Реферат: Акустоэлектроника (Доклад)
Реферат: 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
|