Лекция приборы функциональной электроники второго поколения

План

1 ПРИБОРЫ С АКУСТИЧЕСКИМ ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДОВ

2 ПРИБОРЫ АКУСТООПТИКИ

3 ПРИБОРЫ НА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

Ко второму поколению приборов и устройств функциональной электроники отнесем устройства, использующие одновременно динамические неоднородности различной физической природы в различных континуальных средах. При этом происходит дальнейшая интеграция функций на основе интеграции эффектов и, соответственно, расширение функциональных возможностей таких устройств.

1 Приборы с акустическим переносом зарядов

В приборах с акустическим переносом зарядов (ПАПЗ) используется взаимодействие двух типов динамических неоднородностей: поверхностной акустической волны (ПАВ) и зарядовых пакетов. В качестве континуальных сред используются слоистые структуры из пьезоэлектрика и полупроводника, в которых генерируются и взаимодействуют динамические неоднородности соответствующей природы. На рис. 9.1 приведено устройство ПАПЗ на основе слоистой структуры типа ZnO/Al/SiO₂/Si. ПАВ возбуждается с помощью ВШП (1) в пьезоэлектрике ZnO. Электрическое поле, создаваемое ПАВ, захватывает неосновные носители из другой полупроводниковой (Si) континуальной среды, сформированные в виде зарядовых пакетов. Зарядовые пакеты генерируются входным диодом (2) и переносятся к обратносмещенному выходному диоду (3).

Рис. 9.1 – ПАПЗ на основе слоистой структуры ZnO/Al/SiO₂/Si: 1-входной ВШП; 2-входной диод; 3-выходной диод; 4-кольца смещения; 5-поглотитель ПАВ; 6-центральный сегмент: 7-светодиод

Выходной диод является детектором динамических неоднородностей и он преобразует зарядовый пакет в выходное напряжение, которое индицируется как логическая "1" или "0". Для изоляции канала от основных и неосновных носителей используются кольца смещения (4), которые позволяют изолировать канал переноса от зарядов полупроводникового слоя. Возбуждаемые ПАВ поглощаются в конце структуры поглотителем (5). Инжекция неосновных носителей заряда в канал переноса может осуществляться электрическим путем с помощью диода (2) или оптическим путем через центральный сегмент (6) облучением светодиодом (7). У приборов такого типа характерным недостатком является неэффективность переноса зарядов. Для увеличения эффективности переноса зарядов используются полупроводниковые континуальные среды типа GaAs, а также совмещение канала переноса зарядов с каналом распространения ПАВ.

При заданном значении эффективности переноса зарядов число электронов в зарядовом пакете чувствительно к изменению потенциала ПАВ.

Приборам с акустическим переносом присущи те же недостатки, что и ПЗС-приборам, например, неэффективность переноса заряда, небольшой динамический диапазон. Для увеличения динамического диапазона предложено использовать GaAs. При этом удалось .совместить канал переноса ПАВ с каналом переноса зарядов.

Перенос зарядов электрическим полем ПАВ имеет место, если напряженность поля , где V- скорость звука, μ - подвижность носителей.

При оптическом вводе информации кванты света генерируют электронно-дырочные пары. Поле ПАВ разделяет их в канале переноса, который находится в состоянии глубокого обеднения. Электроны захватываются электрическим полем и переносятся к выходному устройству. Ток выходного преобразования линейно зависит от оптической мощности сигнала. Для увеличения эффективности переноса канал необходимо изолировать, например, с помощью протонной бомбардировки. В ПАПЗ возможен процесс неразрушающего считывания зарядов.

Это обстоятельство позволяет создать на базе ПАПЗ процессоры сигналов, устройства памяти. Простейшие устройства линии задержки имеют полосу пропускания ~150 МГц, время задержки ~10^–6с.

Линии задержки являются базовыми конструкциями для транверсальных фильтров и корреляторов.

Основу корреляторов на ПАПЗ составляют две линии задержки, акустические волны в которых распространяются в противоположных направлениях (рис. 9.2). Область нелинейного взаимодействия формируется диодами Шоттки. Катоды диодов соединены с выходными электродами, позволяющими производить пространственное интегрирование сигналов каждого из электродов. Эти электроды представляют собой металлизированные пластины (~1 мкм), расположенные перпендикулярно распространению ПАВ, генерируемых ВШП и отражателями на частоте 360 МГц.

Рис. 9.2 – Коррелятор на ПАЗП: 1-линии задержки; 2 - ВШП; 3 - поглотители ПАВ; 4 - входные диоды; 5 - выходные диоды; 6 - резистор; 7 - выходной затвор; 8 - диоды области нелинейного взаимодействия; 9 - полузолирующая подложка; 10 - граница области обеднения от затвора Шоттки; 11 - затвор; 12 - область переноса заряда; 13 - электроды неразрушающего считывания

Оценивая перспективу ПАПЗ следует отметить, что приборы этого класса сочетают в себе преимущества ПАВ-приборов в части высоких рабочих частот и ПЗС-приборов в отношении,высокого динамического диапазона, гибкого управления. В этой связи интересны аналоговые процессоры для параллельной обработки информации.

Широкое применение ПАПЗ могут найти в вычислительных интерфейсах для связи аналоговых и цифровых устройств обработки радиосигналов. Применение ПАПЗ позволяет существенно уменьшить габариты, потребляемую мощность, стоимость устройств.