Усилители

Во всех ранее рассмотренных устройствах функциональной электроники уровень входного сигнала существенно выше уровня выходного, преобразованного сигнала. Это вполне закономерно, так как значительная часть энергии затрачивается на преобразование одного вида сигнала в другой и обратно, прохождение через звукопровод и т. п. Необходимо встраивать усилители, что является, прежде всего, нетехнологичным.

Решение проблемы усиления сигналов можно найти, более пристально изучая физические процессы при распространении динамических неоднородностей.

Динамические неоднородности в виде ПАВ являются результатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлектриками. Распространение акустических волн сопряжено с распространением волн зарядовой плотности. Усиление акустических волн можно производить как за счет подачи на электроды ВШП большего сигнала, так и за счет " перекачки" энергии из волн зарядовой плоскости в акустические волны. Это явление акустоэлектронного взаимодействия упоминалось ранее. В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал - деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках).

Рис. 2.22 – Схема взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (а), конструкция усилителя на ПАВ (б); 1 - акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля Е₀; 2 - то же в присутствии поля

Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее нос шинное электрическое поле Е₀, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей V_др и скорости звука V_а (рис. 2.22.а).

Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ V_a> V_др=μ E₀ (μ -подвижность электронов), энергия волны поглощается электронным газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ V_др> V_a, происходит перекачка энергии электронов в энер­гию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал. Таким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях различной физической природы можно получить эффект усиления. На основе этого эффекта разработан акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.22.б. С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы используются две континуальные среды.

В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой - электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется путем создания слоистых структур с использованием технологии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, например, на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка сурьмянистого индия толщиной ~500Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (~1000Å) защитной пленкой диоксида кремния. Края полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также CdS, CdSe, ZnS, ZnO, GaAs и другие.

Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.

Акустоэлектронные усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10⁸ Гц с полосой ~10%.

Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие сис