Раздел 3 акустоэлектроника

• Акустоэлектроника — направление функциональной микроэлектроники, связанное с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале.

Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.

На принципе электромеханического резонанса основан прибор, называемый резонистором и представляющий собой транзистор с резонирующим затвором (рис. 9.15). Затвор З, представляющий собой часть балки, противоположный конец которой закреплен на изоляторе, нависает над каналом между стоком С и истоком И. Под балкой на изоляторе расположен электрод, на который подается входной сигнал. Сила электростатического взаимодействия сигнального электрода с затвором, на который

Рис. 9.15. Устройство резонистора

Рис. 9.16. Ультразвуковая линия задержки: 1 – входной преобразователь; 2 – звукопровод; 3 – выходной преобразователь

Υ

Тема 3.1. Акустоэлектронные приборы

Работа акустоэлектронных приборов основана на возбуждении, распространении и приеме акустических волн в твердых телах.

Использование в таких приборах акустических волн, распространяющихся по поверхности твердого тела, так называемых поверхностных акустических волн (ПАВ), предпочтительнее, чем волн, которые распространяются в объеме твердого тела. Поверхностно-акустические волны обладают меньшим по сравнению с объемными, затуханием и рассеиванием, позволяют отводить часть энергии с любого участка распространения ПАВ и управлять этими волнами электронным потоком. Кроме того, технология изготовления приборов на ПАВ хорошо совмещается с технологией изготовления микросхем. На основе акустоэлектронных приборов можно создать устройства, обладающие новыми функциями или существенно улучшить параметры уже известных устройств (частотной селекции и задержки сигналов).

Скорость распространения акустических волн в твердых телах в 10⁵ раз меньше скорости распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, благодаря этому можно уменьшить габариты акустоэлектронных приборов. К основным преимуществам таких приборов можно также отнести простоту конструкции, хорошую воспроизводимость характеристик, высокую температурную стабильность и малое потребление энергии.

Конструктивно акустоэлектронные приборы на ПАВ (в простейшем виде) представляют собой подложку из кварца или ниобата лития, являющуюся звукопроводом, а преобразования сигналов осуществляются электроакустическими преобразователями.

Электроакустические преобразователи выполняют в виде двух металлических изолированных гребенок, чаще всего встречно-штыревой структуры (рис. 132).

Р абочая частота приборов на ПАВ определяется расстоянием между штырями гребенок преобразователя (это расстояние обычно равно половине длины ПАВ), полоса пропускания зависит от числа пар штырей и обратно пропорциональна числу встречно-штыревых пар (практически составляет 1 – 60% центральной рабочей частоты). Например, на частоте 100 МГц длина ПАВ в подложке из ниобата лития составляет 35 мкм, ширина штырей – 8,75, длина – 2700, расстояние между штырями – 17,5 мкм. Верхний предел диапазона рабочих частот приборов на ПАВ зависит от технологии изготовления преобразователей (ее разрешающей способности) и располагается в пределах нескольких гигагерц.

Акустоэлектронные приборы используют в качестве фильтров (см. § 54), линий задержки, генераторов, усилителей и запоминающих устройств.

Линии задержки на ПАВ характеризуются диапазоном рабочих частот от десятка до тысяч мегагерц, временем задержки от наносекунд до десятков микросекунд и относительно небольшими потерями. Генераторы на ПАВ отличаются высокой стабильностью и работают до частот в несколько мегагерц без использования умножителей.

Эффективны различные приборы на основе ПАВ, где осуществляется взаимодействие акустических волн и носителей заряда в полупроводниках. На таком взаимодействии основана работа различных устройств обработки информации. Благодаря использованию акустооптических явлений можно создать компактные и многофункциональные устройства управления лазерным лучом.