249 Сериялы оптоэлектронды имс - ның электрлік схемасы
§ 8.3 . Акустоэлектроника
Акустоэлектроника - пьезоэлектрлік эффектіні, пьезоэлектрлік шалаөткізгішті материалдағы акустикалық кернеу толқыны бар электрлік өрістің әрекеттесуіне негізделген эффектіге механикалық резонансты эффектіні қолданумен байланысқан функционалды микроэлектрониканың бағыты. Акустоэлектроника электрліктегі акустикалық сигналдарды құрумен және акустикалықта электрлік сигналдарды құрумен айналысады.
8.14 - сурет. Резонистрдің құрылғысы
Резонистор деп аталатын және өз алдына жаңғырғыш затворы бар (8.14 - сурет) транзисторды көрсететін құрылғы электромеханикалық резонанстың принципіне негізделген. Бөрененің (балка) бөлігін білдіретін затвор З, изоляторға бекітіліген қарама - қарсы аяғы (противоположный конец) сток С пен исток И арасындағы каналдарға төнеді. Затворы бар сигналды электротың электрлік әрекеттесу күші сигнал жиілігі бөрененің механикалық резонансыменсәйкес келген кезде бөренені тербетеді.Дірілдетуші затвор каналды модульдейді, жүктемедегі Rн ауыспалы құраушы токбарын ескертеді. Алтыннан жасалған консольдің ұзындығы 0,25 мм. 1 - 45 кГц жиіліктегі мұндай резонисторлар 100 - 750 төзімділікке ие. Резонистрдің шығысынан кірісіне кері байланыс кезінде үндес (тональный) генератор алуға болады. Өте үлкен жиілікке, шамамен 1 МГц арналған резонисторлар жасалып, қолданылуда.
Кейбір материалдарда өрістің қозғалысы кезіндегі молекулаларды бағдарлау нұсқаның (образец) өлшемінің өзгеруіне әкелетін структуралық өзгеріс арқылы жүреді. Бұл құбылыс қайтымды (обратимый) және қайтымсыз сипатына ие және сызықты және сызықты емес құрылғыны тудыруға мүмкіндік береді. Бұған ұқсас процесстер пьезоэлектрлік эффект деп аталады, ал пьезоэффект құбылысы бақыланатын материалды пьезоэлектрик деп аталады. Мұндай материалдарға турмалин, кварц, тұз сегнетова, цинктік приманка және т.б. жатады. Пьезоэлектрлік эффектте кейбір радиотехникалық функциональды приборлардың жұмысы негізделген - кварцтық генератор мен кварцтық фильтрдің. Функционалды приборларға сонымен қатар көлемді акустикалық толқындарда жұмыс жасайтын ультрадыбысты кідіріс сызығы (линия задержки) жатады. Бұл құрылғы бірнеше микросекундтан жүздеген миллисекундқа дейінгі уақытта сигналдарды ұстап тұруға мүмкіндік береді. Металлдан, шыныдан және балқытылған кварцтан тұратын берік сызықты задержкалар кең қолданысқа ие.
8.15 - сурет. Задержканың ультрадыбысты линиясы:
1 - кіріс түрлендіргіш; 2 - дыбысты сым (звукопровод); 3 - шығыс түрлендіргіш
Көлемді акустикалық толқында жұмыс жасаушы, задержканың қарапайым ультрадыбысты линиясы - l ұзындықты қатты дененің өзекшесін білдіреді (8.15 - сурет). Кірісіне бірнеше мегагерцті тасушы жиілігі бар радиоимпульс беріледі. Пьезоэлектрлік түрлендіргіштің кірісіндегі электрлік тербеліс акустикалыққа айналады және дыбысты сымда жылтырайды. Кварцтық түрлендіргіштер сығылуға ұызмет етеді. Бірнеше уақыттан соң, дыбыс жылдамдығы анықталғаннан кейін акустикалық тербеліс шығыс түрлендіргішке жетеді, онда акустикалық тербеліс әсерінен ЭҚК пайда болады.
Электрлік сигналдардың көмегімен пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді задержканың ультрадыбысты линияларындағы акустикалық толқындар мен электрлік сигналдардағы кері түрлендіруді қоздыруға қолданады. Түрлендіруді алудың әртүрлі жолдары болады. CdS кадмий сульфидінен тұратын пленкасы бар түрлендіргіш жақсы нәтижелерге ие (8.16 - сурет). Мұндай түрлендіргіштер аз жоғалту мен 100 - 1000 МГц жиіліктегі кең өткізу жолағымен сипатталады.
10 МГц жиілігінде түрлендіргіш ретінде р - п ауысуының кері бағытындағы араластырудың жүдеуленген (обедненный) қабаты қолданылады (8.17 - сурет). Жүдеуленген қабаттың қалыңдығын араластыру кернеуін таңдау жоғарыжиілікті кернеуді Uвх модульдейді.
8.16 - сурет. Кадмий сульфидінің тозаңдатылған пленкасы бар акустикалық түрлендіргіш:
1 - металлдық пленка; 2 - дыбысты сым; 3 - кадмий сульфидінің тозаңдатылған пленкасы
8.17 - сурет. р - п ауысуындағы акустикалық түрлендіргіш:
1 - алтын; 2 - жүдетілген қабат; 3 - GaAS п - типті; 4 - дбысты сым
Ультрадыбысты толқындар диэлектриктерде қалай жақсы тараса, шалаөткізгіштерде де солай жақсы тарайды. Бірақ, зерттеудің нәтижесі бойынша шалаөткізгіштерде таралу кезінде аз жоғалтуға (малые потери) ие болады. Бұл жоғары жиіліктерге арналған түрлендіргіш дайындауға мүмкіндік береді. Электрондары бар акустикалық толқындардың электрондармен әрекеттесу құбылысын қолдана отырып жүгірпелі ультрадыбысты толқындарды күшейту арқылыэлектрлік тербелістерді күшейтуге арналған приборларды өңдуге болады. Ол үшін жоғары эффектілі түрлендіргіштер керек болады. 1 ГГц жиіліктегі акустикалық толқындардың күшейту коэффициенті 40 дБ болатын, интегралды орындаудағы ұзына бойлы акустикалық толқындарда жұмыс жасайтын күшейткіштің суреті 8.18 - суретте келтірілген. Күшейтуге жеткілікті салыстырмалы кедергісі бар бастапқы өзекше бөренесінде индий диффузия жолы арқылы жоғары өткізгішті қабат құрылады. Бұл қабат (суретте сызықтармен берілген) дрейфтің тұрақты өрісіне арналған электродтарға қызмет етеді, сонымен қатар түрлендіргіштің ішкі электродтарына да. Мұндай күшейткіштің көлемі 1,28 × 0,6 × 0,6 мм, шашырап тарау қуаты 3,78 Вт, кернеу көзі 227 В, өткізу жолағы 300 МГц.
Акустоэлектрониканың дамуының жаңа кезеңі беткі акустикалық толқындарды қолдану болып табылады. Беткі толқындар көлемді толқындардың қасиеттеріне ие, олардың линияны бойлай таралуының барлық жолына ықпал етуге мүмкіндік болады, беттік толқындары бар ультрадыбысты линияларды дайындау технологиясы интегралды микросхемаларды дайындау технологиясымен үйлесімді.
8.18 – сурет. Көлемді акустоэлектронды күшейткіш
Техникада көп таралғандардың бірі ультрадыбысты диапазонның беттік толқындары. Бұл толқындарды кдіріс линиясында қолдану олардың габаритін өзгертуге мүмкіндік берді. Беттік толқындарда резонаторлар, сызықты фильтрлер, фазаайналдырғыш (фазовращатель) және радиоэлектрониканың өзге де элементтері құрастылыған.
Беттік акустикалық толқындардағы кідіріс линиясы жұмыс жиілігі 100 %- ға дейін жететін өткізу жолағы бар 1 – 103 МГц жиілікте 0,1 – 100 мкс кідіріс сигналын жүзеге асыруға мүмкіндік береді.
Берілген жиілік сипаттамасы бойынша синтезделген фильтрлер (сызықты, режекторлы және т.б.) кідіріс линиясымен бірдей кең таралған. Фильтрлерді дайындау тәсілінің негізіне нәтижесінде толқындар жылдамдығы мен оған қатысты фильтрдің жиілікті сипаттамасы өзгеретін акустикалық толқындардың таралу шарттарының өзгерісі жатады. Электроакустикалық фильтрлер құрамында шығыс және кіріс түрлендіргіштер арасында болатын дыбыс сымының екі жағында да орналасқан басқаратын электродтар болады. Басқарушы кернеудің өзгерісі кезінде фильтрдің сипаттамаларының сәйкес өзгерісі болады.
8.19 – сурет. Беттік толқындардағы акустоэлектронды күшейткіш:
1 – ауалық зазор (воздушный зазор); 2 – кремнийлі пленка; 3 – сапфирлі подложка; 4 – акустикалық подложка
8.19 – суретте беттік толқындардағы акустоэлектронды күшейткіш құрылғысы көрсетілген. Дрейфтік бөлік – эпитаксиалды әдіс арқылы сапфирлі подложкада айналдырылған, 1 мкм қалыңдықты п – типті кремнийлі монокристаллды қабатты білдіреді. Бұл материал 100 Ом · см болатын салыстырмалы кедергіге және 500 см2/(В·сҚ болатын заряд тасушылардың қозғалғыштығына ие. 100 МГЦ жиіліктегі жұмысқа арналған ауалық зазор 50 нм болады, ал 1 ГГц жиілікте 20 нм болады. Мұндай күшейткіштер 108 МГц жиілікте тұрақты токтың тұтынушы қуаты 0,7 Вт кезінде ұзындығы 10 мм және ені 1,25 мм – де 30 дБ күшейткішке ие.
Сөйтіп, акустоэлектронды құрылғылар перспективалық болып табылады, әсіресе кеңжолақты және СВЧ – схемаларында қолдануда. Дегенмен, бұл приборларды кең түрде жүзеге асыруда көптеген технологиялық қиындықтар болады.