МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Радиофизический факультет
Кафедра радиоэлектроники
Реферат
по курсу “Основы микроэлектроники”
на тему: “Акустоэлектроника”
Выполнил:
студент гр.
Руководитель:
Днепропетровск – 1998
Акустоэлектроника – это направление функциональной микроэлектроники,
основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта, а также явлений,
связанных с взаимодействием электрических полей с волнами акустических
напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале. По существу,
акустоэлектроника занимается преобазованием акустических сигналов в
электрические и электрических в акустические. Обратим внимание на то, что
данное определение аналогично определению оптоэлектроники, где речь идет о
взаимных преобразованиях оптических и электрических сигналов.
На рис. 1, а показана структура элементарной ячейки кварца, состоящей
из 3х молекул диоксида кремния. При отсутствии деформации центр тяжести
положительных и отрицательных ионов совпадает (плюсом отмечены ионы
кремния, минусом – кислорода). Сжатие кристалла в вертикальном направлении
(рис. 1, б) приводит к смещению положительных ионов вниз, а отрицательных
вверх. Соответственно, на наружных электродах появляется разность
потенциалов. Рассмотренное явление называют прямым пьезоэлектрическим
эффектом. Существует и обратный пьезоэффект, когда под действием
приложенного напряжения и в зависимости от его полярности пьезокристалл
(кварц, сегнетова соль, турмалин и др.) поляризуется и изменяет свои
геометрические размеры. Если же к пьезокристаллу приложить переменное
напряжение, то в нем возбуждаются механические колебания определенной
частоты, зависящей от размеров кристалла.
Явления прямого и обратного пьезоэффекта известны давно. Однако лишь
в последние годы, благодаря развитию полупроводниковой техники и
микроэлектроники, удалось создать качественно новые акустоэлектронные
функциональные устройства.
Одним из основных приборов акустоэлектроники является
электроакустический усилитель (ЭАУ). На рис. 2 показана схема такого
усилителя на объемных волнах. На торцах полупроводникового звукопровода (З)
расположены пьезоэлектрические преобразователи (П), которые с помощью
омических контактов (К) присоединены с одной стороны к звукопроводу, а с
другой – к входным и выходным клеммам. При подаче на вход переменного
напряжения во входном пьезопреобразователе возбуждается акустическая волна,
которая распространяется по звукопроводу. Взаимодействие волны с
движущимися в том же направлении по полупроводниковому звукопроводу
электронами обеспечивает ее усиление. Рассмотрим это явление. Предположим,
что в звукопровод вводится гармоническая продольная акустическая волна,
движущаяся со скоростью Vв. Давление в кристалле при этом от точки к точке
меняется. В тех местах, где кристалл сжимается, пьезо-э. д. с. замедляет
движение электронов, а в тех местах, где растягивается, – ускоряет. В
результате этого в начале каждого периода волны образуются сгустки
электронов. При Vэ > Vв сгустки движутся в тормозящих участках волны и
передают ей свою энергию, чем и обеспечивается усиление. Подобные
акустоэлектронные усилители могут давать выходную мощность сигнала порядка
нескольких ватт, имея полосу пропускания до 300 МГц. Их объем (в
микроэлектронном исполнении) не превышает 1 см3.
Основным недостатком объемных ЭАУ является сравнительно большая
мощность, рассеиваемая в звукопроводе. Более перспективными в этом
отношении являются ЭАУ на поверхностных волнах. Структура такого усилителя
показана на рис. 3, а. С помощью входного решетчатого преобразователя (рис.
3, б), напыляемого на поверхность пьезоэлектрического кристалла Пэ, в
последнем возбуждается акустическая волна. На некотором участке поверхность
пьезокристалла соприкасается с поверхностью полупроводниковой пластины, в
которой от источника Е проходит ток. Следовательно, на участке
поверхностного контакта пьезокристалла и полупроводника произойдет
взаимодействие акустической волны с потоком электронов. Именно на этом
участке происходит акустическое усиление сигнала, который затем снимается в
виде усиленного переменного напряжения с выходного преобразователя,
работающего в режиме обратного пьезоэффекта.
Достоинство ЭАУ поверхностного типа состоит в том, что материалы
пьезоэлектрика и полупроводника могут быть разными. Первый из них должен
обладать высокими пьезоэлектрическими свойствами, второй – обеспечивать
высокую подвижность электронов. В качестве полупровдникового слоя в
подобных усилителях используют обычно кремниевый монокристалл n-типа
толщиной около 1 мкм, выращенный на сапфировой подложке эпитаксиальным
способом. Этот материал имеет удельное сопротивление порядка 100 Ом(см и
подвижность носителей заряда до 500 см2/(В(с). Длина рабочей части
поверхностного ЭАУ составляет примерно 10 мм, ширина 1.25 мм, потребляемая
мощность постоянного тока порядка 0.7 Вт.
Акустоэлектронные устройства являются весьма перспективными, особенно
для широкополосных схем и схем сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
Литература
1. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища
школа, 1989, 423 с.
Приложение
[pic]
[pic]
[pic]