12.3. Функциональная электроника -перспективное направление в микроэлектронике

На протяжении многих лет наблюдалась устойчивая тенденция экспоненциального роста степени интеграции. Однако за послед­ние годы в связи с рядом рассмотренных ранее проблем произош­ло снижение темпа роста степени интеграции. Анализ современ­ных проблем обработки информации показывает, что, даже выйдя на предельные показатели, схемотехническая электроника не все­гда сможет удовлетворить современным требованиям. Ряд задач, таких как распознавание образов, синтезирование конструкций, уп­равление базой знаний, создание системы искусственного интел­лекта не могут быть успешно решены в рамках существующих мик­роэлектронных систем обработки больших информационных мас­сивов. Надежды возлагаются на применение элементов и прибо­ров функциональной электроники.

В функциональной электронике (ФЭ) работа схемы осуществ­ляется за счет использования различных физических явлений в средах. В схемотехнической электронике носителем информации является электрическое состояние некоторой схемотехнической ячейки, а перемещение информации от одной ячейки к другой осу­ществляется последовательно путем многократных преобразова­ний типа потенциал – заряд – ток – потенциал. В функциональной электронике носителем информации является локальная неодно­родность в некоторой протяженной однородной среде. Эти неоднородности называют динамическими, потому что они могут возни­кать в объеме твердого тела с помощью различных физических яв­лений, могут перемещаться, изменять форму, состояние, взаимо­действовать с другими неоднородностями. Известны различные типы динамических неоднородностей, отличающихся размерами, формой, временем жизни, объемом содержащейся информации и т.п. На их основе можно создать приборы, позволяющие обрабаты­вать информацию в цифровой или аналоговой форме.

Существует ряд направлений функциональной электроники: акустоэлектроника, магнитоэлектроника, криоэлектроника, оптоэлектроника и др.

Функциональная электроника (термин нельзя назвать удачным) возникла на стыке электроники, вычислительной техники, материа­ловедения и других направлений. Современное ее развитие нахо­дится на первом этапе, который имеет следующие особенности.

В существующих устройствах функциональной электроники применяется одна среда, например полупроводник в устройствах ФЭ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), пьезоэлектрик в при­борах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), галлий-гадолиниевый гранат в устройствах ФЭ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). При этом используются давно известные эффек­ты и явления: в ПЗС – эффект поля (как и в полевых транзисто­рах), в устройствах на ПАВ – прямой и обратный пьезоэлектричес­кий эффект и т.д. Приборы на ПАВ, ПЗС и ЦМД рассматриваются ниже в этой главе.

Особенностью первого этапа развития функциональной элект­роники является также то, что большинство устройств ФЭ рассчи­тано пока для работы с цифровыми устройствами микроэлектрони­ки и поэтому требуется обязательное их сопряжение со схемотех­ническими устройствами, использующими двоичный код.

12.4. Элементы функциональной электроники на поверхностных акустических волнах

Приборы для преобразования и обработки сигналов, основан­ные на использовании ПАВ, относятся к устройствам, которые изу­чает акустоэлектроника. Акустоэлектронные устройства использу­ют электрические и высокочастотные акустические сигналы. Акустический сигнал представляет собой волну упругих механических возмущений, распространяющихся в твердом теле со скоростью звука (примерно 10⁵ см/с). Для преобразования электрического сигнала в акустический и обратно используют обратный и прямой пьезоэлектрический эффект. Устройства акустоэлектроники во многих случаях могут быть выполнены методами планарной техно­логии и подобны интегральным схемам. Основные физические принципы акустоэлектронного взаимо­действия следующие.

При изучении физических процессов в акустоэлектронных уст­ройствах рассматривается взаимодействие между ультразвуковы­ми волнами с частотой от 10⁷ до 10¹³ Гц со свободными электронами в металле или полупроводнике. В твердом теле за счет положитель­ных и отрицательных ионов создаются электрические поля, имею­щие довольно большую напряженность (до 10⁸ В/см). Когда ультра­звуковые волны проходят через твердое тело, они вызывают коле­бания кристаллической решетки. При этом изменяются напряженность внутрикристаллических полей и, следовательно, изменяется влияние этих полей на свободные электроны. Ультразвуковые вол­ны и упругие колебания кристаллической решетки рассматриваются как поток квантов энергии (фононов). В результате электрон-фононного взаимодействия энергия звуковых волн передается свободным электронам. Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называется акустоэлектрическим эффектом. Особенно этот эффект проявляется в пьезо-полупроводниках (арсениде галлия GaAs, антимониде индия InSb). Если под действием внешнего электрического поля в кристалле соз­дается дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, то при различном соотношении между скоростью дрейфа электронов и скоростью распространения волны можно получить либо ослабление, либо усиление звуковой волны. Если скорость дрейфа меньше скорости волны, то энергия волны поглощается электронами и волна затухает, если скорость дрейфа больше скоро­сти волны, то электроны отдают ей свою энергию, амплитуда волны возрастает, происходит усиление звуковой волны. Аналогичное вза­имодействие происходит в лампах бегущей волны (см. гл. 16).

Акустоэлектрический эффект вызывается действием объем­ных ультразвуковых волн, которые распространяются в твердом теле, либо поверхностных акустических волн (ПАВ), которые рас­пространяются в поверхностном слое пьезокристалла. Толщина этого слоя имеет порядок длины волны (, где– скорость распространения звуковой волны,f – частота).

Основные особенности ПАВ:

• небольшая скорость распространения (1,6...4 км/с) и, следо­вательно, малая длина волны;

• распространение в виде направленного луча;

• возможность взаимодействия с планарными пленочными структурами;

• возможность преобразования в электрический сигнал и обратно;

• с помощью отражателей и специальных ответвителей ПАВ можно направить по сложной траектории, изменить направление распространения волны.

ПАВ могут иметь вертикальную поляризацию, когда смещение частиц происходит в волне пер­пендикулярно границе, или горизонтальную, ког­да смещение частиц происходит параллель­но границе, но всегда перпендикулярно направлению распространения волны.

Акустоэлектрические приборы на ПАВ получили широкое рас­пространение. К ним относятся линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики и т.п. В акустоэлектрических приборах на ПАВ происходит преобразование электричес­ких сигналов в акустические и, наоборот, с помощью специальных преобразователей – штыревых металлических электродов, рас­положенных на звукопроводе. Принцип устройства простейшего акустоэлектрического прибора на ПАВ показан на рис. 12.4. Вход­ной штыревой преобразователь 2 служит для преобразования электрического сигнала, подводимого от генераторае, в акустиче­ский сигнал (обратный пьезоэлектрический эффект). Этот эффект заключается в механической деформации пьезокристалла (звукопровода) под действием внешнего электрического поля. В случае синусоидального электрического сигнала в звукопроводе возни­кает и распространяется ПАВ. Выходной преобразователь 3 слу­жит для преобразования акустического сигнала в электрический (прямой пьезоэлектрический эффект): при периодической дефор­мации кристалла появляются разделенные заряды противополо­жных знаков, что вызывает появление переменного электрическо­го поля между электродами. К выходному преобразователю под­ключена нагрузка . Обычно преобразователи выполняют в виде двух гребенчатых, «вложенных» друг в друга электродов (встреч­но-штыревые преобразователи) из тонкой металлической пленки толщиной 0,1...0,5 мкм. Звукопровод 1 представляет собой пла­стину или стержень из пьезоматериала, на котором располагают­ся преобразователи.

ПАВ могут генерироваться, направляться и регистрироваться с помощью тонкопленочных структур, которые создаются на по­верхности пьезокристаллической подложки, что позволяет ис­пользовать технологические методы микроэлектроники. Следует отметить, что наибольшую интенсивность возбуждения ПАВ мож­но получить при выполнении условия акустического синхронизма (когда длина волны сигнала соответствует пространственному периоду решетки преобразователя). Изменяя число электродов, их пространственный период, длину, ширину и т.д., можно полу­чить различные амплитудно-частотные характеристики встречно-штыревого преобразователя. Простота реализации разнооб­разных частотных характеристик встречно-штыревого преобразо­вателя и предопределяет широкое его применение при получении фильтров на ПАВ.