Лекция 2. Полупроводниковые технологии

Конспект лекцій

 

з дисципліни «Інноваційні технології в машинобудуванні»

(назва)

для студентів IV курсу

для спеціальності: 6 .05050201 «ТехнологіЇ машинобудування»

(шифр) (назва)

галузі знань: 0505«Машинобудування та матеріалообробка»

шифр назва

факультету «Машинобудування»

(назва)

 

 

Херсон – 2013 р.

 

 

Конспект лекцій з дисципліни «Інноваційні технології в машинобудуванні», для спеціальності 6.05050201 - «ТехнологіЇ машинобудування», галузі знань: 0505 - «Машинобудування та матеріалообробка».

 

 

Укладач: старший викладач кафедри «Технологія машинобудування» Сімінченко Ігор Павлович,

кількість сторінок - 130.

 

 

	на засіданні кафедри «Технологія машинобудування»   протокол № від   Зав. кафедри

 

 

 

 

Відповідальний за випуск: Сімінченко Ігор Павлович

 

Оглавление

ЛЕКЦИЯ 1. ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОТРАСЛИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ.. 6

Отрасли высоких технологий. 11

ЛЕКЦИЯ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.. 13

Микроэлектроника. 13

Краткая история развития микроэлектроники. 14

Наноэлектроника. 15

Основные задачи наноэлектроники. 15

ЛЕКЦИЯ 3. КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.. 16

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.. 16

Применения квантовой электроники. 17

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА.. 19

Особенности. 24

Применение светодиодов. 24

Органические светодиоды — OLED.. 25

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА.. 33

ЛЕКЦИЯ 4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.. 34

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА.. 34

Перспективы развития компьютерной техники. 37

Информация, данные, знание и развитие экономики. 38

Об облачных вычислениях. 41

Что такое облачные вычисления?. 41

Сложные бизнес-процессы.. 42

Преимущества облаков. 42

Типы облаков. 43

«Вычислительные облака» против производителей компьютеров. 43

ЛЕКЦИЯ 5. НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИТ. 46

Мобильность. 46

Интернет. 47

Телекоммуникации. 47

Мультимедиа. 48

Энергоэффективность. 49

Доступность ИТ. 49

Ликвидация компьютерной безграмотности. 50

Цифровые технологии в здравоохранении. 51

На пути к пета-системам. 51

ЛЕКЦИЯ 6. ИНТЕРНЕТ КАК СРЕДСТВО МАССОВОЙ КОММУНИКАЦИИ И ОСНОВА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННОСТИ.. 56

Службы (сервисы) Интернета. 56

ЛЕКЦИЯ 7. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.. 60

ЛЕКЦИЯ 8. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР. 73

ЛЕКЦИЯ 9. 77

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ИЗДЕЛИЯ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА (CALS – ТЕХНОЛОГИИ) 77

CALS-технологии. 77

Маркетинговые исследования. 82

Проектирование. 82

Подготовка производства. 83

Производство. 86

Эксплуатация, обслуживание, утилизация. 88

Примеры PDM.. 90

Список сокращений. 91

ЛЕКЦИЯ 10. 93

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЙ. 93

Этапы жизненного цикла. 93

Автоматизированные системы управления ЖЦИ.. 93

Функции ERP-систем. 97

Особенности внедрения. 98

Достоинства. 98

Недостатки. 99

15.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве. 101

15.2. Технологии беспроводной связи. 107

15.3. CAN-технологии. 109

15.4. STEP-технология. 110

ЛЕКЦИЯ 11. 115

Обзор технологий быстрого прототипирования. 115

Быстрое прототипирование в изготовлении физических объектов. 115

Преимущества технологий БП.. 116

Недостатки технологий БП.. 116

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ.. 116

Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus) 118

Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов) 119

Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити) 120

Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling) 120

Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives) 121

Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов). 122

SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску. 122

ЛЕКЦИЯ 12. НАНОТЕХНОЛОГИИ.. 123

Что такое нанотехнология?. 124

Что сулит нам развитие нанотехнологии?. 128

Сверхмощные и сверхминиатюрные компьютеры.. 128

Сверхчувствительные и высокостабш1ьные биодатчики. 129

Высокоэффективные топливные элементы.. 129

Литература: 130

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 1. ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОТРАСЛИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Длительное время основой мировой экономики являлись обрабатывающая промышленность и производство товаров. Существенное повышение цен на энергоносители и реальных процентных ставок привело к экономическому спаду и изменению стратегии развития хозяйственного комплекса. Приоритетными становятся отрасли, связанные с высокими технологиями (ВТ), внедрение которых позволило ряду государств резко увеличить социально-экономический потенциал и перейти из разряда стран третьего мира в высокоразвитые. Анализ сектора ВТ показал, что он является инновационным и обладает значительным уровнем конкурентоспособности.

Технология (от греч. téchne — искусство, мастерство, умение и греч. logos — изучение) — комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами

При этом:

— под термином изделие следует понимать любой материальный, интеллектуальный, моральный, политический и т. п. предмет труда (конечный продукт);

— под термином номинальное качество следует понимать заранее заданное качество (например, оговоренное техническим заданием и согласованное техническим предложением);

— под термином оптимальные затраты следует понимать минимально возможные затраты не влекущие за собой ухудшение условий труда, санитарных и экологических норм, норм технической и пожарной безопасности, сверхнормативный износ орудий труда, а также финансовых, экономических, политических и пр. рисков.

В промышленности и сельском хозяйстве подробное описание технологии выполняется в документах, именуемых карта технологического процесса (при подробном описании) или маршрутная карта (при кратком описании). В сценическом искусстве технология исполнения спектаклей, пьес, съёмки кинофильмов, … описывается сценарием. Применительно к политэкономии и экономике при изменении общественного мнения (в ч. л. пользу) применяется термин Пи-Ар (от Англ. PR — Public Relations — связь с широкой общественностью), зачастую неправильно воспринимаеый общественностью как рекламная акция. Применительно к политике с 70-х годов прошлого столетия установился термин дорожная карта (дословный перевод англоязычного термина Road map). Технологиями морального плана называются законы предков (чего делать нельзя или если делать, то что и как), правила поведения человека в обществе, кодекс чести, конституция (в цивилизованном обществе),понятия (в уголовном мире) и т. п.

В разговорной речи термин технология часто заменяют англоязычным словосочетанием Know How — знайте как.

Краткая историческая справка

Первые упоминания о колесе встречаются в Месопотамии в 4-м тысячелетии до н. э.

В конце 18 в. в общем массиве знаний о технике стали различать традиционный описательный раздел и новый, нарождающийся, который получил название «технология». Иоганн Беккман (1739—1811) ввел в научное употребление термин «технология», которым он назвал научную дисциплину, читавшуюся им в германском университете в Геттинге с 1772 г. В 1777 г. он опубликовал работу «Введение в технологию», где писал: «Обзор изобретений, их развития и успехов в искусствах и ремёслах может называться историей технических искусств; технология, которая объясняет в целом, методически и определенно все виды труда с их последствиями и причинами, являет собой гораздо большее». Позже в пятитомном труде «Очерки по истории изобретений» (1780—1805 гг.) он развил это понятие. [Salomon J. What is Technology? The Issue of its origins and definitions // Historiy of technology. 1984/ Vol. 1. 113—156].

Технология — в широком смысле — объём знаний, которые можно использовать для производства товаров и услуг из экономических ресурсов. Технология — в узком смысле — способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления. Технология включает в себе методы, приемы, режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инструментами, используемыми материалами.

Современные технологии основаны на достижениях научно-технического прогресса и ориентированы на производство продукта: материальная технология создаёт материальный продукт, информационная технология (ИТ) — информационный продукт. Технология это также научная дисциплина, разрабатывающая и совершенствующая способы и инструменты производства. В быту технологией принято называть описание производственных процессов, инструкции по их выполнению, технологические требования и пр. Технологией или технологическим процессом часто называют также сами операции добычи, транспортировки и переработки, которые являются основой производственного процесса. Технический контроль на производстве тоже является частью технологии.

Разработкой технологий занимаются технологи, инженеры, конструкторы, программисты и другие специалисты в соответствующих областях.

Технология по методологии ООН:

· либо технология в чистом виде, охватывающая методы и технику производства товаров и услуг (dissembled technology);

· либо воплощенная технология, охватывающая машины, оборудование сооружения, целые производственные системы и продукцию с высокими технико-экономическими параметрами (embodied technology).

История развития технологий

Если обратиться к самому определению термина технология, к его изначальному значению (техно — мастерство, искусство; логос — наука), то мы придём к выводу, что цель технологии заключается в том, чтобы разложить на составляющие элементы процесс достижения какого-либо результата. Технология применима повсюду, где имеется достижение, стремление к результату, но осознанное использование технологического подхода было подлинной революцией. До появления технологии господствовало искусство — человек делал что-то, но это что-то получалось только у него, это как дар — дано или не дано. С помощью же технологии все то, что доступно только избранным, одаренным (искусство), становится доступно всем. Например, изготовление каменного топора можно представить как акт искусства, а можно — как технологию. В первом случае мы имеем (возможно) бесподобный топор, но со смертью носителя искусства делания топоров, означенных инструментов больше не будет. Во втором случае мастерство сохранится навсегда, но качество продукта (возможно) будет не таким высоким.

Момент перехода от искусства к технологии фактически создал современную человеческую цивилизацию, сделал возможным её дальнейшее развитие и совершенствование.

По большому счету, технология присутствует во всем живом, поскольку всё живое, так или иначе, производит переработкупродуктов питания в продукты жизнедеятельности (отходы).

Однако началом технологии человека стоит считать первый опыт улучшения свойств первых инструментов, будь то палка-копалка или кремневый нож.

Касаясь технологии как процесса — одной из первых (но до сих пор значимой!) технологией является процесс добычи первобытным человеком огня посредством трения.

Со временем технологии претерпели значительные изменения, и если когда-то технология подразумевала под собой простой навык, то в настоящее время технология — это сложный комплекс знаний ноу-хау, полученных порою с помощью дорогостоящих исследований.

 

О происхождении технологий

В конце XX века наши знания о том, как возникли древнейшие каменные орудия, претерпели изменения. Процесс появления орудий раньше был определен как процесс постепенный. Возникновение нового представлялось как процесс эволюционный, когда новое появлялось по частям, а не сразу: сначала появлялось примитивное, которое позднее приобретало современный облик. Просматривалась картина усовершенствования, исходя из предыдущего этапа (постепенное приострение краев камня).

Теперь для такой картины возникновения орудий нет оснований. Теперь есть иная картина, основанная на наблюдениях археологов. Суть картины заключается в том, что происходит изобретение техники раскалывания камня, а не предложенного ранее изобретения орудия.

Время великих открытий в Африке — примерно 60-70-е годы прошлого века. Изучение набора форм каменных изделий со стоянок олдувайской эпохи показало, что ядрища и скалываемые с них заготовки существуют с самого начала древнекаменного века. Также на олдувайских стоянках присутствуют некоторые формы каменных орудий, приготовляемых на основании заготовок. Это означает, что первый человек изобрел одновремнно и ядрища, и заготовки, и орудия.

Именно это знание и должен был передавать один человек другому. Это знание слагалось из отдельных операций. Сумма и нужная последовательность операций и есть то, что мы сейчас называем технологией.

Схема работает только тогда, когда все операции расставлены в нужном порядке. Выпадение любой операции делает схему бессмысленной.

Однажды эта последовательность была изобретена самым первобытным человеком. Есть две возможности появления нового: сразу и постепенно.

В первую возможность не верит никто, а во вторую верят сразу все.

Примеры из животной показывают способность следовать некой программе. Но сначала эту программу нужно изобрести, потом передавать ее, придав ей форму. Очень маловероятно, чтобы можно было передать фигуру ядрища без минимального словесного аппарата.

Раньше археологи полагали, что развитие орудийного набора шло от одного универсального орудия к множеству орудий. Теперь выясняется, что стадии универсального орудия не было! Мгновенно возникшая совокупность каменных орудий разной формы потребовало закрепления. Это закрепление должно было происходить как в поведении человека, так и в его сознании. Закрепление в сознании могло происходить успешнее всего в словесной форме. Если это предположение справедливо, то древнейшее преподавание связано с началом производства каменных орудий. Это было основание для передачи информации от поколения к поколению.

(по материалам работы Григорьева Г. П. «О первоначальном обучении»)

Высо́кие техноло́гии (англ. high technology, high tech, hi-tech) — наиболее новые и прогрессивные технологии современности. Переход к использованию высоких технологий и соответствующей им техники является важнейшим звеном научно-технической революции (НТР) на современном этапе. К высоким технологиям обычно относят самые наукоёмкие отрасли промышленности.

Высокая технология - совокупность информации, знаний, опыта, материальных средств при разработке, создании и производстве новой продукции и процессов в любой отрасли экономики, имеющих характеристики высшего мирового уровня.

Биотехнология - в широком смысле - пограничная между биологией и техникой научная дисциплина и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями.

Биотехнология - в узком смысле - совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью биологических агентов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

 

Информационная технология - совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации. Информационные технологии предназначены для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов.

Информационные технологии (ИТ, англ. information technology, IT) — широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям управления, накопления, обработки и передачи информации.

Информационная технология — процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, накопления, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). Этот процесс состоит из четко регламентированной последовательности выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над данными, хранящимися на компьютерах. Основная цель информационной технологии — в результате целенаправленных действий по переработке первичной информации получить необходимую для пользователя информацию.

Компонентами технологий для производства продуктов являются аппаратное (технические средства), программное (инструментальные средства), математическое и информационное обеспечение этого процесса.

В основном под информационными технологиями подразумевают компьютерные технологии. В частности, ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. По этой причине, специалистов по компьютерам часто называют ИТ-специалистами.

 

Инновационные технологии — наборы методов и средств, поддерживающих этапы реализации нововведения. Различают виды инновационных технологий:

§ внедрение;

§ тренинг (подготовка кадров и инкубация малых предприятий);

§ консалтинг;

§ трансферт;

§ аудит;

§ инжиниринг.

 

Отрасли высоких технологий

 

· Полупроводниковые технологии:,

o микро- и наноэлектроника,

o квантовая и оптическая электроника,

o радиоэлектроника.

· Информационные технологии и телекоммуникации:

o вычислительная техника,

o системы хранения данных,

o программирование,

o Искусственный интеллект,

o интернет-технологии,

o беспроводные технологии.

· Робототехника и электромеханика:

o микро- и нано- электромеханические системы (MEMS/NEMS).

· Нанотехнологии и новые материалы:

o технологии нанообъектов,

o технологии наноструктур,

o технологии неразмерных нанопараметров.

· «Чистые» технологии (Cleantech) и альтернативная энергетика:,

o рециклинг,

o атомная энергетика,

o солнечная энергетика,

o водородная энергетика,

o технологии энергосбережения.

· Системы безопасности, контроля и автоматизации:

o биометрика,

o системы контроля и управления доступом,

o датчики и аналитическое оборудование,

o навигационные технологии.

o технологии разведки (жучки)

· Оборонные технологии и технологии двойного назначения:

o самолётостроение,

o ракетостроение,

o космическая техника.

· Живые системы и биотехнологии:

o генная инженерия и генотерапия,

o биохимия и биофизика,

o микробиологическая промышленность.

 

 

Микроэлектроника

Развитие современных средств вычислительной техники, ро­бототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создавае­мых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС).

Под электроникой понимают область науки, техники и произ­водства, связанную с исследованием, разработкой и производ­ством электронных приборов и принципов их использования. По­скольку «микро» (от гр. micros — малый) в сложных словах озна­чает отношение к малым предметам, то термин «микроэлектро­ника» этимологически можно рассматривать как электронику ма­лых размеров. В действительности смысл термина гораздо глубже. Микроэлектроника — это раздел электроники, занимающийся разработкой, производством и исследованием интегральных мик­росхем и принципов их применения.

Интегральная схема (ИС) представляет собой совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (диодов, тран­зисторов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологи­ческом цикле на общей несущей конструкции (подложке) и вы­полняющей определенную функцию. Существуют, например, микросхемы-стабилизаторы напряжения, способные с высокой точностью поддерживать постоянное напряжение на нагрузке не­зависимо от потребляемого ею тока. Промышленность выпускает широкий ассортимент микросхем-усилителей, предназначенных для усиления мощности электрических сигналов в определенном диапазоне частот. Для нужд вычислительной техники производит­ся огромное число цифровых микросхем самого разного назначе­ния.

Компоненты, входящие в состав ИС, как правило, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий и по­этому называются интегральными элементами. Термин «интеграль­ный» отражает факт объединения компонентов в конструктивно единый узел, а также указывает на усложнение выполняемых этим узлом функций (по сравнению с функциями отдельных компо­нентов). Следует понимать, что интегральные микросхемы пред­ставляют собой не просто механическое объединение в одном корпусе определенного числа миниатюрных деталей, а являются качественно новым видом электронных приборов.

Зарождение и дальнейшее триумфальное развитие микроэлек­троники было бы невозможно без гигантского прогресса в обла­сти технологии. Непосвященному трудно даже представить, как, например, удается разместить в корпусе современного микропро­цессора Pentium 4 структуру, состоящую из 42 млн. транзисторов.

 

Наноэлектроника

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Квантовая электроника – область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения на основе явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах.

Мазеры. Датой рождения квантовой электроники можно считать 1954, когда Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в СССР и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и Ч. Таунс(C.H. Townes) в США создали первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты , что позволяет создавать сверхточные часы.

Лазеры. Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым метод трех уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957-58 Г.Э.Д. Сковилом (H.E.D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на рубине), работавшие в радиодиапазоне.

Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея А.М. Прохорова об использовании открытых резонаторов (системы параллельных зеркал, как в резонаторе Фабри-Перо), крайне удобных для осуществления накачки. Первый лазер на кристалле рубина, дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан Т. Мейманом (Th. Maiman) в 1960. Оптическая накачка в нем реализуется при помощи импульсных газоразрядных ламп. Рубиновый лазер был первым твердотельнымОКГ, среди которых выделяются также лазеры на неодимовом стекле и на кристаллах граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм). Твердотельные лазеры позволили получить генерацию мощных коротких ( с) и сверхкоротких ( с) импульсов света в схемах модуляции добротности и синхронизации мод резонатора.

Вскоре А. Джаван (A. Javan) создал первый газовый лазер на смеси атомов гелия и неона (длина волны 0,6328). Накачка в нем осуществляется электронным ударом в газовом разряде и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае - гелия) основному (неону).

В 1958 Н.Г.Басов, Б.М.Вул и Ю.М.Попов заложили основы теории полупроводниковых лазеров, а уже в 1962 был создан первый инжекционный лазер [Р. Холл (R.N. Hall), У. Думке (W.L. Dumke) и др.]

Интерес к ним обусловлен простотой в изготовлении, высоким КПД и возможностью плавной перестройки частоты в широком диапазоне (длина волны излучения определяется шириной запрещенной зоны). Существенным результатом является также создание в 1968 лазеров на полупроводниковых гетероструктурах.

В конце 1960-х были разработаны и созданы лазеры на молекулах органических красителей, обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов (призмы, дифракционная решетка). Набор из нескольких красителей позволяет охватить весь оптический диапазон.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника -раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Примеры:

1. Бинокль с цифровой фотокамерой.

2. Цифровые фото и видеокамеры.

 

Оптическая электроника (или оптоэлектроника) — самая молодая и, воз­можно, самая перспективная область современной полупроводниковой элект­роники, любимица физиков, разработчиков сверхбыстродействующих ЭВМ и систем сверхдальней связи. Ею занимаются самые передовые лаборатории мира, оснащенные наисовременнейшим оборудованием.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА - область физики и техники, использующая эффекты взаимного преобразования элек-трич. и оптич. сигналов. Хотя эффекты преобразования световой энергии в электрическую (детектирование света с помощью фотоприёмников) и обратное преобразование (электролюминесцентные источники) были известны давно, термин "О." возник лишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит. технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналов при отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин "О." вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы - оптроны,в к-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепями используется пара "источник света (светодиод) - приёмник этого излучения".
Применение оптич. сигналов в принципе позволяет увеличить скорость передачи и обработки информации благодаря более высокой несущей частоте и возможности параллельного функционирования мн. каналов. Однако в наиб. степени пока используются такие свойства оптич. сигналов, как высокая помехозащищённость, обеспечение надёжных гальванических развязок между электронными цепями, слабое затухание в волоконных световодах и возможность острой фокусировки.
Поскольку оптоэлектронные приборы предназначены прежде всего для вычислит. техники и информац. систем, они должны обладать компактностью, малым потреблением энергии и высоким кпд.
Осн. элементами О. являются источники излучения (когерентные и некогерентные), фотоприёмники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, а также пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамич. отображения и обработки информации.
Источники излучения. К некогерентным источникам излучения относят источники спонтанного излучения. Это - светодиоды (СД), из к-рых наиб. распространёнными являются СД на основе гетероструктур системы AlGaAs. Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляции он уменьшается), их быстродействие достигает 0,1 нс. В отличие от когерентных источников СД обладают большой угл. апертурой и спектральной шириной излучения. Изготовляются матрицы СД.
Когерентными источниками излучения в О. служат гл. обр. инжекционные лазеры. Применяются гетероструктуры, из к-рых также наиб. распространёнными являются системы AlGaAs. Вследствие лазерного эффекта ширина линии ~ 0,1 нм, расходимость луча не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняется в зависимости от состава твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен (на 1990) диапазон длин волн от
0,78 мкм до 1,55 мкм, хотя существуют более длинноволновые и коротковолновые лазеры. Частота модуляции излучения инжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В монолитном (интегральном) виде изготовляются строчки (до 100 элементов на см^-1) и матрицы инжекц. лазеров.
Приёмники излучения. В качестве них используются фотодиоды (ФД), гл. обр. pin -диоды и фотодиоды Шоттки. В pin -диодах быстродействие 1 нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs ( 0,8 мкм), InGaAs ( = 1,3 - 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также 1 нc; квантовая эффективность до 40%, материалы: п - GaAs, GaAs - AlGaAs, InGaAs ( = 0,82 - 1,6 мкм).
Там, где требуется высокая чувствительность, применяются фототранзисторы и лавинные ФД. Они обладают внутр. усилением до 100 и более; материалы: Ge, InGaAs, InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмников используются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами, быстродействие 80 - 200 пс, материалы: InGaAs ( = 1,3 - 1,5 мкм), р - GaAs ( 0,85 мкм) и др.
Особое значение для О. приобретают строчки и матрицы фотоприёмников, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках (см. Прибор с зарядовой связью).Эти приёмники позволяют принимать, хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании оптич. сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации изображений и их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они не уступают обычным фотоприёмникам. Осн. материал - Si.
Модуляторы. Как правило, в СД и инжекц. лазерах осуществляется внутр. модуляция путём изменения питающего тока. Для внеш. модуляции используется в осн. эл--оптич. эффект в LiNbО₃. Однако полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ. Разрабатываются др. материалы - с меньшим полуволновым напряжением и технологически интегрально совместимые с излучателями системы AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах.
Увеличение числа каналов связи в волоконных СД достигается также путём передачи информации по одному каналу на разных длинах волн, т. е. от разл. источников с соответствующим разделением на приёмных концах. С этой целью применяются мультиплексоры и демультиплексоры, к-рые обычно изготовляются в интегральном виде путём соединения или ветвления оптич. волноводов. Селекторами длин волн являются дифракц. решётки, вводящими и выводящими элементами - призмы. Материалом служит, как правило, LiNbО₃ с вводимыми в него легирующими добавками для создания волноводов; большие надежды связываются с твёрдыми растворами соединений A^III B^v и A^IIB^VI.
Дефлекторы лазерного излучения - необходимые элементы в системах оптич. записи и считывания информации. Они могут быть применены также как модуляторы излучения. Используется либо эл--оптич. эффект в двулучепреломляющих кристаллах либо дифракция на акустич. волнах. Дефлекторы на основе эл--оптич. эффекта более быстродействующие, чем эл--акустические, но обладают меньшей эффективностью.
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) - матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием ПВМС может осуществляться электрич. или магн. полями (эл--оптически или магн--оптически управляемые транспаранты соответственно) или слабыми световыми сигналами (оптически управляемые транспаранты). Наиб. распространение получили ПВМС на жидких кристаллах. Они обладают наим. полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействие не превышает десятков мкс. Применение спец. керамик для ПВМС обеспечивает быстродействие до 10^-7 с, но полуволповое напряжение значительно выше (~100 В).
Для передачи оптич. сигналов в О. возможно использование как свободного пространства, так и волоконных световодов, обеспечивающих исключительно высокую домехозащитность при потерях менее 1 дБ/км.
Увеличение кол-ва и ассортимента выпуска элементов О. происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост ок. 20%, что связано с большим коммерч. выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронных элементах. Наиб. распространение получили лазерные звукопроигрыватели, в к-рых информация записана в цифровом представлении на жёстких или гибких дисках (компакт-диски) и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. Выпускаются (в Японии) видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу.
Большое значение приобретают оптоэлектронные элементы для волоконно-оптич. линий связи, к-рые должны заменить совр. кабельные линии связи на длинные и короткие дистанции, решить проблемы кабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько свето-волоконных кабелей соединили Америку с Европой, прокладываются кабели через Тихий океан. Источниками световых сигналов в этих линиях являются инжекц. лазеры, приёмники - быстродействующие лавинные ФД; через неск. десятков км располагаются ретрансляц. узлы (лазер - фотоприёмник), компенсирующие ослабление и дисперсию световых сигналов.
О. позволяет создать перестраиваемые процессоры,управляемые ПВМС и матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС и СБИС (см. Интегральная схема),допускающих интеграцию в третьем (вертикальном) измерении. С О. связывают надежды на возможность дальнейшего совершенствования вычислит. техники: передача информации будет осуществляться оптич. сигналами, что позволит вести обработку одновременно по мн. параллельным каналам, близко расположенным друг к другу, но обладающим высокой помехозащитностью. Проводятся интенсивные исследования по созданию новых оптоэлектронных элементов, к-рые имели бы два устойчивых состояния с разл. оптич. свойствами (оптич. бистабильные элементы) и выполняли бы в оптике роль, аналогичную роли транзисторов в электронике. Создание таких элементов позволит начать конструирование оптических (или оптоэлектронных) вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящих по производительности ЭВМ и способных выполнять 10¹² операций в с и более.

Приборы оптоэлектроники:

1. Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin, лавинный), фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью(ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

2. Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания,электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотел