все шире начинают применяться ОЭМК повышенной функциональной сложности, по своему уровню интеграции значительно превосходящие ОЭМК первого поколения (излучающие диоды, фотодиоды и оптопары), их применение в информационных системах должно носить системный характер, особенно если учесть, что использование ОЭМК повышенной функциональной сложности коренным образом влияет на структуру -информационных систем. Определение с достаточной полнотой функциональных характеристик ОЭМК повышенного уровня интеграции, работающих в условиях комплексного воздействия различных эксплуатационных факторов, проектирование и разработка требований к оптоэлектронным узлам и блокам (контроллерам, интерфейсам и т.д.), выбор оптимальной системы параметров и расчетно-экспериментальных методов испытаний ОЭМК невозможен без математического моделирования. Вопрос математического моделирования характеристик ОЭМК актуален и с экономической точки зрения, так как позволяет значительно снизить затраты на этапах архитектурно-схемотехнической разработки информационных систем, выбора (разработки) базовой технологии и базовых элементов оптоэлектронных интегральных схем и устройств, отладки тестов контроля и испытаний опьиных образцов ОЭМК, разработки нормативно-технической документации, включая программное обеспечение и руководство па применению ОЭМК.
Используемые для прогнозирования поведения ОЭМК при воздействии различных эксплуатационных факторов (в том числе ионизирующих излучений) математические модели ОЭМК включают математическое описание зависимостей электрических параметров ОЭМК или параметров их эквивалентных схем от конструктивно-технологических параметров и электрофизических характеристик исходных полупроводниковых и диэлектрических материалов, а также зависимости изменений электрических характеристик исходных материалов от степени облучения, полученные экспериментальным или расчетным путем.
Эффективность применения ОЭМК в различных электрических и эксплуатационных режимах, прогнозирование их поведения зависят от того, какие математические модели ОЭМК используются в качестве исходных. Степень разработанности моделей в значительной мере определяет достоверность и точность расчета, а также затраты машинного времени.
Математические модели ОЭМК в зависимости от системы исходных данных подразделяются на электрические, физические.
В электрических моделях ОЭМК исходными данными являются электрические параметры (коэффициент передачи по току Кі, выходное сопротивление, остаточное напряжение на фототранзисторе в оптоэлектронном ключе аналогового сигнала и др.), в физических - геометрические размеры и электрофизические характеристики материалов (ширина активной области в излучающем диоде, размеры эмиттера, примесный профиль и т.д.).
Математические модели ОЭМК можно разделить на статические и динамические. Статические отображают статическое состояние ОЭМК при неизменных внешних управляющих напряжениях и не учитывают его временных (переходных) характеристик, динамические дополнительно отражают переходные процессы, происходящие в ОЭМК при изменении во времени управляющих сигналов.
При разработке физических моделей ОЭМК, работающих при комплексном воздействии эксплуатационных факторов (в том числе ИИ), представляется записать систему уравнений, описывающих движение носителей заряда в ОЭМК в виде: Г = q V; (E)N:-q D; ; (1.8)
Здесь jj+.j — плотности полного тока и токов положительно и отрицательно заряженных частиц; N , Nj — концентрация носителей заряда разных типов (П — типов положительно заряженных частиц; m — типов отрицательно заряженных частиц); У,+(Е), V,"(E) — скорости дрейфового движения носителей заряда; D;+, D;" — коэффициенты диффузии носителей заряда; щ, а," — коэффициенты рекомбинации носителей заряда, зависящие в общем случае от концентрации носителей заряда; G,+, G," — скорости генерации носителей заряда под действием ионизирующих (инфракрасных, у- излучений и т.д.) излучений; є — диэлектрическая проницаемость среды, в которой осуществляется движение носителей заряда; Е — напряженность электрического поля в данной точке пространства; q - элементарный электрический заряд (заряд электрона). В оптоэлектронных приборах в качестве подвижных носителей заряда, как правило, рассматриваются электроны и дырки. При анализе исследуемый ОЭМК разделяю на нейтральные области и области объемного заряда (последние характеризуются наличием сильного электрического поля, равного 10 — 10 В/см). К областям объемного заряда относятся области с резкой неоднородностью примесей, в частности р-п переход. При вычислении таких параметров р-п перехода, как ширина объемного заряда, зарядная емкость, пробивное поле и т.д.. обычно пренебрегают концентрацией подвижных носителей заряда и используют уравнение Пуассона (1.11).
Физическая модель излучателя ОЭМК
Для расчета оптоэлектронных схем на оптоэлектронных элементах (излучателях, фотоприемниках, оптопарах и др.) целесообразно использовать электрические модели, так как при проектировании таких схем разработчик в своем распоряжении имеет готовые элементы, и параметры этих элементов можно определить только в результате внешних электрических измерений. Кроме того, применение физических моделей в этих случаях затруднено из-за большого объема вычислений.
В соответствии с принятой физической моделью оптоэлектронного прибора процессы, проходящие в нем, описываются линейными дифференциальными уравнениями, и поэтому для получения уравнений, токов многослойной фоточувствительной структуры используемой в ОЭМК, можно применить принцип суперпозиции. При этом в качестве граничных условий задаются падения напряжений на р-п-переходах. В этом случае выражение тока через k-ый переход многослойной структуры можно получить в виде [38]: где 1к0 н 1фк — тепловой ток и фототок короткого замыкания k-го перехода, определенные при условии короткого замыкания других p-n-переходов; акс — коэффициент передачи тока от перехода jk к переходу jc при условии короткого замыкания всех переходов (кроме jk); Uk, Uc — напряжения, на р-п переходах jk и jc соответственно; 1 — количество p-n-переходов, имеющих один общий слой с к-м переходом; 1с0 — тепловой ток С-го перехода; фг — коэффициент, учитывающий рекомбинацию носителей заряда в р-п-переходе.
Однако при решении дифференциальных уравнений непрерывности для анализа многослойной фоточувствительной структуры мы задаем граничные условия на р-п-переходах в виде градиентов концентраций носителей, что при ИСПОЛЬЗОВАНИИ метода суперпозиции накладывает требование равенства токов через остальные переходы многослойной фоточувствительной структуры (т.е. условие холостого хода на остальных переходах). Заметим, что / -и-переходы, находящиеся в режиме холостого хода, являются «плавающими», т.е. напряжения на этих переходах определяются диффузионным потенциалом, создаваемым избыточными носителями, дошедшими до этого перехода.
Выражение для тока через k-й переход многослойной структуры в этом случае можно получить в виде где — тепловой ток k-го перехода при условии холостого хода на всех других переходах;1 — общее число переходов в структуре; ФК— первичный фототок через к-й переход при условии холостого хода на всех других переходах; акс — коэффициент передачи тока от перехода jk к переходу jc при условии холостого хода на всех других переходах.
Входящие в уравнения токов характеристические параметры (коэффициенты передачи токов от одного перехода к другому, первичные фототоки, тепловые токи) определяются электрофизическими параметрами структуры и находятся из решения уравнения непрерывности: коакс =- со(Хск - коакс = 1соаск (2.47) Расчет коэффициентов передачи тока через «плавающие» переходы можно производить, используя соотношение, вытекающее из системы уравнений токов вида где S — количество переходов между k-ым и С-и переходами (k + S = C- 1);а — коэффициент предачи между двумя соседними переходами, причем знак плюс соответствует случаю к С, а знак минус - случаю к С. Между характеристическими параметрами, входящими в уравнения вида (2.47), (2.46) существуют следующие соотношения: которые подтверждаются экспериментально (табл. 2.1) параметрами фототранзистора. Таблица 2.
Соотношения обусловлены простыми физическими явленнями. В режиме короткого замыкания все p-n-переходы структуры «собирают» неравновесные носители, генерируемые светом и диффундирующие к ним, а в режиме холостого хода часть носителей отражается р-п-переходами и диффундирует к С-му переходу. Поэтому коэффициент собирания носителей С-м переходом больше в случае холостого хода всех других переходов.
Режим короткого замыкания p-n-переходов структуры приводит также к уменьшению коэффициента инжекции носителей переходом jk, если этот переход имеет один общий слой с другим р-п-переходом структуры (1 1).
В случае холостого хода перехода jk концентрация неравновесных носителей на этом переходе становится меньше равновесной при изменении тока 1с0 (обратное напряжение на переходе jc), а при коротком замыкании перехода jk она равна равновесной.
Уравнения вида (2.45), дополненные уравнениями Кирхгофа, образуют полную систему уравнений токов многослойной фоточувствительной структуры. Эта система позволяет получить (в удобной для анализа форме) выражение вольт-амперной характеристики многослойной структуры в любой схеме включения с точностью, не уступающей точности ВАХ, полученной при непосредственном решении уравнений непрерывности. _ _ - - Опираясь на полную систему уравнений токов, можно определить основные статические параметры ОЭМК в различных режимах применения, содержащих в качестве приемника многослойную полупроводниковую структуру. В частности, из обоих уравнений вида (2.45) следует, что в многослойной структуре первичный фототок коллекторного перехода, который внешним источником тока смещается в обратном направлении, в определенных схемах смещения будет усиливаться.
Если под коэффициентом усиления первичного фототока Вф понимать отношение приращения выходного тока при обратном смещении коллекторного перехода к первичному фототоку, то для многослойной структуры с последовательно чередующимися слоями получим: где Si — число /7-и-переходов в многослойной структуре, расположенных справа от коллекторного перехода п включенных в выходную цепь; S2 — число р-n переходов в многослойной структуре, расположенных слева от коллекторного перехода и включенных в выходную цепь; а — коэффициент передачи тока между двумя соседними переходами.
Из анализа (2.50) можно установить, что максимальное усиление последовательной многослойной структуры определяется либо коэффициентом усиления трехслойной структуры (в случае, если коллекторный переход — крайний в многослойной структуре), либо коэффициентом усиления четырехслойной структуры. Следовательно для обеспечения максимального усиления необходимо в выходную цепь включить либо три, либо четыре последовательных слоя.
Полученный вывод о максимальном усилении первичного фототока не распространяется на сложносоединенные многослойные структуры. Например, при соединении трехслойных структур по схеме Дарлингтона усиление первичного фототока превышает произведение коэффициентов передачи токов баз трехслойных структур.
Переходные процессы в оптоэлектронных ключах, работающих в режиме коммутации малых сигналов
Анализ переходных характеристик, построенных с помощью ЭВМ (рис. 2.8), показывает, что: при \E\L /(2 р,„) 1 переходный процесс определяется диффузионным переносом носителей заряда и заканчивается за время 2...3 т ; при \Е\Ь /(2д)т) 3 переходный процесс определяется дрейфовым переносом носителей заряда п заканчивается за время 0,5 т .
Особый интерес представляет рассмотрение переходной характеристики первичного фототока при воздействии импульса ионизирующего излучения. Рассмотрим импульсы нейтронов и у-излучения. Поскольку длительность нейтронного импульса, как правило, значительно больше длительности у-импульса, скорость генерации при нейтронном импульсе соответственно намного меньше, чем при у-импульсе. Однако в ряде случаев фототок р-n переходов ОЭМК, возникающий в результате воздействия нейтронного импульса, как и при у-импульсе. может вызвать ложное срабатывание оптоэлектронных схем.
Импульс у-излучення и импульс нейтронов (так как скорость распространения у-квантов гораздо выше, чем нейтронов) разнесены во времени, поэтому расчет реакции оптоэлектронных приборов на нейтронный импульс и у-импульс можно вести раздельно Носители, возникающие непосредственно в области пространственного заряда р-п перехода, при воздействии импульса ионизирующего излучения (ИИ) будут разделены полем перехода на время, исчисляемое единицами и долями наносекунды, т.е. ток, вызванный этими носителями, повторяет форму импульса нейтронов. Называется он мгновенной компонентой первичного фототока: i =2qSWQGif), (2.83) где q -заряд, К: Wn— толщина р-п-перехода. см; G(t) — скорость генерации носителей 3 при воздействии импульса нейтронов, 1/ см -с; і, — мгновенный фототок, A; S площадь перехода, см2.
Носители, созданные вне области р-п-перехода, вызывают увеличение тока через обратно смещенный или закороченный p-n-переход с некоторым запаздыванием по отношению к импульсу, вызывающему генерацию. Это запаздывание определяется временем пролета носителей заряда от места генерации до р-п-перехода. Поэтому эту составляющую фототока можно назвать запаздывающей. Эта запаздывающая составляющая (с учетом того, что время жизни носителей заряда изменяется в процессе облучения) определяется на базе решения нестационарного уравнения непрерывности: - = DpAp2-A{pE)-p dt + Km(x,y,z)(pll(t)dt + G„(t) (2.84) TPO
В основу расчета скорости генерации G (t) неравновесных носителей при воздействии нейтронного импульса положено предположение, что соотношение между потерями энергии при упругих и неупругих соударениях атома отдачи с атомами кристаллической решетки, которая изменяется плавно от нуля до единицы с ростом энергии атома отдачи. В работе показано очень близкое совпадение потерь атома отдачи, идущих на ионизацию, определенных по Линхарду—Шарфу и полученных экспериментально. Для энергии нейтронов до 2 МэВ расчет количества пар носителей на один нейтрон осуществляется по формуле - - = [Ея(п,п }Мп,п )]. (2.85) АФ є
В работе рассчитаны временные зависимости Ап/АФ для различных значений плотности потоков нейтронов.
При решении нестационарных уравнений непрерывности, как правило, время жизни носителей принимается постоянным во время переходного процесса. При расчете первичного фототока при воздействии импульса нейтронов учитывалось изменение времени жизни т во время переходного процесса по мере набора дозы полупроводниковым материалом ОЭМК с коэффициентом пропорциональности К .
В общем виде коэффициент повреждения описывается известным соотношением K lN.aAEME rjiicy V +crJjJ. (2.86)
Рассмотрим каждый из сомножителей этого выражения. Произведение, заключенное в квадратных скобках, представляет собой скорость введения структурных дефектов на единицу воздействующего излучения в зависимости от энергии излучения. Согласно модели Линхарда—Шарфа количество дефектов, вводимых в кремний на один нейтрон, определяется из выражения
Зная форму нейтронного импульса, нетрудно зависимость АЛ ./ДФ из энергетической представить как временную: = 2.18-10zexp Д#,/ 0101n2 АФ ±!М, (2.88) где R - расстояние до импульсного источника (ИИ). Чтобы учесть отжиг во время импульса нейтронов, будем считать, что во время облучения отжигаются дефекты одного типа (типа Френкеля) и время жизни дефектов во времени облучения постоянно. Поведение дефектов описывается простым дифференциальным уравнением «V = G, _: &.. (2.89) dt " Td ANtl ,. ANd где G, — скорость генерации дефектов; Gd = - p„(t); — скорость d T. рекомбинации дефектов. Решив уравнение (1.53), получим временную зависимость количества дефектов в кремнии с учетом отжига:
Произведение, стоящее в выражении (2.86) под знаком суммы, определяет рекомбинационные свойства и эффективность того или иного центра, образовавшегося в результате появления структурного дефекта в кристаллической решетке под действием нейтронов. В этом произведении: р.— скорость введения /-го центра; а , а сечения захвата дырки и электрона этим центром; V , V — средние тепловые скорости электрона и дырки; f , f — функции, зависящие от положения уровня Ферми по отношению к энергетическому уровню их центров; уровни определяют степень заполнения электронами и дырками. При расчете коэффициента К для //-кремния доминирующими являются уровни Е — 0,18 эВ, на которых протекает рекомбинация носителей, для /7-кремния — уровни „+0,27 эВ. Согласно статистике Шокли—Рида для я-кремния [2.17] ANd _ fy пО + рО + Ап Кг = J-crmVp z . (2.91) г" АФ р р пО + п\ + Ап Как показывает оценочный расчет, при ионизации импульсом нейтронов, как правило, реализуется низкий уровень инжекции. В этом случае при расчете ионизационных токов можно использовать время жизни, соответствующее одному (низкому) уровню инжекции и (и„ + рп + Anj/yn» + и.. + An]= 1.
Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов
Одним из основных преимуществ оптоэлектроники является возможность создания на базе ОЭМК высокопроизводительных и надежных узлов, блоков и радиоэлектронной аппаратуры в целом, работающей в сложных условиях (особенно при воздействии электромагнитных полей). Поэтому одна из главных проблем, стоящая перед разработчиками ОЭМК систем и сетей и изготовителями ОЭМК — обеспечение требуемого уровня их качества и надежности.
Условия эксплуатации ОЭМК характеризуются комплексом факторов, которые имеют различную физико-химическую природу, изменяются в достаточно широких пределах и по-разному влияют на их работоспособность и надежность. Эти факторы подразделяются на электрические, климатические, механические и радиационные. В зависимости от области применения ОЭМК некоторые факторы воздействуют в отдельности, независимо от остальных, а некоторые в совокупности.
С целью обеспечения требуемого уровня надежности устанавливают допустимые значения воздействий эксплуатационных факторов, которым могут подвергаться ОЭМК в процессе эксплуатации, сохраняя при этом работоспособность. Допустимые значения устанавливаются технической документацией на конкретные ОЭМК.
Процессы разработки и изготовления ОЭМК сопровождаются большим количеством контрольно-измерительных операций. Несмотря на то, что в основу этих операций положены одни и те же физические методы, назначение и методика их проведения различны на разных этапах создания ОЭМК. Если задачей измерений является установление (определение) конкретных значений параметров структур и готовых ОЭМК, то основная задача контроля сводится к установлению соответствия параметров измеряемых структур и ОЭМК требованиям технических условий.
В условиях производства и в процессе применения ОЭМК большое значение придается контролю приборов и систем. Такой контроль является завершающей операцией в типовом технологическом процессе; его применяют также перед установкой ОЭМК в аппаратуру, непосредственно в самом процессе экплуатации или при исследовании ОЭМК (например, при анализе отказов).
Система параметров ОЭМК (особенно новых функциональных групп ОЭМК) должна базироваться на анализе физических процессов, происходящих в приборах, используемых в различных схемах и системах [17].
Физическая интерпретация исключает возможность введения в систему таких параметров, которые характеризуют прибор лишь в частных случаях применения и не дают правильного представления о его своГютвах. Кроме того, выбор электрических и температурных режимов измерения параметров также должен основываться на результатах исследования физических процессов в ОЭМК.
Принципы схемного и системного использования ОЭМК определяются их функциональными возможностями, но реально имеют дополнительные ограничения, обусловленные состоянием технологии производства и физикой работы прибора. Например, по своим функциональным возможностям ОЭМК может быть использован как усилительный элемент для построения различных функциональных аналоговых устройств [38], однако освоенная промышленностью технология изготовления ОЭМК в настоящее время пока не позволяет обеспечить линейные ОЭМК (оптопары и оптоэлектронные микросхемы) с высоким и стабильным коэффициентом передачи по току при различных видах эксплуатационных воздействий. Это в совокупности обусловливает использование ОЭМК, в основном, в качестве элемента развязки в цифровых цепях.
Поскольку работа ОЭМК основана на электрических и оптических свойствах полупроводниковых материалов и диэлектриков, при разработке и производстве приборов необходимо измерять как электрические и оптические параметры, так и параметры преобразования. Как следует из классификации, к ОЭМК относятся: приборы с внутренним оптическим взаимодействием между составными элементами оптопары, электронные микросхемы, ОЭМК с открытым оптическим каналом, предназначенные для построения на их основе изделий специального функционального назначения; излучающие и фотоприемные приборы (излучающие ИК-диоды, p-i-n фотодиоды, фототранзисторы и т.п.) для комплектации ОЭМК с внутренним оптическим взаимодействием.
Работа ОЭМК должна описываться следующей системой характеристик[23]: электрических (прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики), позволяющих описать работу ОЭМК в электрической схеме; спектрофотометрических, описывающих энергию излучения, его спектральный состав и распределение излучения в пространстве; передаточно-преобразовательных, устанавливающих связь между электрическими и спектрофотометрическими параметрами для излучающих диодов и фотоприемников.
Параметры приборов с внутренним оптическим взаимодействием можно разделить на следующие группы: S входные параметры, определяемые входной цепью — излучающим диодом(и„р, СВ\. 10бр, и др.); выходные параметры, определяемые фотоприемником (Iyr, Свых, R-д b др.); параметры передачи и усиления входных электрических сигналов (Ki, КПД и др.); параметры, характеризующие быстродействие передачи электрических сигналов со входа на выход (время включения, время задержки включения, время выключения, время задержки выключения, длительность фронта нарастания и спада и др.); параметры, характеризующие величиу гальванической развязки (сопротивление изоляции) и емкости связи между входом и выходом ОЭД (Ииз. Сиз, Шз)
