Акустоэлектроника (Доклад)

                      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]