4.2.5. 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 (порядка 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 рис. 4.23. 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.

Рис. 4.23. 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 ; тогда частота определяется соотношением

₀ =  v₀ / d, (4.23)

где v₀ - скорость волны.

Такой процессор одновременно выполняет функцию фильтра с амплитудно-частотной характеристикой вида sinх / х (рис. 4.23, б), причем

(4.24)

где N - число штырей ВШП. Подавление побочных максимумов можно осуществить путем аподизации ВШП подобно тому, как это рассматривалось в акустоэлектронных устройствах.

Другим примером процессора на ВПЗ является конвольвер сигналов СВЧ-диапазона. В этом процессоре используется нелинейное взаимодействие ВПЗ. Конвольвер представляет собой многослойную сэндвич-структуру (рис. 4.24). Две континуальные среды, отличающиеся степенью легирования и скоростью дрейфа волн пространственного заряда, расположены одна над другой и разделены тонким слоем диэлектрика.

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

, (4.25)

Рис. 4.24. Монолитный конвольвер на ВПЗ

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:

(4.26)

Интервалы интегрирования определяются временем прохождения волны в приборе.

Помимо процессоров на ВПЗ можно реализовать устройства памяти аналоговых сигналов. На рис. 4.25 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.

Рис. 4.25. Запоминающее устройство аналоговых сигналов

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.

В режиме воспроизведения сигнала на сток подается положительное тянущее напряжение, снимается отрицательный потенциал с шины хранения. Происходит размораживание зарядовых пакетов, а затем их детектирование на электроде. Помимо одномерного рассмотрения процесса распространения ВПЗ исследованы двумерные явления. Управляя ВПЗ в заданной плоскости, созданы различные конструкции процессоров сигналов. Например, фазированные антенные решетки, линии задержки с дискретным или непрерывным управлением, селекторы СВЧ-импульсов с линейной частотой модуляции и т.п.