Акустоэлектроника

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