Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Радиоматериалы и компоненты лекции / Л23 Функциональная микроэлектроника.doc
Скачиваний:
150
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
645.63 Кб
Скачать
  1. Акустоэлектроника: типы устройств, их конструкция и параметры

Акустоэлектроника – направление функциональной микроэлектроники, связанное с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале.

Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.

На принципе электромеханического резонанса основано действие прибора, называемого резонистором и представляющего собой транзистор с резонирующим затвором (рис.2). Затвор З, представляющий собой часть балки, противоположный конец которой закреплен на изоляторе, нависает над каналом между стокомСи истокомИ. Под балкой на изоляторе расположен электрод, на который подается входной сигнал. Сила электростатического взаимодействия сигнального электрода с затвором, на который также подано постоянное напряжение смещения, раскачивает балку в случае, когда частота сигнала совпадает с механическим резонансом балки. Вибрирующий затвор модулирует канал, обусловливая наличие переменной составляющей тока в нагрузкеRн. Консоль из золота имеет длину 0,25 мм. Такие резонисторы на частотах 1…45 кГц имеют добротность 100…750. При обратной связи с выхода на вход резонистора можно получить тональный генератор, подобный широко известному камертонному генератору. Разработаны и применяются резонисторы и для более высоких частот, приблизительно до 1 МГц.

На пьезоэлектрическом эффекте основана работа некоторых радиотехнических функциональных приборов – кварцевых генераторов, фильтров, ультразвуковых линий задержки, акустоэлектронных усилителей и преобразователей.

Простейшая ультразвуковая линия задержки, работающая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи (рис.3). На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод, где распространяются со скоростью значительно меньшей, чем скорость распространения электромагнитных волн. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Дойдя до выходного преобразователя, акустические колебания вызывают появление в нем э.д.с., которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс. Задержка может достигать нескольких десятков миллисекунд.

Рис.2. Устройство резонистора

Рис.3. Ультразвуковая линия задержки

1 – входной преобразователь;

2 – звукопровод; 3 – выходной преобразователь

Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждения с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.

В настоящее время разработано множество акустических преобразователей.

Наилучшим пока является преобразователь, который изготовляют посредством напыления на торец звукопровода, покрытого металлической пленкой, тонкого слоя сульфида кадмия CdS (см. рис.4). Такие преобразователи имеют малые потери (до 12 дБ для пары преобразователей на частотах 300…400 МГц) и широкую полосу пропускания (порядка 30%) на частотах от 100 до 1000 МГц.

Рис.4. Акустический преобразователь с напыленной пленкой сульфида кадмия:

1 – металлическая пленка; 2 – звукопровод; 3 – напыленная пленка сульфида кадмия

Рис.5. Акустический преобразователь на p-n-переходе:

1 – золото; 2 – обедненный слой; 3 – GaAs n-типа; 4 – звукопровод

На частотах порядка 10 ГГц в качестве преобразователей используют обедненный слой смещенного в обратном направлении p-n перехода (рис.5). Выбором напряжения смещения Uсмтолщину обедненного слоя доводят до десятых долей микрона и модулируют высокочастотным напряжениемuвх.

Относительно новым классом акустоэлектронных приборов являются приборы, использующие поверхностные акустические волны.

Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.

Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение акустических волн этого диапазона позволило уменьшить габариты акустических линий задержки.

На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.

Большое распространение получили фильтры на ПАВ, позволяющие реализовать практически любую форму амплитудно-частотной характеристики. В основе способа функционирования таких фильтров лежит зависимость скорости акустических волн от условий распространения, а вместе с этим и частотных свойств фильтра. Электроакустический фильтр содержит управляющие электроды, расположенные по обеим сторонам звукопровода, между входным и выходным преобразователями. При изменении управляющего напряжения происходит соответствующее изменение характеристик фильтра.

На основе использования явления взаимодействия ПАВ с носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структурах разработаны акустоэлектронные усилители.

Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи рабочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем электрические токи. Если теперь приложить постоянное электрическое поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупроводнике в направлении распространения ПАВ, то носители заряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазовую скорость ПАВ.

Рис.6. Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:

1 – воздушный зазор; 2 – кремниевая пленка; 3 – сапфировая подложка; 4 – акустическая подложка

На рис.6 показано устройство акустоэлектронного усилителя на поверхностных волнах. На сапфировой подложке 3 в пространстве между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристаллический слой кремния n-типа 2 толщиной около 1 мкм. У краев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода дрейфового напряженияUдр. Между акустической подложкой 4 и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усиливаемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 20 нм – для 1 ГГц).

Такие усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэффициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ.

В настоящее время разработка функциональных акустоэлектронных устройств достигла такого уровня, что они способны заменить отдельные схемотехнические устройства при работе в реальном масштабе времени с выигрышем не только по потребляемой энергии и надежности, но также по стоимости габаритам и стоимости. Однако на пути широкой практической реализации этих приборов стоят еще значительные технологические трудности.