Акустоэлектроника (Доклад)

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

[pic]

[pic]

[pic]