3.2.5. Приборы на волнах пространственного заряда
В континуальных средах, представляющих собой тонкие слои полупроводников и обладающих отрицательной объемной дифференциальной проводимостью (ОДП), при определенных условиях возбуждаются волны пространственного заряда (ВПЗ).
Такие волны по существу являются динамическими неоднородностями, обладающими уникальными свойствами:
□ скорость волн близка к скорости дрейфа электронов (~ 105 м/с);
□ величина и направление скорости ВПЗ легко управляемы за счет изменения величины и направления статического электрического поля, приложенного в плоскости полупроводникового слоя;
□ ВПЗ могут эффективно усиливаться, слабая дисперсия скорости позволяет организовать когерентное многоволновое взаимодействие со средой.
Это явление положено в основу нового класса приборов. Следует особо подчеркнуть, что технология создания континуальной среды, а также приборов на основе ВПЗ вполне совместима с технологией микроэлектроники.
Конструкция одного из процессоров, выполняющего функции усилителя и фильтра, приведена на Рисунок - 3.25. Континуальной средой такого устройства является тонкий слой GaAs n-типа проводимости.
Возбуждение ВПЗ осуществляется многоэлементным преобразователем, выполненным в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП). Динамические неоднородности в виде ВПЗ, генерируемые каждым из электродов ВШП, распространяются к детектирующему ВШП и наводят в нем электрический сигнал. Этот сигнал пропорционален суммарному значению переменных составляющих концентрации электронов. Другими словами, электрический сигнал с детектора равен сумме всех парциальных ВПЗ, возбужденных каждым из электродов.
Рисунок - 3.25. Схема процессора на ВПЗ для усиления и фильтрации сигналов (а) и его частотная характеристика (б)
Максимальный выходной сигнал будет наблюдаться в том случае, если все парциальные ВПЗ придут на выходной электрод синфазно. Геометрия ВШП такова, что расстояние между соседними штырями должно быть равно половине длины ВПЗ λ; тогда частота определяется соотношением
где V0 — скорость волны.
Такой процессор одновременно выполняет функцию фильтра с амплитудно-частотной
характеристикой
вида
причем
где N— число штырей ВШП (Рисунок - 3.25, б). Подавление побочных максимумов можно осуществить путем аподизации ВШП подобно тому, как это рассматривалось в акусто-электронных устройствах.
Другим примером процессора на ВПЗ является конвольвер сигналов СВЧ-диапазона. В этом процессоре используется нелинейное взаимодействие ВПЗ. Конвольвер представляет собой многослойную сэндвич-структуру (Рисунок - 3.26). Две континуальные среды, отличающиеся степенью легирования и скоростью дрейфа волн пространственного заряда, расположены одна над другой и разделены тонким слоем диэлектрика.
Рисунок - 3.26. Монолитный конвольер на ВПЗ
На входные электроды прибора подаются сигналы в СВЧ-диапазоне. Генерируемые электродами динамические неоднородности в виде ВПЗ распространяются в смежных континуальных средах. Суммарная толщина полупроводниковых слоев и разделяющих их пленок диэлектрика меньше характерной длины ВПЗ и поэтому волны, распространяющиеся в континуальных средах, эффективно взаимодействуют. Результатом их взаимодействия является результирующий сигнал, описываемый соотношением
где А — размерный коэффициент; m — множитель, определяемый относительной разностью скоростей дрейфа в двух континуальных средах. Если две ВПЗ движутся в противоположных направлениях, то можно получить классическое преобразование— операцию свертки сигналов:
Интервалы интегрирования определяются временем прохождения волны в приборе.
Помимо процессоров на ВПЗ можно реализовать устройства памяти аналоговых сигналов. На Рисунок - 3.27 представлено устройство хранения аналоговых сигналов в СВЧ-диапазоне.
Область хранения сигналов представляет собой эквидистантную систему хранящих электродов, связанных с шиной хранения через емкости. В режиме записи напряжение на шину хранения не подается. Хранящие затворы находятся под плавающим потенциалом и мало влияют на условия распространения ВПЗ в пролетной области. В этом случае реализуется режим широкополосного усилителя бегущей волны.
В режиме хранения на шину подается импульс хранения отрицательной полярности такой амплитуды, чтобы обедненные области под "хранящими" электродами полностью сомкнулись. В этом случае в пленке образуются изолированные области — карманы, содержащие динамические неоднородности в виде зарядовых пакетов. Наличие или отсутствие зарядовых пакетов свидетельствует о наличии битов хранимой информации; ВПЗ в этом случае как бы замораживаются в среде. Положительный потенциал с выхода устройства может быть снят.
Рисунок - 3.27. Запоминающее устройство аналоговых сигналов