26) Высокочастотный резонансный пьезоэлектрический эффект Основные принципы создания приборов на Пав

Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Частица вещества, содержащая два разноименных иона, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, обозначается как электрический диполь, характеризуемый дипольным моментом; последний равен произведению величины заряда на расстояние между зарядами. Если дипольный момент равен нулю, то нет и диполя.

Существуют тела, которые в обычном своем состоянии не имеют поляризации, но приобретают ее при механическом сжатии или растяжении. Это явление и было названо пьезоэлектрическим эффектом. Приставка "пьезо" по-гречески означает "давить". Следовательно, пьезоэлектричество - электричество, возникающее в результате давления.

Пластина, вырезанная определенным образом по отношению к осям кристалла кварца или другого вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, характеризуется тем, что на противоположных гранях пластинки при сжатии возникают разноименные электрические заряды.

Если пластинку растянуть, то также появятся электрические заряды, но знаки их будут обратными тем, которые были при сжатии. Попеременно сжимая и разжимая пластинку, можно вызвать появление на ее противоположных гранях разноименных зарядов.

Если металлизированные плоскости пьезоэлектрической пластинки соединить с источником переменного тока, то синхронно с изменением полярности будет изменяться толщина пластинки: она делается то толще, то тоньше. Это явление носит название обратного пьезоэлектрического эффекта.

П. Ланжевен в 1917 году возбудил при помощи высокочастотного электромагнитного поля вынужденные упругие колебания в кварцевых пластинках. Если пластинка будет помещена в жидкость, то при утолщении пластинки ее грани, двигаясь наподобие поршня паровой машины, окажут давление на жидкость. При сжатии пластинки, наоборот, вблизи ее поверхности образуется разряжение. При повторяющихся изменениях формы пластинки в окружающей ее упругой среде возникнут чередующиеся участки сжатия и разряжения; при их распространении от поверхности пластинки возникает волновой процесс.

Изменение толщины кварцевой пластинки весьма мало: приложение высокочастотного напряжения 1000 Вт изменит толщину пластинки лишь на 20 мкм. Увеличить амплитуду колебаний пьезоэлектрической пластинки можно, возбудив ее на резонансной частоте собственных механических колебаний. Для этого пластинка присоединяется к источнику переменного тока с резонансной частотой. Когда частота внешних колебаний совпадает с частотой собственных колебаний системы, такое явление называют резонансом. В тех случаях, когда тело заставляют колебаться с резонансной частотой, размах его колебаний делается особенно большим. Раньше для получения пьезоэлектрического эффекта использовали кристалл кварца, но так как для его возбуждения нужно высокое напряжение, то в настоящее время используют керамику из титаната бария. Недостатком ее является то, что ее свойства начинают изменяться при 120 - 130 оС, поэтому головку из титаната бария нужно охлаждать. Высокочастотное напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор.

Основные принципы создания прборов наПАВ:

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров(приборов)

В своей основной форме химический микросенсор представляет собой по меньшей мере два элемента: миниатюрная подложка и химически селективное покрытие

Подложка имеет контакт с покрытием и обеспечивает возникновение электрического сигнала, чьи характеристики отражают состояние покрытия.

Покрытие имеет контакт со средой, содержащей химическое вещество, которое должно быть обнаружено. Различия в свойствах покрытия, посредством которых происходят те или иные химические взаимодействия, обеспечивают перенос вещества или энергии через подложку

Возникновение акустической волны достигается использованием ПАВ покрытия, линии задержки и колебательного контура.

При адсорбции чувствительным покрытием определяемых веществ происходит изменение характеристик поверхностно-акустической волны, таких как фазовая скорость, амплитуда и частота. Происходит это вследствие изменения упругих свойств чувствительного слоя и его электропроводности По этим изменениям можно судить о концентрации примеси в среде.

27) МДП-структура ,МДП(МОП)-транзистр

МДП-СТРУКТУРА

(металл - диэлектрик - полупроводник) - структура, образованная ' пластиной полупроводника П, слоем диэлектрика Д на одной из её поверхностей и металлич. электродом (затвором M, рис. 1). При подаче на МДП-с. напряжения V в полупроводнике вблизи границы с диэлектриком возникает электрич. поле. Оно перераспределяет заряды в полупроводнике, изменяя концентрацию носителей заряда вблизи поверхности, и, следовательно, изменяет электропроводность приповерхностного слоя полупроводниковой пластины. 

Рис. 2. Энергетическая диаграмма МДП-струк-туры на основе полупроводника р-типа при отсутствии напряжения V на затворе. Заштрихованы состояния, занимаемые электронами при T= 0 K; F - работа выхода металла;   - энергия электрона в вакууме;  - потолок валентной зоны; - дно зоны проводимости;  - уровень Ферми; - ширина запрещённой зоны полупроводника.

Характерное отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том что у них между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика – двуокись кремния SiO2. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник). Выпускаются МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

 В основе действия МДП транзистора лежит эффект поля представляющий собой изменение величины величины и типа электропроводности полупроводника вблизи его границы с диэлектриком под действием приложенного напряжения. Если к затвору приложить отрицательное напряжение, то дырки будут притягиваться к диэлектрику SiO₂ и на поверхности полупроводника образуется слой с высокой их концентрацией. Такой режим называется режимом обогащения канала. При подаче на затвор положительного напряжения дырки выталкиваются от поверхности полупроводника и образуется слой с уменьшенной концентраций дырок. Такой режим называется режимом обеднения. Электроны из полупроводника p-типа будут притягиваться к диэлектрику, и у поверхности полупроводника р-типа образуется слой с электропроводностью n-типа. Таким образом, между истоком и стоком образуется область n⁺-n-n⁺ типа. Такой режим называется инверсией электропроводности. Изменяя напряжения на затворе, можно изменять сопротивление канала.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа (рис. 2,а) при напряжении на затворе U_зи = 0 канал отсутствует и при U_си > 0 ток стока будет равен нулю. При увеличении положительного напряжения на затворе, начиная с некоторого значения U_зи пор наступает инверсия электропроводности и происходит образование канала (рис. 2,а). Это напряжение называется пороговым. В справочниках обычно в качестве порогового приводятся значения U_зи, при которых ток стока I_с = 10 мкА. При U_зи > U_зи пор в МДП-транзисторах с n-каналом увеличение напряжения на затворе будет приводить к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения поверхности канала электронами, ток стока при этом будет увеличиваться. Отсюда видно, что МДП-транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа (рис. 2,б) уже имеется технологическим путем созданный канал, и при U_зи = 0 и U_си > 0 протекает ток стока. При увеличении положительного напряжения на затворе область канала обогащается электронами, и ток стока возрастает. При увеличении отрицательного напряжения на затворе канал обедняется, и ток стока уменьшается. Таким образом МДП-транзисторы со встроенным каналом работают в режимах обогащения и обеднения.

Полевые транзисторы включаются по схемам с общим затвором (ОЗ) (рис. 3,а), общим истоком (ОИ) (рис. 3,б), общим стоком (ОС) (рис. 3,в). Наиболее часто используется схема включения с ОИ.

а                                        б                                          в

Рис. 3