2 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 ( ~ 10⁷см/с);

– величиной и направлением скорости ВПЗ легко управлять путем изменения величины и направления статического электрического поля, приложенного в плоскости полупроводникового слоя;

– проходя через континуальную среду, 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.

Рис. 2 – Схема процессора на ВПЗ для усиления и фильтрации сигналов (а) и его частотная характеристика (б)

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. 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 λ; тогда частота определяется соотношением ω₀=πV₀/d, где V₀ - скорость волны.

Такой процессор одновременно выполняет функцию фильтра с амплитудно-частотнои характеристикой вида sinx/x, причем Δf/f₀≈1/N³, где N-число штырей ВШП (рис. 4.23.б). 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, а следовательно, скоростью дрейфа волн пространственного заряда, расположены одна над другой и разделены тонким слоем диэлектрика.

Рис. 3 – Монолитный конвольер на ВПЗ

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 , 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: .

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 на шину хранения напряжение не подается. Хранящие затворы находятся под плавающим потенциалом и мало влияют на распространение ВПЗ в пролетной области. В этом случае реализуется режим широкополосного усилителя бегущей волны.

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.

Рис. 4 – Запоминающее устройство аналоговых сигналов

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, можно создать 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.