волн управлять излучением возбужденных" ад-омов полупроводника и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет.

Для работы лазера требуется, чтобы сгимулированная излучательная рекомбинация преобладала над поглощением фотонов. Преобладание излучения над поглощением (и наоборот) зависит от соотношения в кристалле полупроводника возбужденных и невозбужденных атомов. В состояйии термодинамического равновесия число электронов в валентной зоне полупроводника (на более низких энергоуровнях) больше, чем в зоне проводимости (на более высоких энергоуровнях). При этих условиях поглощение света преобладает над вынужденным излучением.

Для преобладания стимулированной фотонной рекомбинации над поглощением квантов света необходимо, чтобы концентрация электронов в зоне проводимости была больше их концентрации в валентной зоне. Такое состояние именуют инверсной населенностью. В кристалле полупроводника с инверсной населенностью энергетических уровней поглощение фотонов мало, так как вблизи потолка валентной зоны почти нет электронов, которым может быть передана энергия квантов света. В результате инверсной населенности в кристалле возникает вынужденная рекомбинация.

Инверсную населенность в кристалле можно создать: с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении р-п-перехода (инжекционные лазеры); путем электронного возбуждения полупроводника (электронного облучения); путем облучения квантами света от мощного излучателя и т. д. Наиболее распространен инжекционный способ создания инверсной населенности в полупроводнике.

Действие инжекционного лазера основано на инжекции электронов из вырожденной п-области в р-область при прямом смещении р-п-перехода. При этом в р-области происходит фотонная рекомбинация электронов с имеющимися в ней дырками. Чем больше ток через р-п-переход, тем с большим запасом удовлетворяется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит стимулированная фотонная рекомбинация, называют пороговым. Если ток, проходящий через р-п-переход, больше порогового, то переход является усиливающей средой для света, распространяющегося в плоскости перехода. Стимулированную рекомбинацию увеличивают путем многократного прохождения каждого кванта света в плоскости р-Пнперехода.

Устройство. На рис. 8.12 приведено схематически устройство полупроводникового инжекционного лазера из арсенида галлия. Кристалл содержит п-область (/) и р-область (5), разделенные активной областью 2 с инверсной населенностью. Торцовые грани 4 кристалла отполированы и параллельны, а боковые 5 скошены. Световые волны направляются под некоторым углом рис. 8.12. Инжекционный к плоскости р-п-перехода. После много- лазер

кратных отражений от граней они выходят наружу кристалла. Лазерное излучение 6 возникнет в результате стимулированного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону во всей излучающей части /7-области. При этом обеспечивается пространственная направленность и когерентность для всего фронта выходящего светового луча.

При малом токе через р-п-переход излучение происходит в широком спектре длин волн. По мере увеличения тока до порогового значения излучение становится стимулированным и монохрома-тичным. Однако высокая степень легирования кристалла примесями (для увеличения Тока через р-п-переход) приводит к появлению дефектов структуры и ухудшению параметров инжекционных лазеров.

Эти недостатки устраняются в инжекционных лазерах с гетеропереходами (со структурой p-i-n или р-п-п+, п-р-р+). В гетеро-лазерах средняя область структуры выполнена с меньшей, а примыкающие к ней области полупроводника с большей шириной запрещенной зоны. При прямом смещении р-п-перехода происходит интенсивная инжекция электронов и дырок в среднюю область и обеспечивается инверсная населенность в гетеропереходах В средней области происходит рекомбинация носителей, сопровождающаяся интенсивным излучением света и увеличением (до 70%) квантового выхода гетеролазера.

Понятие об оптронах. В основе действия оптоэлектронных устройств лежит процесс преобразования электрических сигналов в световые, их передача и последующее обратное преобразование в электрические. Основой оптоэлектронных устройств являются полупроводниковые приборы - оптроны. Они состоят из излучаю-ш,их и фотоприемных элементов (рис. 8.13), между которыми устанавливается оптическая связь. Источником излучения служит светоизлучающий диод из фосфида галлия. В качестве фотоприемника используется фоторезистор из сернистого или селенистого кадмия. Оба элемента помещены в общий корпус (рис. 8.13,с).

С помощью оптронов осуществляется оптическая связь в электрической цепи. Сначала световой луч используется в качестве управляющего сигнала, затем - элемента связи и преобразующего звена. Оптроны обеспечивают бесконтактное управление электрическими цепями переменного тока.

Для гальванической развязки электрических цепей в системах автоматики выпускаются оптопары, составленные из: СИД (на основе арсенида галлия - алюминия) и светоприемника - кремниевого фотодиода (рис. 8.13, б), например, ЗОД101А-Г, АОД101А-Д; СИД и кремниевого однопереходного транзистора

I ! I , В) \ 1

Рис. 8.13. Оптрон (СИД-ФР) и оптопары (СИД-ФД, СИД-Т)

(рис. 8.13, в), а также многоканальные оптоэлектронные приборы, включающие по нескольку оптопар.

Для применения в гибридных микросхемах выпускаются бескорпусные оптопары (например, ЗОД201А-Е), а для передачи логических сигналов - полупроводниковые оптоэлектронные схемы (например, К262КП1А-Б) с диодной оптопарой на входе и интегральным усилителем. Возможны и другие сочетания оптопар в микросхемах, например, тиристор и однопереходный транзистор и т. д.

Достоинством оптоэлектронных устройств является большая скорость передачи информации, отсутствие электрической связи между входной и выходной цепями, высокая направленность передачи сигнала, возможность визуального контроля сигнала и считывания информации. Использование оптической связи в электрической цепи составило новое направление микроэлектроники - оптоэлектроники.

Глава 9 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

§ 9.1. Общие сведения об интегральных микросхемах

Надежность электронных устройств. Сложные электронные устройства содержат 10-iC дискретных активных (транзисторов, диодов, электронных ламп) и пассивных (резисторов, конденсаторов, дросселей) элементов. Усложнение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) вызывает необходимость повыщения надежности элементов электронных схем и соединений между ними.

Надежность отдельных элементов и устройств в целом характеризуют интенсивностью отказов К (ч"):

где Дп - число элементов, отказавших в течение времени Д;

JVcp - среднее число элементов, безотказно проработавших в этом интервале времени.

Интенсивность отказов устройства Ку увеличивается с увеличением числа элементов Пд и соединений «с, а также зависит от интенсивности их отказов Хэ и Лс, т. е. Ху~Пээ-1-«сс.

Если среднее время наработки на отказ устройств принять 7у= 1 /Ху 10 ч, то интенсивность отказов должна быть Ху 10- ч-. Приняв Хэ=Хс, а среднее число соединений Пс=2,25пд, требуемая интенсивность отказов элементов и соединений

Хэ=?е = 3,М0-4/«э.

Очевидно, для систем с Пэ=10 интенсивность отказов Хэ=Яс = З.ЫО-" ч-\ а среднее время наработки на отказ элемента 7э=1Дэ«;3,2- IQs ч, что практически нереализуемо.