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.
