Микроэлектроника.-2

460

С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.

Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектрони-

ки разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные

устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов.

Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис. 9.11, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока

463

ют значений, необходимых для стандартных полупроводниковых микросхем. Оптоэлектронные маломощные реле постоянного тока (рис. 9.13, в) предназначены для замены аналогичных электромеханических реле с быстродействием в миллисекунд-

ном диапазоне и гарантируемым числом срабатываний 104 ¸

107.

Представляют интерес оптоэлектронные микросхемы серии 249, в которую входят четыре группы приборов, представляющих собой электронные ключи на основе электролюминесцентных диодов и транзисторов. Электрическая схема всех групп приборов одинакова (рис. 9.14). Конструктивно микросхемы оформлены в прямоугольном плоском корпусе интегральных микросхем с 14 выводами и имеют два изолированных канала, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, а также расширяет функциональные возможности микросхем. Светодиоды выполнены на основе кремния и имеютn+-p-ni-n+ структуру. Наличие двух каналов в ключе позволяет использовать его в качестве интегрального прерывателя аналоговых сигналов и получать высокий коэффициент передачи сигнала(10 ¸ 100) при включении фототранзисторов по схеме составного транзистора.

Рисунок 9.14. Электрическая схема оптоэлектронных микросхем серии 249

9.3. Акустоэлектроника

Акустоэлектроника - направление функциональной микроэлектроники, связанное с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с

464

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).

RH Выход

UC.И.П +

–

Рисунок 9.15. Устройство резонатора

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 также подано постоянное напряжение смещения, раскачивает балку в случае, когда частота сигнала совпадает с механическим резонансом балки. Вибрирующий затвор модулирует канал, обусловливая наличие переменной составляющей тока в нагрузке RН. Консоль из золота имеет длину 0,25 мм. Такие резонисторы на частотах1 ¸ 45 кГц имеют добротность 100 ¸ 750. При обратной связи с выхода на вход резонистора можно получить тональный генератор, подобный широко известному камертонному генератору. Разработаны и применяются резонисторы и для более высоких частот, приблизительно до 1 МГц.

465

В некоторых материалах ориентация молекул под действием поля сопровождается структурными изменениями, что приводит к изменению размеров образца. Эти явления носят обратимый и необратимый характер и позволяют создавать линейные и нелинейные устройства. Подобные процессы называются пьезоэлектрическим эффектом, а материалы, в которых наблюдается явление пьезоэффекта, - пьезоэлектриками. К таким материалам относится турмалин, кварц, сегнетова соль, цинковая обманка и др. На пьезоэлектрическом эффекте основана работа некоторых радиотехнических функциональных приборов - кварцевых генераторов и кварцевых фильтров. К функциональным приборам относятся также ультразвуковые линии задержки, работающие на объемных акустических волнах. Эти устройства позволяют задерживать сигналы на время от долей микросекунды до десятков миллисекунд. Широко используются твердотельные линии задержки из плавленого кварца, стекла и металлов.

Простейшая ультразвуковая линия задержки, работающая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела длинойl, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи (рис.9.16).

1

Вход

Рисунок 9.16. Ультразвуковая линия задержки:

1 – входной преобразователь; 2 – звукопровод; 3 – выходной преобразователь

На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Когда через время, определяемое

466

скоростью звука (значительно меньше скорости распространения электромагнитных волн), акустическое колебание достигает выходного преобразователя, на нем под воздействием акустического сжатия возникает э. д. с, которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс.

Пьезоэлектрические преобразователи используют для воз-

волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.

Имеются различные способы получения преобразователей. Наилучшие результаты дает преобразователь, состоящий из пленки сульфида кадмия CdS, осажденной методом вакуумного напыления непосредственно на металлическую пленку, которую в свою очередь наносят на торец звукопровода (рис. 9.17).

1 2

UВХ ~

3

Рисунок 9.17. Акустический преобразователь с пленкой сульфида кадмия:

1 – металлическая пленка; 2 – звукопровод;

3 – напыленная пленка сульфида кадмия

Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждения с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.

Имеются различные способы получения преобразователей. Наилучшие результаты дает преобразователь, состоящий из

467

пленки сульфида кадмия CdS, осажденной методом вакуумного напыления непосредственно на металлическую пленку, которую в свою очередь наносят на торец звукопровода (рис. 9.17). Такие преобразователи характеризуются малыми потерями и широкой полосой пропускания (порядка 30%) на частотах от 100 до 1000 МГц. Потери на пару преобразователей (входной — выходной) не превышают 12 дБ на частотах 300 – 400 МГц как для продольных, так и для сдвиговых колебаний .

На частотах порядка 10 ГГц в качестве преобразователя используют обедненный слой смещенного в обратном направлении p-n-перехода (рис. 9.18). Выбором напряжения смещения Uсм толщину обедненного слоя доводят до десятых долей микрометра и модулируют высокочастотным напряжением uвх.

1

UВХ – ~

UСМ –

+

Рисунок 9.18. Акустический преобразователь на p-n-переходе: 1 – золото; 2 – обедненный слой; 3 – CaAs n-типа; 4 – звукопровод

Ультразвуковые волны одинаково хорошо распространяются как в изоляторах, так и в проводниках. Однако при распространении в полупроводниках, по результатам исследований, они имеют малые потери. Это дает возможность изготовлять преобразователи для высоких частот. Используя явления взаимодействия акустических волн с электронами, можно разработать приборы для усиления электрических колебаний посредством усиления бегущей ультразвуковой волны. Для этого требуются высокоэффективные преобразователи (диффузионные, с p- n-переходом или напыленные). Усилитель на частоту1 ГГц с коэффициентом усиления акустических волн 40 дБ, работающий на продольных акустических волнах, в интегральном исполне-

468

нии имеет вид, показанный на рис. 9.19. На торцах исходного стержня с удельным сопротивлением, достаточным для усиления, путем диффузии индия создаются слои с высокой проводимостью. Эти слои (заштрихованы на рис. 9.19) служат электродами для постоянного поля дрейфа, а также внутренними электродами преобразователей. Такой усилитель имеет размеры 1,28 ´ 0,6 ´ 0,6 мм, мощность рассеяния 3,78 Вт, напряжение питания 220 В, полосу пропускания 300 МГц.

–

–+

U

Рисунок 9.19. Объемный акустоэлектронный усилитель

Новым этапом в развитии акустоэлектроники является -ис пользование поверхностных акустических волн. Поверхностные волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.

Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение этих волн в линиях задержки позволило изменить их габариты. На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие элементы радиоэлектроники. В основу работы этих приборов положено использование упругих релеевских или поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.