Приборы и методы функциональной микроэлектроники. Учебное пособие

УДК 621.38 (075.8)

ББК 32. 845я73 К289

Печатается по решению кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета (протокол № 6 от 30 января 2018 г.)

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой радиоэлектроники Донского государственного технического университета

М. Ю. Звездина

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики Южного федерального университета Г. Ф. Заргано

Касьянов, А. О.

К289 Приборы и методы функциональной микроэлектроники : учебное пособие / А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ро- стов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 99 с.

ISBN 978-5-9275-2861-5

Излагаются физические основы такого современного бурно развивающегося направления науки и техники, как функциональная микроэлектроника в части акустоэлектроники и обработка сигналов с помощью упругих волн, распространяющихся в пьезоэлектрических кристаллах. Показано, что развитие акустоэлектроники связано с разработкой сверхминиатюрных устройств, предназначенных для формирования, фильтрации и аналоговой математической обработки сигналов. Несмотря на то, что возможность и целесообразность использования упругих волн для обработки сигналов обусловлено их низкой скоростью по сравнению со скоростью света, большинство вопросов, подробно рассмотренных в данном пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые были практически недоступны студентам.

Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисциплинарный характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам: «Электроника» и «Специальные радиоэлектронные устройства».

Предназначено для студентов специальности 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки – 11.05.02 «Инфокоммуникационные технологии».

УДК 621.38 (075.8)

ББК 32. 845я73

ISBN 978-5-9275-2861-5

©Южный федеральный университет, 2018

©Касьянов А. О., 2018

©Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2018

1.3.4.ПАВ Релея в пьезоэлектрических кристаллах…………...…. 40

1.3.5.Распространение волн релеевского типа в тонких слоях….. 44

1.3.6.Отражения ПАВ от разрывов поверхности…………...……. 47

2.ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УПРУГИХ ВОЛН…….………. 54 2.1. Встречно-штыревые преобразователи для поверхностных

2.3.1.Физические основы работы……………....…………………. 64

2.3.2.Методика проектирования аподизированного ВШП………. 65

3

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ПАВ – поверхностные акустические волны ДСК – дифференциальная сканирующая калориметрия ВШП – встречно-штыревой преобразователь АЧХ – амплитудно-частотная характеристика ФЧХ – фазочастотная характеристика ЛЗ – линия задержки ПР – потери при распространении

АЛЗ – акустические линии задержки АГ – акустический генератор ФВ – фазовращатель КО – коэффициент отражения

АКФ – автокорреляционная функция СФ – согласованный фильтр ЛЧМ – линейно-частотная модуляция

ППФ – прямое преобразование Фурье ФЧХ – фазочастотная характеристика ЧМ – частотная модуляция УБЛ – уровень боковых лепестков

УБЛ ДН – уровень боковых лепестков диаграммы направленности ДЛЗ – дисперсионная линия задержки КО – коэффициент отражения ЧХ – частотная характеристика ПП – полосы пропускания АМ – амплитудная модуляция

ЭМВ – электромагнитная волна СВЧ – сверхвысокие частоты УКВ – ультракоротковолновый

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшие проблемы современного радиоаппаратостроения – надежность, экономичность, стоимость разрабатываемых систем – успешно решаются путем возрастания схематической, технологической, конструктивной интеграции элементов. Рост функциональной и конструктивной сложности аппаратуры постоянно уравновешивается увеличением степени интеграции микросхем, микроузлов, микроэлектронной аппаратуры в целом. При этом сохраняется принцип создания узлов и блоков аппаратуры в виде электрических схем из стандартных радиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.). Однако увеличение степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенный физический предел. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой.

Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально

новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придают такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой пункции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется.

Таким образом, можно дать следующие определения. Функциональная микроэлектроника – направление электроники, ис-

пользующее физические явления, позволяющие с помощью достаточно простых («неразборных») структур осуществлять функции, обычно реализуемые с помощью сложного многоэлементного узла.

Устройство функциональной электроники (функциональная микросхема) представляет собой электронный прибор, осуществляющий обработку сигналов (усиление, хранение или преобразование) на основе движения физических носителей информации в активной среде с динамически изменяемыми параметрами. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены (ЦМД), пакеты волн различной природы.

6

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ

За последние полвека возникло и бурно развивается одно из направлений функциональной микроэлектроники, образовавшееся на стыке акустики, физики твердого тела и микроэлектроники, – акустоэлектроника. Из многочисленных устройств акустоэлектроники наиболее интенсивно разрабатываются устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Причем техника ПАВ не только разрабатывается, но и заявила о себе рядом промышленно освоенных устройств. Трудно перечислить все области применения ПАВ, в первую очередь – это области техники, развитие которых обусловлено использованием многообразных операций преобразования и аналоговой обработки сложных радиосигналов в реальном масштабе времени, такие как радиоэлектроника, информатика, телевидение и связь. В современных информационных системах акустоэлектронные устройства уже применяются для синтеза, преобразования и усиления сигналов, хранения информации, частотной фильтрации, спектрального и корреляционного анализов.

Область технических применений ПАВ стремительно развивается. Это стимулируется как общей тенденцией микроминиатюризации сложных электронных схем, так и уникальными свойствами поверхностных акустических волн. Чрезвычайно низкая скорость распространения и, следовательно, очень малая длина волны этих акустических волн по сравнению с такими же характеристиками электромагнитных волн, а также локализация акустических волн в приповерхностном слое делают ПАВ незаменимыми в микроволновой технике, где для получения тех же характеристик ранее применялись весьма громоздкие системы. Поэтому устройства на ПАВ в области частот от диапазона УКВ (десятки мегагерц) до диапазона низких СВЧ (сотни мегагерц) очень практичны и, кроме того, имеют чрезвычайно малые размеры и массу при высокой механической прочности и надежности.

При изготовлении устройств на ПАВ используются те же прогрессивные технологические методы, что и в производстве планарных микросхем – термовакуумное осаждение тонких пленок, методы прецизионной фотолитографии, микрофотонабор и другие. Схемная, конструктивная и технологическая совместимость устройств на ПАВ с планарными микросхемами определяет перспективы их внедрения в микроэлектронную аппаратуру.

9