|
Акустоэлектроника
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Радиофизический факультет
Кафедра радиоэлектроники
Реферат
по курсу "Основы микроэлектроники"
на тему: "Акустоэлектроника"
Выполнил:
студент гр.
Руководитель:
Днепропетровск – 1998
Акустоэлектроника – это направление функциональной
микроэлектроники, основанное на использовании
пьезоэлектрического эффекта, а также явлений, связанных
с взаимодействием электрических полей с волнами
акустических напряжений в пьезоэлектрическом
полупроводниковом материале. По существу,
акустоэлектроника занимается преобазованием
акустических сигналов в электрические и электрических в
акустические. Обратим внимание на то, что данное
определение аналогично определению оптоэлектроники, где
речь идет о взаимных преобразованиях оптических и
электрических сигналов.
На рис. 1, а показана структура элементарной
ячейки кварца, состоящей из 3х молекул диоксида
кремния. При отсутствии деформации центр тяжести
положительных и отрицательных ионов совпадает (плюсом
отмечены ионы кремния, минусом – кислорода). Сжатие
кристалла в вертикальном направлении (рис. 1, б)
приводит к смещению положительных ионов вниз, а
отрицательных вверх. Соответственно, на наружных
электродах появляется разность потенциалов.
Рассмотренное явление называют прямым
пьезоэлектрическим эффектом. Существует и обратный
пьезоэффект, когда под действием приложенного
напряжения и в зависимости от его полярности
пьезокристалл (кварц, сегнетова соль, турмалин и др.)
поляризуется и изменяет свои геометрические размеры.
Если же к пьезокристаллу приложить переменное
напряжение, то в нем возбуждаются механические
колебания определенной частоты, зависящей от размеров
кристалла.
Явления прямого и обратного пьезоэффекта известны
давно. Однако лишь в последние годы, благодаря развитию
полупроводниковой техники и микроэлектроники, удалось
создать качественно новые акустоэлектронные
функциональные устройства.
Одним из основных приборов акустоэлектроники
является электроакустический усилитель (ЭАУ). На рис. 2
показана схема такого усилителя на объемных волнах. На
торцах полупроводникового звукопровода (З) расположены
пьезоэлектрические преобразователи (П), которые с
помощью омических контактов (К) присоединены с одной
стороны к звукопроводу, а с другой – к входным и
выходным клеммам. При подаче на вход переменного
напряжения во входном пьезопреобразователе возбуждается
акустическая волна, которая распространяется по
звукопроводу. Взаимодействие волны с движущимися в том
же направлении по полупроводниковому звукопроводу
электронами обеспечивает ее усиление. Рассмотрим это
явление. Предположим, что в звукопровод вводится
гармоническая продольная акустическая волна, движущаяся
со скоростью Vв. Давление в кристалле при этом от точки
к точке меняется. В тех местах, где кристалл сжимается,
пьезо-э. д. с. замедляет движение электронов, а в тех
местах, где растягивается, – ускоряет. В результате
этого в начале каждого периода волны образуются сгустки
электронов. При Vэ > Vв сгустки движутся в тормозящих
участках волны и передают ей свою энергию, чем и
обеспечивается усиление. Подобные акустоэлектронные
усилители могут давать выходную мощность сигнала
порядка нескольких ватт, имея полосу пропускания до 300
МГц. Их объем (в микроэлектронном исполнении) не
превышает 1 см3.
Основным недостатком объемных ЭАУ является
сравнительно большая мощность, рассеиваемая в
звукопроводе. Более перспективными в этом отношении
являются ЭАУ на поверхностных волнах. Структура такого
усилителя показана на рис. 3, а. С помощью входного
решетчатого преобразователя (рис. 3, б), напыляемого на
поверхность пьезоэлектрического кристалла Пэ, в
последнем возбуждается акустическая волна. На некотором
участке поверхность пьезокристалла соприкасается с
поверхностью полупроводниковой пластины, в которой от
источника Е проходит ток. Следовательно, на участке
поверхностного контакта пьезокристалла и полупроводника
произойдет взаимодействие акустической волны с потоком
электронов. Именно на этом участке происходит
акустическое усиление сигнала, который затем снимается
в виде усиленного переменного напряжения с выходного
преобразователя, работающего в режиме обратного
пьезоэффекта.
Достоинство ЭАУ поверхностного типа состоит в том,
что материалы пьезоэлектрика и полупроводника могут
быть разными. Первый из них должен обладать высокими
пьезоэлектрическими свойствами, второй – обеспечивать
высокую подвижность электронов. В качестве
полупровдникового слоя в подобных усилителях используют
обычно кремниевый монокристалл n-типа толщиной около 1
мкм, выращенный на сапфировой подложке эпитаксиальным
способом. Этот материал имеет удельное сопротивление
порядка 100 Ом·см и подвижность носителей заряда до 500
см2/(В·с). Длина рабочей части поверхностного ЭАУ
составляет примерно 10 мм, ширина 1.25 мм, потребляемая
мощность постоянного тока порядка 0.7 Вт.
Акустоэлектронные устройства являются весьма
перспективными, особенно для широкополосных схем и схем
сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
Литература
1. Б.С. Гершунский. Основы электроники и
микроэлектроники. – К.: Вища школа, 1989, 423 с.
Приложение
|
|
