Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 132
Текст из файла (страница 132)
Будущее науки. Международный ежегодник Мл Знание, 1975. 4 Щука А. А. Функциональная электроника. Учебник для вузов. — Мл МИРЭА, 1998. 2. Функциональная акустоэлектроника 2.1. Физические основы Функ11нолсмьнал акусзпоэлектроннка является направлением функциональной электроники, в котором исследуются акустозлектронные эффекты и явления в различных континуальных срелах, а так>хе возможность создания приборов и устройств электронной техники для обработки, передачи и хранения информации с использованием динамических неоднородностей акустической и гиви) акустозлектронной, акустооптической природы. К акустоэлектронным явлениям и эффектам относятся: С) генерация, распространение, преобразование и детектирование объемных ГОАВ) и поверхностных акустических волн 1ПАВ); О преобразование электрического сигнала в акустический и обратна; ~) электронное поглощение и усиление акустических волн; С) акустоэлектронные и акустомагнитные эффекты; О нелинейные акустоэлектронные явления; генерация гармоник, акустоэлектронные домены, параметрическое и супергетеродипное усиление звука; 'ьз взаимодействие света и звука в твердых телах, дифракция,модуляция и сканирование света звуком.
Исследования этих явлений и эффектов показывают, что с их помощью возможна генерация динамических неоднородностей волновой и доменной природы, которые широко используются в процессорах сигналов и устройегвах памяти для обработки и хранения информации, 2.1.1. Динамические неоднородности В функциональной электроникс используются динамические неоднородности акустической, акустоэлекгронной или акустооптической природы. В твердом теле могут возбужлаться акустические волны, представляющие собой упругое возмущение вследствие деформации материала. Такие деформации имеют место при движении отдельных атомов и сопряжены с изменением расстояний между ними.
При этом возникают внутренние упругие силы, стремяшиеся вернуть материал в исходное состояние. Колебания атомов происходят вблизи положения равновесия, и при этом генерируется волна механического напряжения и растяжения. Скорость распространения акустической волны лежит в пределах [1,5 — 4,0)х10 м)с. Диапазон частот акустических волн находится в интервале от несколь«их герц до 1О 1'ц, а их распространение сопровождается переносом энергии, Различают и продольные и сдвиговые волны в зависимости от характера движения частиц (рис. 2.1). Если размеры звукопровола намного больше длины акусгической волны, то в нем могут 'распространяться объемные акустические волны.
Часть )К Функциональная электроника БРВ а) б) Рис. 2л. Акустические волны продольного 1а) и сдвигового (Б) типов Если же среда, в которой распространяются волны, является ограниченной, то на распространение волн существенное влияние оказывают граничные условия. В однородной среде со свободной плоской поверхностью существуют поверхностные акустические волны (ПАВ), По вектору поляризации волн ПАВ бывают двух типов: для вертикальной поляризации характерно расположение вектора колебательного смещения частицы среды в перпендикулярной границе плоскости; для горизонтальной поляризации вектор смещения частицы среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.
ПАВ являются направленными волнами, другими словами, их амплитуда зкспоненциально убывает с глубиной. Поэтому - 90% переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной не более одной длины волны. Доступность волнового фронта позволяет эффективно >правлять распространением ПАВ на всем протяжении звукопровода. В устройствах на ПАВ используются УЗ-волны в диапазоне от 19 МГц до 1О ГГц.
Простейшим типом ПАВ являются волны с вертикальной поляризацией. Распрошраняющиеся вдоль границы твердого тела с вакуумом. Это так называемые волны Рэлвя (рис. 2.2,а). Энергия рэлеевских волн локализована в приповерхностном слое звукопр'> вола с~, = )н, где )., — длина акустической волны. Волны Рэлея не ооладают дисперсией, т. е. скорость их распространения не зависит от частоты, Вдоль границы двух твердых тел могут распространяться волны Геоунли, состоящие как бы из двух рэлеевских волн, К волнам с горизонтальной поляризацией относятся волны Лава (рис.
2.2, б) Это сдвиге вые волны, существующие в тонком слое на поверхности твердого тела. Волны Лява об лапают дисперсией и локазизуются в слое, толщина которого т)л й )., Исследованы чисто сдвиговые волны, не обладающие дисперсией!Рис. 2.2, в). Эти вол волны получили название волн Гуллвва — Блюштейна. Они могут существовать на свобод о ной тки паз поверхности пьезоэлектрических кристаллов. Глуоина их проникновения в десятки Р избе- превышает длинУ акУстической волны Гт)л» ).,). ПРименение таких волн позволЯет и остРа жать тщательной обработки поверхности материала. Важной особенностью рас11рос Р альных пения динамических неоднородностей акустической природы (ПАВ) в континуал генера средах с различными физическими свойствами является существуюшии эффект ге Р тоэлекции динамических неоднородностей другой природы.
Вследствие явления акусто троны тронного взаимолействия происходит воздействие акустической волны на электр 2, Функциональная акусгоалектроника бгр проводимости в твердых телах. Результатом такого воздействия яв.тяется оомен энергией н импульсом между акустической волной и электронами проводимости.
Например, передача энергии акустической волны электронам приводит к электронному поглощению звука, а передача импульса акустической волны стимулирует возникновение электрического тока. Возможно явление усиления звука за счет стимулированного дрейфа электронов в твердом теле и частичной передачи энергии акустической волне. а) б) в) Рис. 2.2. Поверхностные акустические волны различных типов. в — волны Рзлвя, б — волны Лявв, в — волны Гуляева — Блюкштвина Возникающая при распространении акустической волны деформация вызывает в пьезоматериалах переменное электрическое поле, амплитуда и фаза которого находятся в прямой зависимости от объемного заряда электронов проводимости (прямой пьезоэффект). В свою очередь это поле вызывает деформацию кристалла и соответственно изменение характера распространения волны (обратный пьезоэффект).
Акустическая волна генерирует волны электрических полей. В местах, где кристалл сжимается волной, наведенное электрическое поле замедляет движение электронов, а в местах растягивания кристалла волной наблюдается ускорение электронов за счет внутреннего электрического поля. Под лейстаием этих полей носители стремятся сгруппироваться в областях с минимумом потенциальной энергии. Возникают затухающие волны объемного заряда, несколько запаздывающие по отношению к акустической волне (рис.
2.3, а). Волны объемного заряда Часть )К Функциональная электроника представляют собой динамические неоднородности электрической природы, стимулиро. ванные ПАВ. Если звукопровод поместить в постоянное электрическое поле Еь то возникает дрейф электронов со скоростью )и= Нбэ где Н вЂ” — подвижность электронов. В случае, когда )к», > )т„ы (К вЂ” фазовая скорость рас пространения акустической волны), электроны отдают свою энергию ПАВ и амплитуда ПАВ возрастает (рис.
2.3, б). В случае затухания волны график функции достаточно точно описывается функцией типа П= ехр( — ах) вш(Ьх), а в случае ее усиления () = ехр(ах) з(п(Ьт), где а и Ь вЂ” консганты. Обмен энергией между динамическими неоднородностями акустической и электронной природы в пределах одной континуальной среды является фундаментальным эффектом, лежашим в основе приборов акустоэлектроники. В акустооптических средах акустические и элекгромагнитные волны параметрически связаны упругооптическим эффектом.
Упругая акустическая волна индуцирует изменение показателя преломления. Это позволяет сформировать динамические неоднородности в виде оптических неоднородностей по показателю преломления (фазовые решетки), распространяющихся вслед за акустической волной. Свет дифрагирует на таких регулярных динамических неоднородностях оптической природы.
а) б) Рис. 2.3. Схема взаимодействии динамических неоднородностеи акустической и электрической природы: а — при отсутствии пстанциала. б — при наличии потенциала на эвукопроводе 2. Функциональная акусгоэлекгроника Акустическая волна в пьезомагнитной среде (антиферромагнетиках) порождает магиитоупругие волны, которые являются еще одним типом динамических неоднородностей в акустоэлектронике.
2.1.2. Континуальные среды Коня»»»»»пмьнь»я»»» средшхш функциональной акустоэлектроники являются твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники, сложные слоистые среды. Выбор контпиуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей. Основные требования к этим л»атериалам сводятся к минимизации уровня потерь для распространения динамических неоднородностей акустической или иной природы, а также к максимальной температурной стабильности.
Другие требования к среде диктуются функциональным назначением прибора, технологией его производства. Распространение волны в твердом теле сопряжено с локальной деформацией среды. Для небольших деформаций справедлив закон, связывающий смещение частиц у, и упругие напряжения: рН'у,1,1»» = )1;»1 1х„ где ҄— симметричный тензор механических напряжений второго ранга Тч = Т„. В пьезоэлектрических кристаллах тензор механических напряжений и вектор индукции можно описать уравнениями состояния (2 2) Тк = с„»» + 1 / 2с„»»„„,о»д„„, — р»чЕ» — 1»"2Я„„Е»Е» — )э»м„,Е»а»„, IЭ, = я„Е, ч 1 l 2смЕЕ, + )эк»о»» ь 0„»»Ео,» -' 1 ' 2рк»»„,о»»о»„„ (2.3) где оч = 1 l 21»(В !»2т, +»(х» 1»ст, '- (» у» 1»»т, »()» l йЯ вЂ” те ивор деформаций, в котором учтен нелинейный характер связи компонент тензора механических деформаций с производны- ми от смещения; ркь)»„»ь, — компоненты тензоров линейного и нелинейного пьезоэффек- тов; с,, с,, — компоненты тензоров линейной и нелинейной лиэлектрической проницаек мостей; Д„»» — компонента тензора электрострикции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
