Акустоэлектроника (Доклад)

Рефераты по радиоэлектронике » 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