Акустоелектроніка

Акустоелектроніка - це напрям функціональної мікроелектроніки, заснований на використанні п'єзоелектричного ефекту, а також явищ, пов'язаних з взаємодією електричних полів з хвилями акустичної напруги в п'єзоелектричному напівпровідниковому матеріалі. По суті, акустоелектроніка займається перетворенням акустичних сигналів в електричних і електричних в акустичних. Звернемо увагу на те, що дане визначення аналогічно визначенню оптоелектроніки, де йдеться про взаємних перетвореннях оптичних і електричних сигналів.

На мал. 10.9, а показана структура елементарного вічка кварцу, SIO, що складається з трьох молекул.j. За відсутності деформації центр тяжіння позитивних і негативних іонів збігається (плюсом відмічені іони кремнію, мінусом - кисню). Стискування кристала у вертикальному напрямі (мал. J0.9, би) наводить до зсуву позитивних іонів вниз, а негативних вгору. Відповідно, на зовнішніх електродах з'являється різниця потенціалів. Розглянуте явище називають прямим п'єзоелектричним ефектом. Існує і зворотний П'єзоефект, коли під дією прикладеної напруги і залежно від його полярності п'єзокристал (кварц, сегнетова сіль, турмалін і ін.) поляризується і змінює свої геометричні розміри. Якщо ж до п’єзокристалу прикласти змінну напругу, то в нім збуджуються механічні коливання певної частоти, залежної від розмірів кристала.

На рис.10.10 показана схема такого підсилювача на об'ємних хвилях. На торцях напівпровідникового звукопроводу (3) розташовані п'єзоелектричні напівпровідникові перетворювачі (П), які з допомогою контактів (К) приєднані з одного боку до звукопроводу, а з іншої - до вхідних і вихідних клем. При подачі на вхід змінної напруги у вхідному пєзостворювачі збуджується акустична хвиля, яка поширюється по звукопроводу. Взаємодія хвилі з рухомими в тому ж напрямі по напівпровідниковому звукопроводу електронами забезпечує її посилення. Для пояснення цього явища розглянемо мал. 10.11. Передбачимо, що в звукопровод вводиться гармонійна подовжня акустична хвиля, рухома із швидкістю Vb- Тиск Р в кристалі при цьому від крапки до крапки міняється. У тих місцях, де кристал стискується (Р> 0), э. д. з (Е) уповільнює рух електронів, а в тих місцях, де розтягується, - прискорює. В результаті цього на початку кожного періоду хвилі утворюються згустки електронів. При Уе> Vb згустки рухаються в гальмівних ділянках хвилі і передають їй свою енергію, чим і забезпечується посилення. Подібні акустоэлектронные підсилювачі можуть давати вихідну потужність сигналу порядка декілька ватів, маючи смугу пропускання до 300 Мгц. Їх об'єм (у мікроелектронного виконання) не перевищує 1 см3.

поверхневих хвилях. Структура такого підсилювача показана на мал. 10.12, а.

потужністю вхідного гратчастого пьезопреобразователя (мал. 10.12, би), напилюваного на поверхню п'єзоелектричного кристала Па, в останньому збуджується акустична хвиля. На деякій ділянці поверхня иьезокристаллаї стикається з поверхнею напівпровідникової пластини, в якій від джерела Е проходит струм. Отже, на ділянці поверхневого контакту пьезо-кристалла і напівпровідника станеться взаємодія акустичної хвилі з потоком електронів. Саме на цій ділянці відбувається акустичне посилення сигналу', який потім знімається у вигляді посиленої змінної напруги з вихідного преобра-зователя, зворотного п'єзоефекту, що працює в режимі.

Гідність ЕАУ поверхневого типа полягає в тому,, що матеріали пьезоэлектрика і напівпровідника можуть бути різними. Перший з ник повинен володіти высокими- п'єзоелектричними властивостями, другий - забезпечувати високу рухливість електронів. В- якості напівпровідникового шару в подібних підсилювачах використовують зазвичай кремнієвий монокристал' я-тииа.толщиной близько' 1 мкм\ вирощений на сапфіровій підкладці эпи.таксиаль-ным. способом. Цей матеріал має питомий опір порядку 100'Ом • см і рухливість носіїв заряду до5О0 см.