Физические основы акустоэлектроники

Акустоэлектроника - сравнительно новая область электроники, посвященная теории и практике создания устройств, основанных на акустоэлектронном взаимодействии и служащих для преобразования и обработки сигналов. Это могут быть преобразования временнЫе (например, задержка сигналов или изменение их длительности), частотные и фазовые (например, преобразование частоты и спектра, фазовый сдвиг), амплитудные (усиление и модуляция), такие сложные преобразования, как кодирование и декодирование, интегрирование и т. п. В ряде случаев акустоэлектронные методы более удобнее обычных, чисто электронных, а иногда даже единственно пригодны. На основе акустоэлектронного взаимодействия могут быть созданы пассивные устройства, например линии задержки, фильтры, и активные - усилители, генераторы, модуляторы и др.

В акустоэлектронике для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно широко используется прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Другими словами, акустоэлектроника тесно связана с пьезоэлектроникой. Устройства акустоэлектроники сравнительно просты для изготовления и во многих случаях могут быть выполнены методами, применяемыми в микроэлектронике, в частности методами планарной технологии. Разберем физические принципы акустоэлектронного взаимодействия.

Акустоэлектронное взаимодействие - взаимодействие ультразвуковых волн частотой от 10⁷ до 10¹³ Гц с электронами проводимости в металлах или полупроводниках. Ультразвуковые волны, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутрикристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что электрические поля, созданные положительными и отрицательными ионами в промежутках между атомами и молекулами кристаллической решетки, не скомпенсированы, а напряженность могут иметь большую - 10⁸ В/см и более.

Действие ультразвуковых волн состоит в том, что они вызывают колебания кристаллической решетки, а это приводит к изменению напряженности внутрикристаллических полей, которые, в свою очередь, изменяют свое действие на электроны проводимости. Ещё акустоэлектронное взаимодействие называют электрон-фононным взаимодействием. Так называется потому, что ультразвуковые волны и упругие колебания кристаллической решетки можно рассматривать, как и электромагнитные волны, в виде потока квантов энергии. Эти кванты названы фононами (не путать с фотонами). Распространение звуковых волн в кристаллах представляет собой поток фононов. Энергия звуковых волн (энергия фононов) передается электронам проводимости, т. е. происходит так называемое электронное поглощение.

Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называют акустоэлектронным эффектом. Ультразвуковая волна как бы "увлекает" за собой электроны. Ток протекает в направлении распространения звука. На рис. 1 показан механизм возникновения так называемого продольного акустоэлектрического эффекта.

Рис. 1 - Возникновение продольного акустоэлектрического эффекта

Через пьезополупроводник проходит ультразвуковая волна от электрода 1 к электроду 2 и между электродами 3 и 4 создается ЭДС Е_аэ. В германии, кремнии и металлах акустоэлектрический эффект незначителен. Зато он гораздо сильнее выражен в пьезополупроводниках, к которым относятся, к примеру, сульфид кадмия CdS, сульфид цинка ZnS, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs и некоторые другие вещества. При интенсивности звука 1 Вт/см² ЭДС достигает нескольких вольт на один сантиметр расстояния между электродами 3 и 4.

При воздействии на кристалл внешнего электрического поля, создающего дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, возможны два случая преобразования: если скорость дрейфа электронов меньше скорости волны, то её энергия поглощается электронами и волна затухает, а если больше, то электроны отдают свою энергию волне и её амплитуда возрастает, т. е. происходит усиление волны. Коэффициент усиления может достигать десятков дБ.

Акустоэлектрический эффект вызывается действием либо объемных ультразвуковых волн в толще звукопровода, либо поверхностных акустических волн (ПАВ). Это упругие волны, распространяющиеся по свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другой средой и затухающие при удалении от границы. Волны ПАВ могут иметь вертикальную поляризацию, когда смещение частиц в волне происходит перпендикулярно границе, или горизонтально, когда смещение частиц происходит параллельно границе, но перпендикулярно направлению распространения волны. Чаще всего испльзуются ПАВ с вертикальной поляризацией на границе твердого тела в вакуумом или газом (волны Рылея).

Важнейшие свойства ПАВ - сравнительно небольшая (1,6-4,0 км/с) скорость распространения и возможность взаимодействия с планарными структурами в виде пленок на поверхности звукопровода. Этим обеспечивается преобразование ПАВ в электрический сигнал и обратно, а также изменение направления распространения волн, их отражение, усиление, затухание и другие процессы. То же может происходить с электронами проводимости в пьезополупроводниках.