АКУСТОЭЛЕКТРО́НИКА

  • рубрика
  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 1. Москва, 2005, стр. 387

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Ю. В. Гуляев, Г. Д. Мансфельд (Акустоэлектронные устройства на основе акустоэлектронного взаимодействия.)

АКУСТОЭЛЕКТРО́НИКА, на­уч­но-тех­нич. на­прав­ле­ние, свя­зан­ное с ис­сле­до­ва­ни­ем про­цес­сов воз­бу­ж­де­ния и рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в твёр­дых те­лах, эф­фек­тов их взаи­мо­дей­ст­вия с элек­тро­маг­нит­ны­ми по­ля­ми и но­си­те­ля­ми за­ря­да, а так­же с соз­да­ни­ем при­бо­ров и уст­ройств, ра­бо­таю­щих на ос­но­ве этих эф­фек­тов. В за­ви­си­мо­сти от эф­фек­тов, ис­поль­зуе­мых в аку­сто­элек­трон­ных (АЭ) уст­рой­ст­вах, А. ус­лов­но раз­де­ля­ют на вы­со­ко­час­тот­ную (мик­ро­вол­но­вую) аку­сти­ку (эф­фек­ты воз­бу­ж­де­ния, рас­про­стра­не­ния и приё­ма аку­стич. волн с час­то­та­ми от еди­ниц ме­га­герц до де­сят­ков ги­га­герц в твёр­дых те­лах), соб­ст­вен­но А. (взаи­мо­дей­ст­вие аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти) и аку­сто­оп­ти­ку (взаи­мо­дей­ст­вие све­то­вых волн с аку­сти­че­ски­ми).

А. сфор­ми­ро­ва­лась в 1960-х гг., ког­да на­ча­лись ин­тен­сив­ные ис­сле­до­ва­ния, свя­зан­ные с от­кры­ти­ем эф­фек­та уси­ле­ния аку­стич. волн дрей­фую­щи­ми элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти в пье­зо­по­лу­провод­ни­ках (см. Аку­сто­элек­трон­ное вза­и­мо­дей­ствие). Бур­ное раз­ви­тие А. вы­зва­но по­треб­но­стью в про­стых, на­дёж­ных и ми­ниа­тюр­ных ана­ло­го­вых уст­рой­ст­вах об­ра­бот­ки сиг­на­лов для ра­дио­ло­кац. и те­ле­виз. ап­па­ра­ту­ры, сис­тем ав­то­ма­тич. управ­ле­ния, уст­ройств тех­ни­ки свя­зи, вы­чис­лит. тех­ни­ки и др. Воз­мож­но­сти ши­ро­ко­го ис­поль­зо­ва­ния АЭ уст­ройств обу­слов­ле­ны ма­лой ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в твёр­дых те­лах (по срав­не­нию со ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн) и их ма­лым по­гло­ще­ни­ем в не­ко­то­рых кри­стал­лах, что по­зво­ля­ет со­от­вет­ст­вен­но умень­шить раз­ме­ры и мас­су уст­ройств в де­сят­ки ты­сяч раз (по срав­не­нию с уст­рой­ст­ва­ми, ис­поль­зую­щи­ми ЭВМ) и реа­ли­зо­вать вы­со­кую доб­рот­ность аку­стич. ко­ле­ба­тель­ных сис­тем. С по­мо­щью АЭ уст­ройств мож­но пре­об­ра­зо­вы­вать элек­тро­маг­нит­ные сиг­на­лы во вре­ме­ни (за­держ­ка сиг­на­лов, из­ме­не­ние их дли­тель­но­сти), по час­то­те, фа­зе и ам­пли­ту­де (напр., сдвиг фаз, уси­ле­ние, мо­ду­ля­ция), а так­же вы­пол­нять бо­лее слож­ные функ­цио­наль­ные пре­об­ра­зо­ва­ния (ин­тег­ри­ро­ва­ние, ко­ди­ро­ва­ние и де­ко­ди­ро­ва­ние, кор­ре­ля­ция сиг­на­лов и др.). АЭ ме­то­ды ана­ло­го­вой об­ра­бот­ки сиг­на­лов яв­ля­ют­ся бо­лее про­сты­ми (по срав­не­нию, напр., с циф­ро­вы­ми ме­то­да­ми), а ино­гда и един­ст­вен­но воз­мож­ны­ми.

Осн. эле­мен­ты АЭ уст­рой­ст­ва – элек­тро­аку­сти­че­ские пре­об­ра­зо­ва­те­ли и зву­ко­про­вод; кро­ме то­го, при­ме­ня­ют­ся от­ра­жа­те­ли, мно­го­по­лос­ко­вые элек­трод­ные струк­ту­ры, кон­цен­тра­то­ры энер­гии, фо­ку­си­рую­щие уст­рой­ст­ва и дру­гие. В уст­рой­ст­вах А. ис­поль­зу­ют­ся как объ­ём­ные (про­доль­ные и сдви­го­вые), так и по­верх­но­ст­ные аку­сти­че­ские вол­ны ульт­ра­зву­ко­во­го и ги­пер­зву­ко­во­го диа­па­зо­нов. Ма­те­риа­ла­ми для АЭ уст­ройств слу­жат главным образом кри­стал­лы пье­зо­элек­три­ков и слои­стые струк­ту­ры, со­стоя­щие из сло­ёв пье­зо­элек­три­ка и по­лу­про­вод­ни­ка, а так­же ди­элек­три­ки с ма­лым по­гло­ще­ни­ем аку­стических волн.

Акустоэлектронные устройства на объёмных акустических волнах (ОАВ)

Рис. 1. Схемы пьезоэлектрических резонаторов на объёмных акустических волнах: а – ВЧ-резонатора; б – тонкоплёночного СВЧ-резонатора; U – напряжение, подаваемое на электроды.

Пер­вы­ми уст­рой­ст­ва­ми А. бы­ли уст­рой­ст­ва на ОАВ – пье­зо­элек­три­че­ские ре­зо­на­то­ры, пред­на­зна­чен­ные для ста­би­ли­за­ции час­то­ты ге­не­ра­то­ров элек­трич. ко­ле­ба­ний. Ос­но­ву та­ко­го ре­зо­нато­ра со­став­ля­ет пье­зо­элек­трич. виб­ра­тор – спец. об­ра­зом ори­ен­ти­ро­ван­ная кри­стал­лич. (обыч­но квар­це­вая) пла­сти­на с рас­по­ло­жен­ны­ми на ней элек­тро­да­ми, за­кре­п­лён­ная в дер­жа­те­ле и по­ме­щён­ная в за­щит­ный кор­пус (рис. 1, а). Тол­щи­на пла­сти­ны, обыч­но близ­кая к не­чёт­но­му чис­лу по­лу­волн, оп­ре­де­ля­ет ра­бо­чую час­то­ту ре­зо­на­то­ра, а ори­ен­тация со­от­вет­ст­ву­ет кри­стал­лич. сре­зу, в ко­то­ром в за­дан­ном тем­пе­ра­тур­ном ин­тер­ва­ле час­то­та соб­ствен­но ме­ха­нич. (уп­ру­гих) ко­ле­ба­ний сла­бо за­ви­сит от темп-ры. Элек­трич. по­ле, соз­да­вае­мое элек­тро­да­ми, по­зво­ля­ет воз­бу­дить в пла­сти­не не­об­хо­ди­мый тип собств. ко­ле­ба­ний (см. Пье­зо­элек­три­че­ст­во). Квар­це­вые ре­зо­на­то­ры ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­кой доб­рот­но­стью (105–107 на час­то­тах до 10 МГц) и тем­пе­ра­тур­ной ста­биль­ностью (до 10–10 и вы­ше при ус­ло­вии тер­мо­ста­ти­ро­ва­ния). С рос­том час­то­ты ко­ле­ба­ний дли­на аку­стич. вол­ны (а сле­дова­тель­но, и тол­щи­на пье­зо­элек­трич. пла­сти­ны) умень­ша­ет­ся и воз­ни­ка­ют тех­но­ло­гич. про­бле­мы, свя­зан­ные с ме­ха­нич. проч­но­стью уст­ройств с вос­про­из­во­ди­мы­ми па­ра­мет­ра­ми. Ре­ше­ни­ем про­бле­мы бы­ло соз­да­ние СВЧ-ре­зо­на­то­ров на ос­но­ве пье­зо­элек­трич. плё­нок ZnO или AlN тол­щи­ной 0,2–2 мкм. Наи­боль­шей ме­ха­нич. проч­но­стью об­ла­да­ют уст­рой­ст­ва (рис. 1,б), в ко­то­рых ре­зо­на­тор – пье­зо­элек­трич. плён­ка с плё­ноч­ны­ми ме­тал­лич. элек­тро­да­ми – на­но­сит­ся по­верх мно­го­слой­ной струк­ту­ры че­ре­дую­щих­ся сло­ёв с боль­шой раз­ни­цей аку­стич. им­пе­дан­са (напр., вольф­ра­ма и квар­ца), имею­щих тол­щи­ну, рав­ную чет­вер­ти дли­ны вол­ны, на дос­та­точ­но тол­стую и ме­ха­ни­че­ски проч­ную под­лож­ку (крем­ний, стек­ло и др.). Та­кая мно­го­слой­ная струк­ту­ра эф­фек­тив­но от­ра­жа­ет аку­стич. вол­ны и аку­сти­че­ски изо­ли­ру­ет тон­ко­п­лё­ноч­ный ре­зо­на­тор от под­лож­ки. На ос­но­ве ре­зо­на­то­ров это­го ти­па, ра­бо­таю­щих в диа­па­зо­не час­тот от 1 до 10 ГГц и бо­лее, соз­да­ны элек­три­че­ски проч­ные фильт­ры для те­ле­ком­му­ни­кац. СВЧ-уст­ройств.

Рис. 2. Схемы акустических линий задержки на объёмных акустических волнах, работающих «на проход» (а) и «на отражение» (б).

Из дру­гих уст­ройств А. на ОАВ ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли аку­стич. ли­нии за­держ­ки (АЛЗ), осу­ще­ст­в­ляю­щие за­держ­ку элек­тро­маг­нит­ных сиг­на­лов во вре­ме­ни (рис. 2). В этих уст­рой­ст­вах ВЧ элек­тро­маг­нит­ные сиг­на­лы вна­ча­ле пре­об­ра­зу­ют­ся в аку­стич. вол­ны (воз­бу­ж­де­ние аку­стич. волн), ко­то­рые рас­про­стра­ня­ют­ся в зву­ко­про­во­де, а за­тем вновь пре­об­ра­зу­ют­ся в ВЧ-сиг­на­лы (при­ём аку­стич. волн). Вре­мя за­держ­ки в АЛЗ за­ви­сит от дли­ны пу­ти, про­хо­ди­мо­го аку­стич. вол­на­ми в зву­ко­про­во­де, и ско­ро­сти их рас­про­стра­не­ния. Из-за от­но­си­тель­но ма­лой ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в зву­копро­во­де раз­ме­ры АЛЗ поч­ти на пять по­ряд­ков мень­ше ли­ней­ных раз­ме­ров элек­тро­маг­нит­ных ли­ний за­держ­ки. Для воз­бу­ж­де­ния и приё­ма ОАВ в АЛЗ при­ме­ня­ют­ся в осн. пье­зо­элек­три­че­ские пре­об­ра­зо­ва­те­ли: пье­зо­элек­трич. пла­сти­ны (на час­то­тах до 100 МГц), а так­же тон­кие пла­стин­ки и плён­ки из пье­зо­по­лу­про­вод­ни­ка (на час­то­тах св. 100 МГц). Для из­го­тов­ле­ния зву­ко­про­во­да слу­жат ма­те­риа­лы с ма­лым по­гло­ще­ни­ем аку­стич. волн (напр., сап­фир, алю­мо­ит­трие­вый гра­нат и твёр­дые рас­тво­ры на его ос­но­ве). Ино­гда для по­лу­че­ния боль­ших вре­менны́х за­дер­жек ис­поль­зу­ют АЛЗ с мно­го­крат­ным от­ра­же­ни­ем аку­стич. волн от тор­цов зву­ко­про­во­да или со зву­ко­про­во­дом, вы­пол­нен­ным в ви­де мно­го­гран­ни­ка (в этом слу­чае аку­стич. вол­ны рас­про­стра­ня­ют­ся ме­ж­ду гра­ня­ми по ло­ма­ной тра­ек­то­рии). Раз­ра­бо­та­ны АЛЗ на ОАВ, ра­бо­таю­щие на час­то­тах до де­сят­ков ги­га­герц с за­держ­ка­ми до де­сят­ков мик­ро­се­кунд и на час­то­тах до де­сят­ков ме­га­герц с за­держ­ка­ми по­ряд­ка де­сят­ков мил­ли­се­кунд. АЛЗ на ОАВ при­ме­ня­ют­ся в ра­дио­ло­кац. и на­ви­гац. ап­па­ра­ту­ре, те­ле­виз. при­ём­ни­ках и др.

Акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Рис. 3. Схемы акустоэлектронных устройств на поверхностных акустических волнах: а – линии задержки; б – фильтра (с аподизованным выходным ВШП); в – резонатора.

Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние АЭ уст­ройств на ПАВ (фильт­ров, ре­зо­на­торов, АЛЗ и др.) обу­слов­ле­но ма­лы­ми по­те­ря­ми энер­гии на пре­об­ра­зо­ва­ние при воз­бу­ж­де­нии и ре­ги­ст­ра­ции ПАВ, воз­мож­но­стью управ­ле­ния рас­про­стра­не­ни­ем волн в лю­бых точ­ках зву­ко­про­во­да (на пу­ти рас­про­стра­не­ния волн), а так­же ши­ро­ки­ми воз­мож­но­стя­ми соз­да­ния уст­ройств с управ­ляе­мы­ми час­тот­ны­ми, фа­зо­вы­ми и др. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми. Для ге­не­ра­ции и приё­ма ПАВ, как пра­ви­ло, ис­поль­зу­ют пе­рио­дич. струк­ту­ры ме­тал­лич. элек­тро­дов (шты­рей), на­не­сён­ных на по­верх­ность пье­зо­элек­трич. кри­стал­ла (зву­ко­про­во­да), т. н. встреч­но-шты­ре­вые пре­об­ра­зова­те­ли (ВШП). Про­стей­шим уст­рой­ст­вом на ПАВ яв­ля­ет­ся АЛЗ (рис. 3, а).

Из­ме­няя то­по­ло­гию ВШП – по­ло­же­ние, ши­ри­ну и дли­ну отд. элек­тро­дов, а ино­гда ве­ли­чи­ну по­да­вае­мо­го на элек­тро­ды на­пря­же­ния (напр., пу­тём по­дачи сиг­на­ла че­рез спец. об­ра­зом по­доб­ран­ные ём­ко­сти – т. н. ём­ко­ст­ная апо­диза­ция), мож­но управ­лять ам­пли­ту­дой и фа­зой воз­бу­ж­дае­мых и ре­ги­ст­ри­руемых волн, фор­ми­руя тем са­мым требуе­мую час­тот­ную ха­рак­те­ри­сти­ку уст­рой­ст­ва. На ос­но­ве ВШП соз­да­ны филь­тры на ПАВ (раз­но­вид­ность элек­три­че­ских фильт­ров), в ко­то­рых для час­тот­но­го раз­де­ле­ния (фильт­ра­ции) элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний их пре­об­ра­зу­ют в аку­сти­че­ские и об­рат­но, раз­де­ляя при этом аку­стич. ко­ле­ба­ния разл. час­тот; при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве по­ло­со­вых, за­гра­ж­даю­щих и со­гла­со­ван­ных фильт­ров. Фильт­ры на ПАВ (рис. 3, б) от­ли­ча­ются про­сто­той кон­струк­ции, тех­но­ло­гич­но­стью, вы­со­кой вос­про­из­во­ди­мо­стью па­ра­мет­ров, что обу­слов­ли­ва­ет воз­мож­ность их мас­со­во­го про­из-ва. Ис­поль­зо­ва­ние ПАВ по­зво­ли­ло соз­дать фильт­ры с ра­бо­чи­ми час­то­та­ми до 3 ГГц с чрез­вы­чай­но слож­ными час­тот­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми. Ве­ли­чи­на вно­си­мых по­терь в пре­де­лах по­ло­сы про­пус­ка­ния для фильт­ров на ПАВ ле­жит в пре­де­лах от до­лей до неск. де­ци­бел, фа­зо­вые ошиб­ки – от до­лей до неск. гра­ду­сов. По­дав­ле­ние сиг­на­ла вне по­ло­сы про­пус­ка­ния и па­ра­зит­но­го сиг­на­ла дос­ти­га­ет 70 дБ.

Ре­зо­на­тор на ПАВ (рис. 3, в) обыч­но пред­став­ля­ет со­бой уз­ко­по­лос­ный ВШП, рас­поло­жен­ный на по­верх­но­сти зву­ко­про­во­да ме­ж­ду от­ра­жа­те­ля­ми – пе­рио­дич. ре­шёт­ка­ми, вы­пол­нен­ны­ми в ви­де ме­тал­лич. или ди­элек­трич. по­ло­сок (ино­гда ка­на­вок, вы­трав­лен­ных на по­верх­но­сти зву­ко­про­во­да); дей­ст­вие ос­но­ва­но на мно­го­крат­ном от­ра­же­нии ПАВ, воз­бу­ж­дён­ной ВШП, и об­ра­зо­ва­нии ме­ж­ду от­ра­жа­те­ля­ми стоя­чей вол­ны. Ре­зо­на­то­ры на ПАВ ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве час­то­то­за­даю­щих эле­мен­тов в ВЧ- и СВЧ-ге­не­ра­то­рах. АЭ фильт­ры и ре­зо­на­то­ры при­меня­ют в ап­па­ра­ту­ре ра­дио­ве­ща­ния и те­ле­ви­де­ния, со­то­вых те­ле­фо­нах, в уст­рой­ст­вах кос­мической свя­зи и ра­дио­ло­ка­ции, в аку­стических дат­чи­ках, сен­со­рах и др.

Ис­поль­зо­ва­ние осо­бен­но­стей воз­бу­ж­де­ния и приё­ма ПАВ по­зво­ли­ло соз­дать ряд уст­ройств бо­лее слож­ной об­ра­бот­ки сиг­на­лов. Так, напр., спе­ци­аль­но скон­ст­руи­ро­ван­ная аку­стич. дис­пер­си­он­ная ли­ния за­держ­ки пре­вра­ща­ет уз­кий им­пульс на­пря­же­ния, по­да­вае­мый на вход­ной ВШП, в ли­ней­но-частот­но-мо­ду­ли­ро­ван­ный (ЛЧМ) сиг­нал, что дос­ти­га­ет­ся ли­ней­ным из­ме­не­ни­ем ша­га вы­ход­но­го ВШП. В мно­го­от­вод­ных ли­ни­ях за­держ­ки сиг­нал, ге­не­ри­руе­мый вход­ным пре­об­ра­зо­ва­телем, пре­вра­ща­ет­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ра­дио­им­пуль­сов, чис­ло и вре­мен­ной сдвиг ме­ж­ду ко­то­ры­ми, а так­же их фа­за за­дают­ся со­от­вет­ст­вен­но чис­лом, по­ло­жени­ем на по­верх­но­сти зву­ко­про­во­да и по­ляр­но­стью вклю­че­ния вы­ход­ных при­ём­ных элек­тро­дов (шты­рей), т. е. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ко­ди­ро­ва­ние сиг­на­ла. Ана­ло­гич­ные ли­нии за­держ­ки, но с об­рат­ным по­ряд­ком рас­по­ло­же­ния шты­рей ис­поль­зу­ют­ся для приё­ма ЛЧМ или ко­ди­ро­ван­ных сиг­на­лов.

Рис. 4. Схема акустоэлектронного конвольвера: f1(t) и f2(t) – сравниваемые электрические сигналы; f3(t) – результирующий сигнал свёртки.

Из не­ли­ней­ных уст­ройств А. наи­боль­ший прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ют АЭ кор­ре­ляц. уст­рой­ст­ва – кон­воль­ве­ры, пред­на­зна­чен­ные для по­лу­че­ния т. н. функ­ции свёрт­ки сиг­на­лов (од­но­вре­мен­но­го пе­ре­мно­же­ния и ин­тег­ри­ро­ва­ния двух слож­ных сиг­на­лов); при­ме­ня­ют­ся в сис­те­мах об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции (рис. 4). Для вы­пол­не­ния опе­ра­ции свёрт­ки ис­поль­зу­ет­ся не­ли­ней­ное взаи­мо­дей­ст­вие аку­стич. волн оди­на­ко­вой час­то­ты, рас­про­стра­няю­щих­ся по под­лож­ке на­встре­чу друг дру­гу. Ре­зуль­татом та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия яв­ля­ет­ся воз­ник­но­ве­ние по­пе­реч­но­го (пер­пен­ди­ку­ляр­но­го плос­ко­сти под­лож­ки) пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля на уд­во­ен­ной час­то­те. По­ле соз­да­ёт элек­трич. за­ряд в длин­ных элек­тро­дах, рас­по­ло­жен­ных вдоль всей об­лас­ти взаи­мо­дей­ст­вия волн, фак­ти­че­ски сум­ми­руя (ин­тег­ри­руя) вкла­ды от отд. то­чек, где име­ет место взаи­мо­дей­ст­вие (пе­ре­мно­же­ние сиг­на­лов). Ам­пли­ту­да ре­зуль­ти­рую­ще­го сиг­на­ла ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ной ин­те­гра­лу свёрт­ки вход­но­го сиг­на­ла, по­да­вае­мо­го на один пре­об­ра­зо­ва­тель с опор­ным сиг­на­лом, воз­бу­ж­дае­мым др. пре­об­ра­зо­ва­те­лем.

Для соз­да­ния уст­ройств на ПАВ обыч­но ис­поль­зу­ют под­лож­ки – зву­ко­про­воды, вы­пол­нен­ные из мо­но­кри­стал­лов нио­ба­та или тан­та­ла­та ли­тия, гер­ма­на­та вис­му­та, спец. сре­зов квар­ца, а так­же тон­кие пье­зо­элек­трич. плён­ки ZnO и AlN на не­пье­зо­элек­трич. под­лож­ке (напр., сап­фи­ре). В АЭ уст­рой­ст­вах при­ме­ня­ют­ся ПАВ Рэ­лея, вол­ны Гу­ляе­ва – Блю­штей­на, сдви­го­вые ПАВ на пе­рио­ди­че­ски воз­му­щён­ной по­верх­но­сти и при­по­верх­но­ст­ные вол­ны.

Акустоэлектронные устройства на основе акустоэлектронного взаимодействия

Рис. 6. Схема акустоэлектронного генератора объёмных акустических волн: Др – дроссель; Uдр  – напряжение, создающее дрейф электронов; vдр  – скорость дрейфа электронов; C – кон...
Рис. 5. Схема акустоэлектронного усилителя объёмных акустических волн: Uдр  – напряжение, создающее дрейф электронов; vдр  – скорость дрейфа электронов; C – конденсатор.

Взаи­мо­дей­ст­вие аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти в твёр­дых те­лах при­во­дит к та­ким яв­ле­ни­ям, как элек­трон­ное уси­ле­ние и по­гло­ще­ние аку­стич. волн, аку­сто­элек­три­че­ский эф­фект, ле­жа­щих в ос­но­ве ра­бо­ты аку­сто­элек­трон­ных уси­ли­те­лей, ге­не­ра­то­ров, фа­зов­ра­ща­те­лей и др. В аку­сто­элек­трон­ных уси­ли­те­лях ОАВ (рис. 5) уси­ле­ние волн про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те их взаи­мо­дей­ст­вия с дрей­фую­щи­ми но­си­те­ля­ми за­ря­да в объ­ё­ме мас­сив­но­го бру­ска пье­зо­по­лу­про­вод­ни­ка. Для соз­да­ния дрей­фа но­си­те­лей за­ря­да к тор­це­вым по­верх­но­стям бру­ска при­кла­ды­ва­ют элек­трич. на­пря­же­ние (т. н. дрей­фо­вое на­пря­же­ние), соз­даю­щее ток дрей­фа элек­тро­нов. При не­пре­рыв­ном ре­жи­ме ра­бо­ты ток дрей­фа мо­жет при­вес­ти к пе­ре­гре­ву уси­ли­те­ля и вы­звать его раз­ру­ше­ние. При ра­бо­те уси­ли­те­ля в им­пульс­ном ре­жи­ме дрей­фо­вое на­пря­же­ние по­да­ёт­ся в ви­де им­пуль­сов, дли­тель­ность ко­то­рых рав­на вре­ме­ни про­хо­ж­де­ния по зву­ко­про­во­ду уси­ли­вае­мо­го сиг­на­ла; при этом сред­няя вы­де­ляе­мая мощ­ность от­но­си­тель­но не­ве­ли­ка. На эф­фек­те элек­трон­но­го уси­ле­ния ос­но­ва­но дей­ст­вие аку­сто­элек­трон­но­го ге­не­ра­то­ра ОАВ, пред­став­ляю­ще­го со­бой аку­стич. ре­зо­на­тор, вы­пол­нен­ный в ви­де пье­зо­по­лу­про­вод­ни­ко­вой пла­сти­ны с на­не­сён­ными на её тор­це­вые по­верх­но­сти элек­тро­да­ми (рис. 6). Ес­ли на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в аку­стич. ре­зо­на­то­ре сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем дрей­фа но­си­те­лей за­ря­да, то про­ис­хо­дит их уси­ле­ние. При дос­та­точ­но вы­со­кой ско­ро­сти дрей­фа при­ра­ще­ние энер­гии в ре­зуль­та­те уси­ле­ния аку­стич. волн пре­об­ла­да­ет над по­те­ря­ми, свя­зан­ны­ми с по­гло­ще­ни­ем волн при их рас­про­стра­не­нии в об­рат­ном на­прав­ле­нии и их от­ра­же­ния­ми от гра­ней ре­зо­на­то­ра, что при­во­дит к ге­не­ра­ции аку­стич. ко­ле­ба­ний. Ам­пли­ту­да и спектр час­тот ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний в осн. оп­ре­де­ля­ют­ся кон­цен­тра­ци­ей но­си­те­лей за­ря­да и тол­щи­ной пла­сти­ны.

Рис. 7. Схема акустоэлектронного усилителя поверхностных акустических волнна основе слоистой структуры: 1 – пьезоэлектрик (LiNbO3); 2 – полупроводник (InSb); 3 – омические контакты; ...

Сре­ди уст­ройств на ПАВ наи­бо­лее пер­спек­тив­ны аку­сто­элек­трон­ные уси­ли­те­ли ПАВ, вы­пол­нен­ные на ос­но­ве мо­но­лит­ных слои­стых струк­тур, со­дер­жа­щих «силь­ный» пье­зо­элек­трик (напр., LiNbO3), в ко­то­ром рас­про­стра­ня­ет­ся ПАВ, и тон­кую плён­ку по­лу­провод­ни­ка с вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов (напр., из InSb), в ко­то­рой про­ис­хо­дит дрейф но­си­те­лей за­ря­да (рис. 7). Взаи­мо­дей­ст­вие ПАВ с дрей­фую­щи­ми но­си­те­ля­ми за­ря­да про­ис­хо­дит в плён­ке по­лу­про­вод­ни­ка, в ко­то­рую про­ни­ка­ет со­про­во­ж­даю­щее ПАВ пе­ре­мен­ное элек­трич. по­ле. Ис­поль­зо­ва­ние слои­стых струк­тур по­зво­ля­ет по­лу­чить не­пре­рыв­ный ре­жим уси­ле­ния ПАВ, а так­же по­дав­ле­ние па­ра­зит­ных сиг­на­лов, обу­слов­лен­ных от­ра­же­ни­ем ПАВ от тор­цов кри­стал­ла и от пре­об­ра­зо­ва­те­лей. Ко­эф. уси­ле­ния та­ко­го уси­ли­те­ля дос­ти­га­ет 30–60 дБ/см при ко­эф. шу­ма ме­нее 10 дБ в час­тот­ном диа­па­зо­не от 100 до 500 МГц (с по­ло­сой про­пус­ка­ния 5–20%).

Уст­рой­ст­вом, прин­цип дей­ст­вия ко­то­ро­го свя­зан с за­ви­си­мо­стью ско­ро­сти аку­стич. волн от па­ра­мет­ров элек­трон­ной под­сис­те­мы в по­лу­про­вод­ни­ке, яв­ля­ет­ся аку­сто­элек­трон­ный фа­зо­в­ра­ща­тель на ПАВ. Для из­ме­не­ния фа­зы элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний их пре­об­ра­зу­ют в аку­стич. вол­ны и об­рат­но, воз­дей­ст­вуя при этом на ско­рость аку­стич. волн на пу­ти их рас­про­стра­нения, а сле­до­ва­тель­но, и на фа­зу аку­стич. ко­ле­ба­ний, ре­ги­ст­ри­руе­мых вы­ход­ным пре­об­ра­зо­ва­те­лем. Напр., управ­ляя элек­тро­про­вод­но­стью фо­то­чув­ст­вит. по­лу­про­вод­ни­ко­вой плён­ки, на­не­сён­ной на по­верх­ность зву­ко­про­во­да из пье­зо­элек­три­ка (пу­тём из­ме­не­ния ин­тен­сив­но­сти под­свет­ки или ско­ро­сти дрей­фа элек­тро­нов), мож­но управ­лять ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния ПАВ.

Раз­ность по­тен­циа­лов, воз­ни­каю­щая вслед­ст­вие аку­сто­элек­трич. эф­фек­та на гра­ни­цах пье­зо­элек­трич. по­лу­про­вод­ни­ка или по­лу­про­вод­ни­ко­во­го слоя в струк­ту­ре пье­зо­элек­трик–по­лу­про­вод­ник, ис­поль­зу­ет­ся в т. н. квад­ра­тич­ных или син­хрон­ных аку­сто­элек­три­ческих де­тек­то­рах аку­стич. волн. Эти уст­рой­ст­ва, об­ла­даю­щие ши­ро­ким ди­на­мич. диа­па­зо­ном, по­лу­чи­ли рас­про­стра­не­ние в АЭ уст­рой­ст­вах об­ра­бот­ки сиг­на­лов.

Лит.: Ка­рин­ский С. С. Уст­рой­ст­ва об­ра­бот­ки сиг­на­лов на ульт­ра­зву­ко­вых по­верх­но­ст­ных вол­нах. М., 1975; Про­бле­мы со­вре­мен­ной ра­дио­тех­ни­ки и элек­тро­ни­ки. М., 1980; Дье­ле­сан Э., Руайе Д. Уп­ру­гие вол­ны в твер­дых те­лах: При­ме­не­ние для об­ра­бот­ки сиг­на­лов. М., 1982; Мор­ган Д. Уст­рой­ст­ва об­ра­бот­ки сиг­на­лов на по­верх­но­ст­ных аку­сти­че­ских вол­нах. М., 1990; Гу­ля­ев Ю. В., Манс­фельд Г. Д. Ре­зо­на­то­ры и фильт­ры сверх­вы­со­ких час­тот на объ­ем­ных аку­сти­че­ских вол­нах: со­вре­мен­ное со­стоя­ние и тен­ден­ции раз­ви­тия // Ра­дио­тех­ни­ка. 2003. № 8.

Вернуться к началу