2.2.3. Генераторы на пав
Акустоэлектронный генератор является активным акустоэлектронным устройством, предназначенным для генерации акустических сигналов.
Различают два типа генераторов на ПАВ в зависимости от используемого стабилизирующего элемента. В первом типе используется ПАВ-линия задержки, включенная в цепь положительной обратной связи усилителя (рис. 2.25, а).
Линия задержки позволяет возбудить колебания на частотах , определяемых соотношением = 2Va / L, где L - длина линии задержки.
Рис. 2.25. ПАВ-генератор на основе ЛЗ (а) и его спектральная характеристика (б); на основе резонатора (в) и его спектральная характеристика (г); 1 - ВШП; 2 - отражательные структуры;
3 - усилитель; 4 - подложка
Для получения одномодового режима необходимо строгое выполнение соотношения L = п, где - длина звуковой волны, п - целое число. Частота генераций может быть изменена за счет изменения скорости ПАВ в резонирующей полости или введением фазового сдвига во внешней цепи. Спектральные характеристики генератора на ЛЗ приведены на рис. 2.25, б.
В генераторе второго типа в качестве стабилизатора частоты используется ПАВ-резонатор с одним входом (рис. 2.25, в). Усилитель подключается между разнополярными шинами преобразователя. Селективные свойства генератора определяются размерами резонирующей полости и параметрами отражательной структуры. Добротность ПАВ-резонаторов составляет около 104 и это позволяет создавать конкурентоспособные генераторы. В одновходовых генераторах возникают трудности с перестройкой частот. Линейная модуляция в таких генераторах обеспечивается в очень узкой полосе.
У генераторов этого типа шумовые характеристики лучше, чем у генераторов на ПАВ ЛЗ. На рис. 2.22, г приведены спектральные характеристики генератора на ПАВ-резонаторе.
Оба типа генераторов могут работать на основных частотах от 107 до 109 Гц без использования дополнительных схем умножения частоты.
Анализ показал, что важным преимуществом генераторов на ПАВ является возможность частотной модуляции, а также заданный переход к нужным частотам при условии сохранения стабильности частоты: кратковременной 10-9 с-1, долговременной 10-6 год-1 и температурной около 10-6 °С-1 в диапазоне до + 50 °С. Такие генераторы могут быть использованы в радиолокационных системах, дальномерах на основе доплеровского сдвига частоты, а также в стандартных радиотехнических устройствах.
2.2.4. Усилители
Усилители представляют собой акустоэлектронное устройство, предназначенное для усиления акустических сигналов.
Во всех ранее рассмотренных устройствах функциональной электроники уровень входного сигнала существенно выше уровня выходного, преобразованного сигнала. Это вполне закономерно, т. к. значительная часть энергии затрачивается на преобразование одного вида сигнала в другой и обратно, прохождение через звукопровод и т. п. Для сохранения уровня сигнала необходимо встраивать усилители, что приводит к значительным технологическим трудностям.
Решение проблемы усиления сигналов можно найти, более пристально изучая физические процессы при распространении динамических неоднородностей. Ранее уже указывалось, что 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, широко используемое в конструкциях усилителей.
В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал - деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле E0, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей Vдр и скорости звука Vа (рис. 2.26, а).
Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ Va > Vдр = E0 ( - подвижность электронов), энергия волны поглощается электронным газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ Vдp > V 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. Исследовались конструкции усилителей на основе этого эффекта. В частности акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.26, б.
Рис. 2.26. 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 E0; 2 - то же в присутствии поля
С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены 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 антимонида индия толщиной около 500 Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (порядка 1000 Å) 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 др.
Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи рабочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем электрические токи. Если теперь приложить постоянное электрическое поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупроводнике в направлении распространения ПАВ, то носители заряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазовую скорость ПАВ.
Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.
На основе использования явления взаимодействия ПАВ с носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структурах разработаны акустоэлектронные усилители.
На рис. 2.27 показано устройство акустоэлектронного усилителя на поверхностных волнах.
На сапфировой подложке 3 в пространстве между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристаллический слой кремния n-типа 2 толщиной около 1 мкм. У краев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода дрейфового напряжения Uдр. Между акустической подложкой 4 и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усиливаемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 20 нм – для 1 ГГц). Такие усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэффициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ.
Рис. 2.27. Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:
1 – воздушный зазор; 2 – кремниевая пленка;
3 – сапфировая подложка; 4 – акустическая подложка
Анализ показал, что акустоэлектронные усилители могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10 Гц с полосой порядка 10 %.
Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы.
В настоящее время разработка функциональных акустоэлектронных устройств достигла такого уровня, что они способны заменить отдельные схемотехнические устройства при работе в реальном масштабе времени с выигрышем не только по потребляемой энергии и надежности, но также по стоимости габаритам и стоимости. Однако на пути широкой практической реализации этих приборов стоят еще значительные технологические трудности.