|
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
|
|
|
