автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему: Полупроводниковые коммутирующие устройства на основе элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением
Автореферат диссертации по теме "Полупроводниковые коммутирующие устройства на основе элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением"
УЛЬЯНОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Рг- на правах рукописи
ъ '1 УДК 621.382:681.326
Бакланов Сергей Борисович
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Специальность 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работ" выполнено на кайедре "Микроэлектроника и технология электронной аппаратуры", в проблемной научна-исследовательской лаборатории ПНИЛ-1/1 "Оптоэлектраника" Ульяновского политехнического института, а также в лаборатории микроэлектроники и но ка-фе'дре микроэлектроники филиала Московского государственного'университета ии. У.В.Ломоносова в -г.Ульяновске.
Научный руководитель - кандидат физико-математических ноун
Официальные оппоненты: доктор технических наун, профессор,
лауреат Государственной премии, заслуженный изобретатель УССР И.П.Гринберг,
донтор технических наук, профессор ■Л.И.Волгин
Ведущая организация - научно-производственное объединение
Зацита состоится " % " MQpfflG 199» г. в _ч.на
заседании Специализированного Совета 064.021.01 в Ульяновском политехническом институте по адресу: 43270Q, г.Ульяновск, ул. Сев. Бенец, 32. ■
С диссертацией иоино ознакомиться в библиотеке института.
Автореферат разослан " 1994 г.
к.т.н. . -—С _^ЫЫ1др$ьев
ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Антуольность роботы. На прошении ыногих'лет наряду со стремительным развитием и широкий внедрением прак-ически во все сферы деятельности человека вычислительной техники, автоматизированных систем управления, информационных и измерительных устройств и приборов происходит непрерывное совершенствование одних из их состозных частей - средств отобравения информации (СОИ), включающих в себя индикаторы, коммутирующие и управляющие устройства и призванных обеспечивать элективное взаимодействие
человека с техникой. При этом из известных плоских аналогов эле-
нтронно-лучевых трубок (ЗЯТ) наиболее прогрессирующий хсрантер развития имеют тонкопленочные (ТП) элентролминесцеитные индикаторы (ЭЛИ), способные по своим параметрам составить достойную конкуренцию ЭЛТ. При этом, судя по имеющимся публикациям, вытеснение ТП ЗЛИ традиционных индикаторов сдернизается значительным отставанием в развитии устройств управления и, в первую очередь, эффективных коммутирующих устройств (КУ), осуществляющих подключение излучающих элементов индикатора в цепь относительно высокого знакопеременного напряжения питания (100-300 Б).
В связи с условным делением индикаторов СОИ по функциональному назначении*и использованию но'две большие группы (малоформатные и иногоэлементные), характеризующиеся определе"ными способами адресации индикаторных элементов, в области разработки подобных КУ обозначились два основных направления исследований.
Первое направление ориентируется на разработку эффективных дискретных коммутирующих элементов (НЭ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОЛС). имеющих хорошую схемотехническую совместимость с малоформатными ТП ЭЛИ и микроэлектронными схема-
Второе направление исследований связано с решением вопросов коммутации многоэлеиентных индикаторов с матричной или многоуровневой адресацией. Достаточно больное число внешних выводов таких индикаторов затрудняет применение дискретных КЗ и обусловливает необходимость использования КУ 'с внутренниии функциональными связями, среди которых наиболее перспективны полупроводниковые КУ с соиосканированиеи (КУСС) на основе элементов с ОДС, такие, кок нейристоры и сдвиговые регистры.
Таким образом, рассмотренные в диссертации задачи исследования полупроводниковых КУ на основе элементов с ОДС является весь-ис актуальными.
Поставленные задачи решались в роикох госбюдиетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ (НИР) Ульяновского политехнического института и филиала Московского государственного университета ни. Ы.В.Ломоносова в г.Ульяновске, проводимых в соответствии с: .
координатный плонои АН СССР по проблеме "Измерительные процессы и системы" на 1986-1990 г.г. (шифр 1.12.8), .планом вашней-еих работ вузов страны пс фундаментальным проблемам микроэлектроники не 1986-1990 г.г., координационным планом НИР секции физики радиоэлектроники Поволвсного регионального координационного и ноучно-незЕОДического совета АН СССР и Минвуза РСФСР, нсучно-техничесной программой Гособразования СССР "Оптические процессы" на 1989-1592 г.г., неивузовсноВ ноучно-тех нической программой Комитета по еысией вколе Российской Федерации "Оптические процессоры* н& 1593 год. •
Цель рабств. Розроботно и исслег:аание двух групп НУ, ориен тированных для'управления ЭЛИ и использования в других узлах вы-
числительной техники и систем управления:
- новых маломочных дискретных КЗ на базе полупроводниковых приборов синисторного типа для упрощения малоформатными индикаторами; -
- исследование полупроводниковых КУСС на основе элементов с ОДС, предназначенных для управления многоэлементными индикаторами, и разработно их новых вариантов.
Для достижения указпнной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:'
1. Анализ известных типов индикаторов с точки зрения наилучшей совокупности их светотехнических, эргономических и эксплуатационных характеристик, с одной стороны, и оценки оснащенности сравниваемых индиноторов устройствами управления (номмутацгл),
их эффективности и степени освоенности в производстве для наиболее перспективных типов индинаторов различной информационной емкости, с другой стороны.
2. Анализ известных дискретных НЭ и КУСС на основе элементов с ОДС для определения эффективности управления с их помощью индикаторами.
3. Разработка и исследование новых дискретных полупроводниковых КЗ с ОДС, имеющих*высокую эффективность при управлении малоформатными 3/111. Экспериментальное исследование данных КЗ при сопряжении с ЗЛИ с целью внедрения их в промышленность.
4. Теоретический анализ ыеханизмо распространения волны возбуждения в известных и неисследованных ранее полупроводниковых
И У СС на основе элементов с ОДС с объемной и опто'электронной связями ивкду ключевыми элементами и различными режимами питония посредством разработки их математических моделей с последующим расчетом параметров моделей на ЭВМ для. определения оптимальных реки-
мое роботы КУСС, о такие автоматизированного проектирования дан ных устройств с оптимальной конструкцией.
5. Экспериментальное исследование моделируемых КУСС ¿ля со поставления теоретических и экспериментальных результатов с цель оценки адекватности разработанных математических моделей КУСС pi альным процессам, протекающий при распространении в них волны возбуждения.
6. Экспериментальное исследование известных полупроводнико вых КУСС на основе элементов с ОДС в составе шкальных измеритель них приборов (13ИП) повышенной точности измерения с целью подтвер мдения эффективности использования данных КУСС для управления многозлементными индикаторами.
7. Разработка новых полупроводниковых КУСС на основе злеме! тоз с ОДС с улучшенными эксплуатационными характеристиками и pai ширенными функциональными возможностями.
Методы исследования. Методы исследования основаны но испол! зовании матеыотического аппарата теории дифференциального и иН' тегрального исчисления, а также аппарата логических схем алгори'
1. Проведен анализ качество известных индикаторов в сочетании с анализом эффективности управления индикаторами с помощью различных КУ.
2. Разработаны физические и математические модели механизм! распространения волны возбуждения в известных и ранее неисследо венных полупроводниковых КУСС; разработаны алгоритмы расчета Н' ЭВМ оптимальных рвкивов работы исследуемых КУСС,.обеспечивающие проведение автоиотизирсьонного проектирования донных устройств.
3. Проведены экспериментальные исследования моделируемых • КУСС, подтверждающие правильность разработанных математических моделей. ________. ■ - •
4. Разработаны и экспериментально исследованы новые типы малогабаритных полупроводниковых двунаправленных КЗ - маломощные планарно-диффузионные симисторы,, фотосимисторы и оптопары но их основе, обеспечивающие эффективность-управления малоформатными ЗЛИ.
5. Проведены экспериментальные исследования вариантов применения КУСС 8 ШИП,- обеспечивающих высокую ^точность измерения и эффективность управления ;днагозлементными индикаторами.
6. Разработаны новые варианты КУСС с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет пониженного знергопатребчения и упрощенной конструкции, а томе с расширенными функциональны-; ми возможностями за счет способности выполнения ими функции запоминания информационного сигнала.
Перечисленные новые научные результаты составляют содержание основных положений, выносимых на защиту.
Практическая ценность роботы состоит:
а) в разработке оригинальных физических и математических моделей механизма распространения волны возбуждения в КУСС;
б) в разработке оригинальной методики реиения-линейного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка с неоднородными граничными условиями при проведении математического моделирования КУСС с объемной связью;
в) в (Эазоаботке математической модели режима йотовозбужде-иия полупроводниковых эпоментоз под действием светового импульса с энслоненциально изменяющимся передним фронтом при проведении математического моделирования КУСС с оптоэлектронней емзыо;
г) а разроботке алгоритмов росчето на ЭВМ оптимальных режимов роботы исследуемых -НУСС; '
д) в розроботне оригинальных дискретных КЗ - пленарных си-мисторов, $отосимисторов и оптопор на их основе, обеспечивающих элективное управление малоформатными ЭЛй;
е) в подтверждении зй^ективности роботы КУСС в ШИП повышенной, точности измерения при управлении многозлементными индикото-рами;
н) в разработк-е новых вариантов.КУСС с улучшенными эксплуатационными характеристиками и расширенными функциональными возможностями. •
Реализация результатов роботы. Робота выполнена в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных НИР .по-разработке устройств отображения информации. Внедрение результатов работы осуществлено на Ульяновском родиоламповои заводе.
1993), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского политехнического института в 1950-1593 годах.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 научных' статьях, опубликованных в центральной печати, в 7 тезисах докладов международных, всесоюзных, республиканских научно-технических конференций и конференций СНГ, в 8 отчетах о НИР. Оригинальность разработок подтверкдена 1 патентом Российской Федерации и 2 реиениями о выдаче патента.
Структура к объем работы. Диссертация -состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 170 страниц текста, 4 7 страниц иллюстраций и таблиц, списка литературы из 163* наименований но .17 страницах й приложений на 52 страницах.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ: РАБОТЫ
Во вве^нии дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, с^орм'/лированы ее цель и задачи, указаны методы ис- . следования, отмечены новые научные результаты, полученные в работе, и основные полояения, выносимые на гэциту, раскрыта практическая ценность работы, указаны формы апробации и структура диссертации. - —
Глава первая "Анализ электронных коммутирующих устройств для средств отображения иЯ§ормоцтГ носит обзорно-аналитический характер. В ней предварительно лрозедено сравнение характеристик известных индикаторных элемент (ИЗ) иск по злектрооптическим параметрам, ток и з сочетании с оценкой зООек'^зности их устройств управления (коь«уташ<й).'-''В результате анализа используемых в • СОИ ИЗ зуязлено, что наилучшей созокупностьэ светотехнических,
эргономических и эксплуатационных характеристик обладают ЭЛИ. Вместе с тем, их широкое внедрение сдернивйется отсутствием про( тих и элективных схем управления, в создании которых основную трудность представляет экономичная реализация схемы высоковольтного КУ знакопеременного напряиения.
Анолиз известных дискретных КЗ позволил установить, что нш большую эффектность при управлении ЗЯИ могли бы иметь КЗ с ОД' такие, как сииисторы г оптопары на их основе. Однако в известны литературных источниках отсутствуют какие-либо сведения о мало мощных симисторах, совместимых по параметрам с условиями работ ЭЛИ.
Для управления ЭЛИ большой информационной емкости ноисолее перспективны, исходя из критериев эффективной коммутации при но ■иноныиих аппаратурных и стоимостных затратах, а тонне числа свя зей с другими устройства«» управления, КУСС на основе элементе с ОДС, такие, как нейристоры и сдвиговые регистры. Однако, кап показал анализ, известные КУСС применительно к сопряиению с мне ' гоэлементныви ЗЛИ характеризуются относительной сложностью и п< вьшенньш энергопотреблением, а такие ограниченными функциональш ми возыонностяш;.
Из известных КУСС наиболее эффективными и приемлемыми дл практической реализации являются нейристоры и сдвиговые регист на основе тиристорких струнтур, выполненные но базе дискретны элементов с оптоэлектронной связью и полураспределенных интегральных структур с объемной'связьо иевду элементами с ОДС. Су цествувдие подходи к"исследованио данных механизмов связи и п строению их тематических моделей базируются но использовании различных упрощений в приближений,'«« позволявших'в полной ие
отразить физическую сущность протекающих процессов, и не учитывают 'особенностей всех возможных рзвимов работы КУСС.
На основе результатов анализа били сформулированы основные задачи исследований.
Глава вторая "Моделирование механизма распространения волны возбуждения в полупроводниковых' коммутирующих устройствах с самосканированием на базе элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением" посвяцено теоретическому исследований) механизма распространения волны возбуждения в КУСС и расчету на этой основе с помоиью ЭВМ" их оптимальных реяичоз работы.
На первом этапе было проведено обоснование алгоритма решения задачи и разработаны физические модели распространения волны возбуждения в цепочках связанных последовательно по возбуждению элементов с ОДС с объемной и оптоэлентронной связями в НУСС, базирующиеся на феноменологической теории полупроводников, а ходе построения которых рассмотрены физические процессы д полупроводниковой структуре и определен уровень их описания, то есть их приближение. Основываясь на реальных геометрических размерах струнтур, было использовано ди$$узмонна
дрейфовое приближение. В результате моделирования были сфорцулирозаны особенности пространственно-временного распределения подеияных-носителей заряда и электрического поля з полупроводниковой структуре.
3 качестве осноэных параметров, хсронтеризукчих данные модели, 'использованы времена задержки включения и\выключения связон-ньх последовательно по возбуждению соседних элементов с ОДС. При этом■ процесс., формирования 'времен задержки представлен в виде нескольких модельных.обяас;е8,' характеризующихся.'специфичностью физических процессов образования соответствующих составляющих зре-
иен эадервки. Использование в-каждой модельной области ди^узи-онно-дрейфового механизма распространения неравновесных носителей заряда (при обьеиной связи).и принципа двойного преобразования энергии "электрический сигнал - световой сигнал - электрический сигнал" (при оптоэлектронной связи) позволило формализовать задачу о распространении волны .возбуждения в виде математических моделей.
На втором этапе были разработаны математические модели работы нейристоров и сдвиговых регистров с обьеиной и оптоэлектрог-ной связями при постоянном (для нейристоров) и импульсном (для'* нейристоров и сдвиговых регистров) напряжении питания. При этом впервые проведен анализ однотактного импульсного рекима работы нейристоров с обьеиной и оптоэлектронной связями, а также трехтактного импульсного режима работы сдвигового регистра с оптоэлектронной связью, позволяющий значительно расширить нлосс моделируемых КУСС.
Математические модели КУСС основаны на решениях фундаментальных уравнений переноса норителей заряда в полупроводнике. В частности, учитывая ди$$узионно-дрей