И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Иначе 'акустоэлектронное взаимодействие называют электрон-4ононным взаимодействием. Такое название дано в связи с тем, что ультразвуковые волны и упругие колебания кристаллической решетки можно рассматривать, как и электромагнитные волны, в виде потока квантов энергии. Эти кванты названы фононами. 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 акустоэлектрическим эффектом. Ультразвуковая волна как бы «увлекает» за собой электроны. Ток протекает в направлении распространения звука. На рис. 10.4 показан механизм возникновения так называемого продольного акустоэлектрического эффекта. Через пьезополупроводник проходит ультразвуковая волна от электрода 1 к электролу 2 и между электродами 3 и 4 создается ЭДС Е,ч В германии, кремнии и металлах акустозлектрический эффект незначителен, но он гораздо сильнее выражен в пьеэополупроводниках, к которым относятся, например, сульфид кадмия Сс(В, сульфнд цинка л.пб, антимонид индия 1пЯЬ, арсенид галлия ОаАэ и некоторые другие вещества. При интенсивности звука 1 Вт/см ЭДС достигает нескольких вольт на олин 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 ее энергия поглощается электронами и волна затухает, а если больше, то электроны отдают Кристалл Сг(3 Рис. 10.4. Схема возникновения продольного акустоэлектрвческого эффекта свою знсргию волне и ее амплитуда возрастает, т.
е. происходит усиление волны. Коэффициент усиления может достигать десятков децибел. 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 горизонтальную, когда смещение частиц происходит параллельно границе, но перпендикулярно направлению распространения волны. Чаще всего используются ПАВ с вертикальной поляризацией на границе твердого тела с вакуумом или газом (волны Рэлея). Важнейшие свойства ПА — сравнительно небольшая (1,б — 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 лругие процессы. То же может происходить и при взаимодействии ПАВ с электронами проводимости в пьезополупроводниках.
10.4. ПРИБОРЫ АКУ СТО ЭЛЕКТРОНИКИ В последнее время все более широкое применение получают акустозлектронные приборы на ПАВ. К ним относятся линии задержки, паласовые фильтры, резонаторы, различные датчики и лр. Принцип устройства таких приборов показан на рис. 10«Ь В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития 1лМЬОэ, пьезокварц ЯОэ, германат висмута В(,эОеОго, пьезокерамнка) с тщательно отполирован- 167 Рнс. 10,5. Принцип устройства акустоэлек- тронного прибора на ПАВ ной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной (2) и выходной (3).
Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1— 0,5 мкм. Их называют вспгречно-штырееыми преобразователями (ВШП).. К входному ВШП подключен источник электрического сигнала„и в звукопроводе возникает 'ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал. Основные параметры преобразователей на ПА — вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от устройства ВШП. Обычный ВШП не является однонаправленным. В приборе, показанном на рис. 10.5, только 50 % энергии, излучаемой входным ВШП, идет к выходному ВШП.
Остальная энергия, идущая в других направлениях, теряется. Иначе говоря, рассматриваемый простейший акустоэлектронный прибор вносит большое затухание. Поэтому важной проблемой при создании высокоэффективных акустоэлектронных компонентов является уменьшение вносимого затухания путем рационального конструирования ВШП.
Необходимо также, чтобы преобразование электрических сигналов в акустические и обратно происходило в заданной полосе частот. Это особенно важно для полосовых фильтров и широкополосных линий задержки. Геометрические размеры и форма входного ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустическую волну. Для каждой частоты наиболее эффективное 1б8 преобразование получается при определенных размерах ВШП.
Число штырей ВШП определяет относительную полосу пропускаемых частот. Самая широкая полоса будет при ВШП, состоящем из двух штырей. Чем больше штырей, тем меньше ширина полосы пропускания. Работа преобразователей на ПАВ ухудшается из-за различных вторичных явлений, к которым относится, например, отражение волн от границ звуко- провода и от границ электродов. Это отражение — основная причина искажений выходного сигнала и ухудшения параметров прибора Вредным следует также считать прямое прохождение электрического сигнала с входа на выход и передачу сигнала объемной акустической волной.
При снижении затухания и уменьшении отражений за счет особых конструкций ВШП достигается однонаправленная передача. Линии задержки на ПАВ обычно вносят затухания 0,5 — 1,5 дБ. Верхняя частота, на которой работают такие линии, достигает 2 ГГц. Относительная полоса пропускания может быть весьма различной: от долей процента до 100 %. Длительность задержки в зависимости от расстояния между ВШП и ор конструкции составляет единицы — сотни микросекунд. Задержка может быть фиксированной или регулируемой. На торцы звукопровода обычно наносят звуко- поглощающие покрытия, чтобы уменьшить отражение волн.
Динамический диапазон линий задержки 80 — 120 дБ. Для хорошей работы линии задержки важна температурная стабильность ее параметров. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ), близкий к нулю, получают, либо применяя специальный материал для звуко- провода (например, кремний с примесью фосфора), либо делая звукопровод из двух частей, имеющих ТКЗ разного знака, что создает взаимную компенсацию. Диапазон рабочих температур линий задержки составляет десятки градусов. Для увеличения времени задержки дуть волны делают в виде спирали или ломаной линии либо соединяют последовательно несколько линий задержки.
Регулируемые линии задержки 169 имеют несколько ВШП, расположенных на разных расстояниях. Включая тот или иной ВШП, можно изменять время задержки. Полосовые фильтры на ПАВ, по существу, представляют собой линии задержки с частотно-селективными свойствами. Такие фильтры могут быть сделаны на различные рабочие частоты и полосы частот.
В узкополосных филътрах относительная полоса частот может быть в пределах 0,01 — 1,. Сверх- узкополосные и сверхширокополосные фильтры имеют высокую избирательность. Вносимое затухание не более 3 дБ. Для повышения избирательности иногда применяют каскадное включение нескольких фильтров. Размеры электродов у фильтров на частоты 1 — 2 ГГц составляют единицы микрометров и менее. Подобные микрофильтры изготовляются методами фото-, рентгеновской или электронно-лучевой литографии. Параметры фильтров на ПАВ не хуже, чем у ЬС-фильтров.
В некоторых случаях фильтры на ПАВ обладают преимуществами. Так, например, в усилителях промежуточной частоты телевизионных приемников должны быть точно настроены фильтры. Это проще сделать с фильтрами на ПАВ, а не с ЬС- фильтрами. Кроме того, производство фильтров на ПАВ легче автоматизировать. 11.1.
ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Работа приборов и элементов магннтоэлектроники основана на явлениях электромагнетизма и электромагнитной индукции. Это, например, намагничивание, перемагничивание и размагничивание сердечников импульсными или непрерывными токами, возникновение ЭДС в движущемся проводнике под действием магнитного поля и т. д. Методы магннто- Помимо линий задержки и полосовых фильтров применяются еше многие другие приборы на ПАВ. Различные внешние воздействия на звукопровод изменяют условия распространения в нем ПАВ, и по этому принципу могут быль построены различные датчики.
Под действием механических сил звукопровод растягивается или изгибается, и от этого изменяется время задержки. Кроме того, механические воздействия изменяют плотность и упругость звукопровода, и тогда изменяется скорость распространения волн, Она зависит также и от температуры. На этом основаны датчики для измерения силы, давления, температуры. Имеется еще много различных акустоэлектронных приборов. Можно осуществить аттенюатор на ПАВ, если изменять давление на звукопровод, а значит, и вносимое звукопроводом затухание. Различные типы фильтров на ПАВ применяют для обработки и формирования сложных фазо- и частотно- модулированных сигналов. Возможно осуществить фильтры с регулируемой полосой пропускання.
Перспективы применения акустоэлектронных приборов непрерывно расширяются. Разрабатываются новые виды пъезокерамики для звукопроводов. Постепенно улучшаются параметры приборов и уменьшается их стоимость. ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ МЛГИИТОЭЛЕКТРОНИ КА электроники служат для различных преобразований импульсных и непрерывных сигналов. Во многих устройствах магнитоэлектроники применяются магнитные элементы с гистерезисными свойствами.
Таковы, например, магнитные двоичные ячейки (МДЯ). В них используются магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистереэиса 1ППГ), показанной на рис. 11.1. Эти ячейки служат для запоминания информации, выраженной Рис. 11.1. Прямоугольная петля гистерсзиса в цифровой двоичной системе, или для выполнения различных логических операций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
