Optoelektronika

Optoelektronika — elektronika sahəsi. Müasir elektronikanın ən vədedici sahələrindən biridir. İnformasiyanın işlənməsi, saxlanması və ötürülməsi sistemlərində işıq siqnallarının elektrik siqnallarına və əksinə çevrilməsi üsullarının tətbiqini əhatə edir. Optoelektronika radioelektronika və hesablama texnikasının inkişaf mərhələsi kimi meydana çıxmışdır. Optik rəqslərin yüksək tezliyi (10¹⁴—10¹⁵ hs) cəld işləmənin və ötürülən informasiyanın böyük həcmli olmasının əsasını təşkil edir. Optik tezliyə uyğun olan kiçik dalğa uzunluğu (10⁻⁴—10⁻⁵ sm-ə qədər) qəbuledici və verici qurğuların, rabitə xətlərinin ölçülərinin kiçildilməsi (mikrominiatürləşmə) üçün zəmindir. Optoelektronikanın əsas elementləri işıq mənbəyi (lazer, işıq diodu), optik mühit (aktiv və passiv) və fotoqəbuledicilərdir. Optoelektronikanın iki inkişaf yolu mövcuddur: əsasını koherent lazer şüası təşkil edən optik (koherent) optoelektronika; optik siqnalların fotoelektrik çevrilməsinə əsaslanan elektrooitik optoelektronika (oitronika). Oitronikada elektrik rabitələri optik rabitələrlə əvəz olunmuşdur. Radioelektronikada analoqları olmayan hesablama texnikasının böyük sistemlərinin, optik rabitələrin, informasiyanın yaddaşda saxlanmasının və emalının yeni prinsipləri və qurulma metodları koherent Optoelektronika ilə əlaqədardır. Funksional koherent optoelektronika və ya inteqral optika inteqral mikroelektronikanın optik analoqudur.

Bir çox hallarda optoelektronikanın yaranması tarixini 1800‐cü ildən – Qerşelin infraqırmızı şüaları kəşf etməsindən hesablayırlar. Əgər məsələyə belə yanaşsaq, yəni optoelektronikanı işıq şüalarının kəşfi ilə bağlasaq, onda daha da qədimə getmək mümkündür. Məsələ burasındadır ki, Bibliyada göstərilir ki, Allah Adam və Həvvanı Dünyanı yaratdıqdan 6 gün sonra yaratdığı halda, işığı elə birinci gün yaradıb. O, işığı görəndə sevinclə işıq çox gözəldir deyib və onu zülmətdən ayırıb. Əslində isə, bərk cisim optoelektronikası işığın fotoelektrik qəbuledicilərinin kəşfi ilə başlayıb. Düzdür, Qersel öz tədqiqatlarında şüa qeyd edicilərindən istifadə edib, lakin bu qeydedicilər optik siqnalı elektrik siqnalına çevirən fotoelektrik cihazları deyil, termocütlər olub. Optoelektronikanın yaranmasının bir‐birindən yarım əsr fərqlənən iki tarixi var. Biri, 1821‐ci ildə Zeyebekin termoelektrik hadisəsini müşahidə etməsi, daha doğrusu istilik qəbuledicisinin (termocütün) hazırlaması ilə bağlıdır. Lakin, həmin qəbuledicilərin həssaslığı çox kiçik idi. Bu qüsuru aradan qaldırmaq üçün əvvəlcə Nobili tərəfindən bir neçə termocütü ardıcıl birləşdirmək və 1830‐cu ildə isə daha effektiv materiallardan (vismut sürmədən) istifadə etmək təklifi olunur. 1834‐cü ildə Melloni belə termocütlərdən istilik şüalanmasını qeyd etmək üçün istifadə etmişdir. Digər istilik qəbuledicisi – bolometr isə 1857‐ci ildə Şvanberq tərəfindən hazırlanıb və bir qəbuledici kimi ilk dəfə Lanqel tərəfindən 1881‐ci ildə tətbiq edilib. Görünür məhz buna görə də, əksər hallarda bolometrin yaranmasını sonuncunun adı ilə bağlayırlar. Daha 15 ildən sonra isə Markoni və Popov elektromaqnit şüalanmasının məsafədən qəbulu üçün belə qeydedicilərdən istifadə etdilər. Lakin bu halda şüalanma optik deyil, radiotezliklər diapazonuna təsadüf edirdi. Həmin vaxtlar bu qeydedicilər geniş tətbiq tapa bilmədi. Çünki hələ infraqırmızı texnikanın və optoelektronikanın dövrü gəlib çatmamışdı. Buna baxmayaraq yuxarıda adı gedən alimlərin optoelektronika sahəsindəki xidmətlərini qiymətləndirməmək olmaz.

1873‐cü ildə ingilis texniki Smit selen yarımkeçiricisinin elektrik xassələrini tədqiq edərkən ilk dəfə daxili fotoeffekt hadisəsini (fotokeçiriciliyi) kəşf etdi və bununla da, ilk kvant fotoqəbuledicisi yarandı. Qeyd etmək lazımdır ki, xarici fotoeffekt hadisəsi A.Q.Stoletov tərəfindən bundan 15 il sonra (1888‐ci ildə) kəşf edilmişdir. Məlumdur ki, hal‐hazırda optoelektronikada kvant fotoqəbulediciləri hegomonluq edir. Elə buna görə də bəzi müəlliflər Smiti optoelektronikanın (hər halda kvant optoelektronikasının) banisi adlandırırlar. Məhz bu deyilənlərə istinad edərək bərk cisim optoelektronikasının yaranmasının iki tarixi olduğunu deyirlər. Bunlardan birincisi 1821‐ci ildə istilik, ikincisi isə 1873‐cü ildə kvant şüalanma qəbuledicilərinin yaradılmasına aiddir. Optoelektronikanın bütövlükdə inkişafı tarixini isə iki mərhələyə bölmək olar. Birinci mərhələ – yuxarıda adı gedən kəşflərdən XIX əsrin başlanğıcından XX əsrin ortalarına qədərki dövrü əhatə edir. Bu mərhələdə hələ elm və texnika fotoqəbuledicilərdən geniş istifadə etməyə hazır deyildi. XIX əsrin fizikasında cisimlərin şüalanma qanunlarının tədqiqi ön sırada dayanırdı. Belə təcrübi tədqiqatlarda həm termocüt, həm də bolometr termometri uğurla əvəz etdi. Stefanın, Bolsmanın, Kirxhofun, Vinin, Releyin, Cinsin və bir çox başqa alimlərin işləri Plank tərəfindən 1900‐cu ildə közərən cismin şüalanma qanunlarının kəşf edilməsi ilə nəticələndi. Buna görə də demək mümkündür ki, termocüt və bolometr fizikadakı inqilabın baş verməsinin – kvant fizikasının doğulması prosesinin fəal iştirakçılarıdır. 1884‐cü ildə Nipkov mexaniki telegörünüş (televideniya) ideyasını irəli sürür və öz təcrübələrində fotoqəbuledici kimi məhz selen fotoelementlərindən istifadə edir. 1917‐ci ildə isə Keyz tellofid fotoqəbuledicilərini yaratmasıdır ki, bu cihazlar da 1935‐ci ildə alman ordusunda rabitə məqsədləri üçün istifadə olunmuşdur. Həmin illərin ən mühüm və əhəmiyyətli nailiyyətlərindən biri də qurğuşunsulfidin (PbS) tədqiqinə dair aparılan işlərdir. Boze 1904‐cü ildə ilk dəfə bu materialda (qalenitin təbii polikristallarında) daxili fotoeffekt hadisəsini müşahidə etmiş, 1933‐cü ildə isə Kutçer həmin materialın fotohəssaslığının infraqırmızı sərhədini (~3mkm) tapmışdır.

Elektronikanın digər sahələrində olduğu kimi, optoelektronikada da ideyalar əksər hallarda öz eksperimental tədqiq və praktiki tətbiq vaxtını xeyli qabaqlayır. Belə ki, optoelektronika sahəsində hələ XIX əsrdə bir sıra ideyalar meydana gəlsə də, diqqəti cəlb edən kəşflər edilsə də infraqırmızı texnikanın müxtəlif sahələrdə, o cümlədən hərbdə öz layiqli və dəyərli yerini tutması üçün əlli ilə qədər bir vaxt lazım gəldi. XX əsrin 20‐30‐cu illərində çoxlu sayda, həm də keyfiyyətcə bir‐birindən fərqlənən, lampalı sxemlər, o cümlədən mənfi əks rabitəli (Blev, 1927) və küyə qarşı korreksiya etmək xassəsinə malik (Braude, 1933) gücləndiricilər işlənib hazırlandı. Onların sxemotexniki prinsipləri hətta müasir fotoqəbuledici qurğularda tətbiq olunur. İllər ötdükcə, radiodalğalar radioverilişdə (1920), telefon siqnallarının ötürülməsində (1929), naviqasiya, rabitə, pelenqasiya, kontaktsız partlayışlar (keçən əsrin 30‐cu illəri) və s. yeni sahələrdə istifadə olundu. Göründüyü kimi, elektromaqnit şüalanmasından istifadə hesabına artıq texnikanın yeni istiqamətləri müəyyənləşirdi. Elektromaqnit dalğalarının uzunluğu müntəzəm olaraq 300‐500 m‐dən (1920) ifrat yüksək tezliklər (İYT) diapazonuna (3 sm) qədər kiçilir. Həmin illərin nailiyyətləri məntiqi olaraq göstərirdi ki, gələcək inkişaf millimetrlik, sonra isə optik diapazonu fəth etməklə bağlı olacaq və bu zaman fotoqəbuledicilər tələb ediləcək. Artıq 20‐ci illərdə elektron televiziyası Nipkovun mexaniki televiziyasını sıxışdırıb aradan çıxartdı. Sonuncunun yaradıcısı ABŞ‐da işləyən rus alimi V.K.Zvorikin olmuşdur. O, 1923‐cü ildə vakuum lampalı televiziya borusunu patentlədi, 1924‐cü ildə isə qəbuledici televiziya borusunu (kineskopu) ixtira etdi. 1934‐cü ildə V.Xolst EOÇ – infraqırmızı xəyali görüntüyə çevirən elektron‐optik çevirici yaratdı, V.K.Zvorikin isə onun təkmilləşdirilməsi sahəsində böyük işlər gördü.

Optoelektronikanın inkişafının ikinci mərhələsi isə ikinci texniki inqilabla – intellektual inqilabla üst‐üstə düşür. XIX əsrin 40‐cı illərində kibernetikanın, informatikanın əsası qoyulur, elektron kompüterləri (Viner, Neyman, Şennon və çoxsaylı digər tədqiqatçılar) yaradılır. Sözsüz ki, süni intellekt üçün süni boz material lazım idi. Bu zərurətdən də hökmən bərk cisim elektronikası yaranmalı idi. Bu mərhələdə Şokli, Bardin və Bratteyn tərəfindən ilk germanium bipolyar tranzistorunun yaradılması böyük bir hadisə oldu (1947‐1948). Bu iş 1956‐cı ildə Nobel mükafatına layiq görüldü. İki ildən sonra isə müasir inteqral sxemlərin tərkib hissəsi olan sahə tranzistoru ideyası reallaşdı. 1983‐cü ildə Bebiç bizim indi prosessor və yaddaş adlandırdığımız iki bloklu hesablayıcının ideyasını irəli sürdü. Qeyd etmək lazımdır ki, metal məftillə PbS – kristalının kontaktı əsasında ilk yarımkeçirici detektor isə (1884‐cü il F. Braun) vakuum diodundan (Fleminq diodu 1904‐cü il, Forest triodu 1906‐cı il) 20 il əvvəl meydana gəlmişdi. İlk monokristal yarımkeçirici cihazların hazırlandığı germanium yarımkeçiricisinin əsasında təkcə ilk tranzistor deyil, həm də ilk fotodiod yaradılmışdır. Bu halda pioner Şrayvi (1948), silisium fotodiodu halında isə – Kummerov (1954) sayılır. Lakin qeyd etmək lazımdır ki, hələ 1940‐cı ildə o, silisiumdan kəsilmiş çubuqda həmin vaxtlaradək müşahidə olunmamış (~ 0,5V) fotoelektrik hərəkət qüvvəsi yarandığını göstərmişdir. Yalnız çox illər keçəndən sonra bu hadisənin mexanizmi və onun müşahidə olunduğu nümunənin quruluşu aydınlaşdırılmışdır – göstərilmişdir ki, silisium külçəsinin göyərdilməsi prosesində onda keçiricilik tipinin konversiyası nəticəsində dartılmış p‐n keçid əmələ gəlir və foto e.h.q. işığın təsiri ilə həmin keçiddə yaranır. İkinci dünya müharibəsindən sonra da PbS‐ın tədqiqi davam etdirildi və artıq 1958‐ci ildə ABŞ‐da hava‐hava tipli raketlərdə PbS – fotorezistorları əsasında istilik başlığı və kontaktsız partladıcılar tətbiq olunmağa başlanmışdı. İndium‐sürmə əsasında hazırlanmış fotorezistorlar da təqribən belə bir inkişaf yolu keçmişdir. Optoelektronikanın inkişafı tarixindən danışarkən qadağan olunmuş zonanın eninin azalması sırası üzrə düzülmüş dörd müxtəlif A3B5 yarımkeçirici birləşməsini qeyd etməmək olmaz. Bunlar GaP, GaAs, İnAs və İnSb‐dur. GaP ultrabənövşəyi və yaxud görünən oblastda (0,3‐0,45 mkm) uğurla işləyir. GaAs isə kvant elektronikasında daha geniş tətbiq edilir. 1952‐ci ildə bu yarımkeçirici əsasında ilk injeksiya lazerləri yaradılmış, 0,9‐ 0,95 mkm diapazonunda işləyən şüalandırıcı cihazların kütləvi istehsalı isə 1960‐cı illərin sonu – 1970‐ci illərin əvvəllərinə təsadüf edir. 1960‐1970‐ci illərdə 2‐3 mkm diapazonda işləyən İnAs fotoqəbuledicilərinin hazırlanması üzərində intensiv işlər aparılmışdır. 1960‐cı illərin sonlarında – 1970‐cı illərin əvvəllərində CO2 əsasında yaradılmış 10,6 mkm dalğa uzunluqlu və 1‐2 kVt gücə malik qaz lazerləri meydana gəldi və bu gəliş optoelektronikada böyük inkişafa səbəb oldu. Tez bir zamanda həmin lazerlərin qısa impulslar şəklindəki şüalanmasını qeyd etmək üçün kadmium‐civə‐tellur (CdHgTe) bərk məhlulları əsasında sürətli fotoqəbuledicilər yaradıldı. Lakin sonralar CO2 lazerləri ətrafındakı gurultu sakitləşsə də CdHgTl əsasındakı fotoqəbuledicilər ilə aparılan işlərin vüsəti səngimədi. Bu cihazlar başlıca olaraq istilik televiziyası üçün maraq kəsb edirdi.

Optoelektronika üçün 1970‐ci illər daha əlamətdar olmuşdur. Belə ki, bu dövrə qədər mikroelektronika artıq heyrətamiz nailiyyətlər qazanmışdı. Cəmi on il ərzində bir sıra yüksək texnologiyalar işlənmişdi ki, bunların da içərisində əsas işçi elementi n‐kanallı MOY (metal‐oksid‐yarımkeçirici) tranzistoru olan n‐MOY texnologiya liderlik edirdi. Bu texnologiya bir kristalda on minlərlə işçi element yerləşən BİS (böyük inteqral sxemlər) buraxmağa imkan verirdi. Artıq İBİS (bir kristalda yüz minlərlə işçi element olan ifrat böyük inteqral sxemlər almağa imkan verən) hazırlanması perspektivləri açılmışdı. Bütün bunlar öz növbəsində vahid kristalda eyni zamanda həm fotohəssas elementin, həm də elektron sxemin yerləşdiyi inteqral tərtibatlı fotoqəbuledicilərin hazırlanmasına şərait yaradıldı. 1970‐ci ildə Boyl və Smit yük rabitəli cihazlar (YRC) ixtira etdilər, 1976‐cı ilədək silisium əsasındakı YRC‐ın formatı xeyli böyüdülərək televiziya ekranı tərtibinə çatdırıldı. Qısasürəkli lazer impulslarının qeydolunması zərurəti silisium əsasında sürətli fotodiodların işlənib hazırlanmasını stimullaşdırdı. Artıq p‐i‐n – strukturlu fotodiodlar, müxtəlif tip sel prinsipli fotodiodlar düzəldilirdi. Hələ 1960‐1970‐cı illərdə yarımkeçirici strukturların hazırlanmasında və tədqiqində də yeni mərhələ başlanmışdı. Optoelektronika üçün çox yararlı olan çoxsaylı heterostrukturlar meydana gəlmişdi. Qeyd etmək lazımdır ki, həmin dövrdə heterostrukturların tədqiqi, onların əsasında lazerlərin yaradılması sahəsində J.İ.Alfyorov və X.Kremer görkəmli nailiyyətlər əldə etdilər. Bu işlərə görə onlar 2000‐ci ildə Nobel mükafatına layiq görüldülər. 1970‐ci illərdən sonra heterostrukturlarla işin cəbhəsi daha da genişləndi. Kvant ölçü strukturlarından optoelektronika üçün əlamətdar olan 1970‐ci illərdə prinsipcə yeni olan daha bir istiqamətin – kvant ölçü strukturların fundamenti qoyuldu. Bu strukturlar tunel diodunun yaradıcısı, Nobel mükafatı laureatı L.Esaki ilə R.Tsa tərəfindən təklif olunmuşdu. Həm xronologiyasına, həm ideologiyasına görə kvant ölçü strukturlarını bərk cisim elektronikasında və optoelektronikada varizon və heterostrukturlardan sonra (ardıcıl) gələn növbəti mərhələ saymaq olar. Bu ixtiranın nəticəsində cihaz hazırlayanlar yarımkeçiricinin zona quruluşunu formalaşdırmaq sahəsində yeni bir alət əldə etmiş oldular. Bu alət – molekulyar‐şüa epitaksiyasının (MŞE) köməyi ilə alınmış lay və oblastların ölçüsündən ibarət idi. Adətən yarımkeçirici strukturlarda adi layların ölçüləri (d ≥ 50 nm) monoatom layının (d ~ 0 ⋅ 5 nm) ölçülərindən ən azı iki tərtib böyük olur. Bu səbəbdən də həmin layların xassələri həcmi kristalların xassələrindən fərqlənmir. Lakin elə kvant ölçü strukturu termininin adından görünür ki, bu strukturlarda çox nazik (~ 0 ⋅ 5 ÷ 5 nm), xarakterik kvant uzunluğu (de Broyl dalğasının uzunluğu) ilə müqayisə olunan, laylar formalaşır. Sözsüz ki, bu layların fiziki xassələri və zona quruluşları artıq monokristallik materialınkından fərqlənəcək. Necə ki, təklənmiş atomunku ilə kristalınkı fərqlənir. Bir koordinatla məhdudlanan belə müstəvi nazik oblastlar kvant sapları (borucuqları), üç koordinatla məhdudlanmış nöqtəvi oblastlar isə uyğun olaraq kvant nöqtələri adlanır. Bu yeni üsulun strukturların variasiyasındakı imkanları praktiki olaraq tükənməzdir. Buna görə də indi artıq kvant ölçü strukturları yarımkeçiricilər fizikasının ən vacib sahələrindən biri sayılır.

Aydındır ki, fotoqəbuledicilər texniki tərəqqi bütün sahələrin və elmi istiqamətlərin inkişafı, onların qarşılıqlı təsiri və bir‐birinə nüfuz etməsi ilə bağlıdır. Optoelektronikanın inkişafı da həm elmin, texnikanın, sənayenin müvafiq sahələrinin inkişafı, tələbatı ilə bağlıdır, həm də öz növbəsində elm və texnikanın digər sahələrinin, eləcə də sənayenin inkişafına güclü təkan verir. Məsələn, fotokinotexnikanın əsas vəzifəsi optik xəyalı fiksə etmək olduğundan, o, öz təbiəti etibarı ilə fotoqəbuledicidən istifadə etməyə məhkumdur. Ancaq nə qədər qeyri‐adi görünsə də fotohəssas cihazların kinofototexnikada ilk geniş tətbiqi heç də xəyalla yox, səslə bağlı olmuşdur. Məhz optoelektron cütlüyün – lampa və fotoelementin tətbiqi sayəsində ilk dəfə 1929‐cu ildə ekran dil açmışdır. Fotoqəbuledicilər xəyalı da diqqətdən kənarda qoymur. İlk növbədə onlar ekspozisiyanı təyin edir. Avstriyada hələ 1935‐ci ildə həvəskarların kinokameraları meydana gəlmişdi. Optoelektronikanın kinofototexnikada həlledici rolu fotolentlərin bərk cisimli xəyal çeviriciləri ilə əvəz olunmasından sonra başlandı. Bu, 1970‐ci ildə YRC‐ın ixtira olunması ilə bağlıdır. Xəyalı formalaşdıran işıq mənbəyindən asılı olaraq (Günəş, Ay, ulduzlar, məxsusi və əks olunan şüalanma, istilik şüalanması və s.) gündüz, gecə və istilik görüntüləri anlayışlarından istifadə olunur. Gecə görmə sistemlərində hələlik başlıca yeri vakuum elektron‐optik çeviriciləri (EOÇ) tutur. Bütün inkişaf etmiş ölkələrin texnikasında isə televideniyanın inkişafına xüsusi əhəmiyyət verilir. Çünki televizorlar daha uzaq məsafədən təsirinə, hava şəraitinə daha az həssas olmasına görə gecəgörmə cihazlarını çox‐çox üstələyir. İlk nəsil televizorlarda bir elementli infraqırmızı fotoqəbuledicilər, sonrakılarda – bircərgəli, bir qədər sonrakılarda çoxcərgəli xətkeşlər tətbiq olunurdu. Nəhayət, dərhal kadrın bütün sahəsini əhatə edən matrisalar meydana gəldi. 1990‐cı illərin ikinci yarısında televizor formatlı və dərəcənin yüzdə bir dəqiqliyi ilə ayırd etmək qabiliyyətinə malik televizorlar meydana gəldi. 1980‐cı illərdə silisium əsasında yerin məsafədən zondlanması üçün kosmik sistemlər yaradıldı. Şüalanma generatoru və qəbuledici cütlüyü kompüterlərin də əksər bloklarında tətbiq olunur.