Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 138
Текст из файла (страница 138)
Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле Ез, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей У;,я и скорости звука )', (рис. 2.23, а). б) Рис. 2.23. Схема взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (в), конструкция усилителя ив ПАВ (б); Ч вЂ” акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля Ез', 2 — то же в присутствии поля Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ Г„> р в =.
= НЕз (р — подвижность электронов), энергия волны поглощается электронным газом. ПРи скоРости дРейфа, большей фазовой скоРости ПАВ Р„в> (;„пРоисходит пеРекачка энергии электронов в энергию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале Распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал. Раким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях Различной физической природы можно получить эффект усиления, Исследовались констРу«ции на основе этого эффекта с позиций предложенной модели прибора.
В частности "кустозлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.23, б. С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены лве континуачьные среды. В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой - электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется ну~ем создания Часть 1К Функциональная электроника слоистых структур с использованием технологии тонких пленок В качестве генератора ПЛВ используется стандартная конструкция ВШП.
Звукопровод выполняется, наприме на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния вырагцивается пленка сурьмянистого индия толщиной — 500 Л. Вся поверхност~ покрывается достаточно толстой (- 1000 А) защитной пленкой диоксида кремния, Кр„.„ полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения.
В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также Гбч Сббе, Хпб, ЕпО, СаЛи и др. Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В каче стас устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структур на тракте распространения сигнала.
Лнализ показал, что акусюэлектронные усилители могут работать как в импульсном, так н в непрерывном режимах усиления. Коэффициент элскгронного усиленна лежит в пределах от 1О до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дЬ на центральных частотах 1О Гц с полов сой - 10вь Лкустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы. 2.3. Нелинейные устройства 2.3.1. Физические основы В рассмотренных выше устройствах функциональной акустоэлектроники использовапнсь линейные свойства твердых тел при прохождении акустоэлектронной волны.
Весьма привлекательной для исследователей оказалась область нелинейно~о взаимодействия акустических волн с твердым телом. В этом случае не выполняется принцип супер- позиций гармонических колебаний, имеет место сложение частот сигналов, взаимодействие электрических и акустических полей в твердом теле.
Нелинейные явления в твердых телах сводятся к двум типам взаимодействия: взаимодействие различных акустических волн; б1 взаимодействие акустических волн с внешним электрическим полем. При нелинейном взаимодействии акустических волн возникает зависимосп фазовой око рости волны от амплитуды и изменение формы гармонического колебания. Искажение формы волны связывается с искажением ее спектра за счет обогащения ее гармониками.
Если в твердом теле взаимодействуют несколько акустических колебаний, то в результа~~ их взаимодействия появятся волны комбинационных частот — Фурье-компоненты. Прн этом должны выполняться условия сннхронизма гее ы! — аз в К=К,+Кв где ш, и К, — частоты и волновые векторы взаимодействующих волн. ез и Кх— — соотсловие ветственно параметры результирующей волны. яа языке каазичастиц — фононов уел синхронизма записывается в виде; йы, + йыв = Мог, ЬК, ж ЯКв = ААв, 2. Функциональная акусгоэлектроника 657 )г где й = —, )г — постоянная Планка.
Это так называемое явление фонон-фононного взаи2х модействия. Анализ взаимодействия акустических волн может быть произведен с помощью метода дисперсионных диаграмм, в котором каждая из взаимодействующих волн представлена парой (юп К, ), а суммарная волна является суммарным вектором. При распространении акустической волны в континуальной среде со свободными носителями (полупроводник) движение линамических неоднородностей акустической природы порождает динамические неоднородности электрической природы — волны зарядовой плотности, которые также можно описать уравнениями: и, = н, ехр(у(оз!! — К!г;,) з г!7 = нг ехр(/(сэг! Кггг), где г; и г; — — направления распространения, ! — шкала времени. При нелинейном взаимодействии электрическое поле одной акустической волны может взаимодействовать с носителями, сопровождающими другую волну.
Возникает нелинейная индукция )О„,, и нелинейная составляющая электрического така ,У„, — до„, !' д! или ,I„, =- йр(Е!н + Егл!), где д и й — соответственно заряд и подвижность носителей, Е„п, — компоненты поля и концентрации носителей волны, соответственно. На распространение акустической волны в нелинейной среде существенное влияние оказывает внешнее электрическое поле. Например, если в нелинейной среде распространяется акустическая волна с частотой ш! и волновым вектором К,, и на среду воздействует однородное в пространстве поле частотой шг = 2сч и К, = О, то образуется новая акустическая волна с частотой ш, =-ю! и вектором Кх — — — К,.
Акустическая волна будет распространяться уже в противоположном направлении (рис. 2.24,а). 6) Рис, 2.24. Дисперсиоиные диаграммы взаимодействия акустических волн с частотами ы! и ыг и волновыми векторами К,, К, (е), параметрическое взаимодействие фоионов с зпектромвгиитиым полем накачки (О) Вще одним примером взаичодействия динамических иеолиороднастей различной физической природы является осуществление нелинейного взаимодействия фонанов с элек- Часть !)т.
Функциональная электроник тромагнитным излучением поля накачки. Значения скоростей акустической и электро. магнитных волн в твердом теле различаются на пять порядков. Тем не менее, с помощы накачки потоком фотонов удается осуществить генерацию обратной акустической волны Такой процесс интерпретируется как распад фотона с частотой го и волновым векто ром К на два фонона с векторами А', =-Кз и частотами оз, = ш,. оз 12. При взаимодействии акустической волны с электрическим полем может возникнуть не. линейная составляющая электрической индукции.
Г!Роисходит перераспределение носи гелей, например, в ловушках и образуется потенциальный рельеф, отражающий момен тальное состояние электрического поля. Такая "память" определяется временем жизни носителей в ловушках. Если подать на среду электрическое поле нужной частоты и ориентации вектора, то "за мороженное" электрическое поле в виде потенциального рельефа может быть считано в виде акустических волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях. Это так называемые многофононные процессы, при которых может возникнуть стимулированное трехфотонное эхо, которое можно рассматривать как линамическую неоднородность. Механизм формирования сигналов фононного эха заключается в подаче ВЧ-импульса (- 1О + 1О Гц) на твердое тело, помещенное в колебательную систему, ксггорый генерирует упругие волны тех же частот. Волны разной поляризации (определяемой волновым вектором К ) распространяются с разными скоростями, и происходит рассогласование по фазе.
Через время т подается второй ВЧ-сигнал, который генерирует волны тех же часют с теми же фазовыми соотношениями, но с противоположными значениями волнового вектора К (рис. 2.25). За время г = т рассогласованные по фазе волны при распространении в обратном направлении снова окажутся в фазе. За счет обратного пьезоэффекта в момент г =- 2т возникаег электрический сигншг такой же частоты, представляющий собой сигнал двухимпульсного эха. В результате нелинейною взаимодействия между упругими волнами, возбужденными первым импульсом и электрическим полем второго импульса, формируется периодическая структура электрическою поля н механического напряжения. Период этой структуры равен периоду волны.
Электрическое поле третьего импучьса, действующее на такой "электрический" рельеф в момент времени Т, генерирует упру гие волны с противоположным направлением волнового вектора. Через время т после подачи третьего импульса эти волны окажутся в фазе и в момент времени Т -. т дадут сигнал стимулированного эха. Записанный "электрический рельеф" или своеобразная голограмма, записанная на дислокациях и дефектах кристаллической решетки может су гцествовать несколько суток и, соответственно, эффект трехимпульсного эха может быть воспроизведен через несколько суток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
