Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 9:

Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы АІІІВV. Устройства на ПАВ. Светодиоды. Лазерные диоды

< Лекция 8 || Лекция 9: 12345 || Лекция 10 >

Функциональные устройства на поверхностных акустических волнах

Выше мы уже отмечали, что полупроводники группы A_{\text{III}}B_{\text{V}} являются также пьезоэлектриками. Это связано с тем, что элементарная ячейка их кристаллической решетки не имеет центра инверсии, и поэтому при упругих деформациях сжатия/растяжения или сдвига в них возникает электрическая поляризация. Пьезоэлектрические свойства арсенида галлия и других полупроводников указанной группы с успехом используют для создания эффективных функциональных устройств на поверхностных акустических волнах.

Напомним, что "поверхностные акустические волны" (ПАВ) – это волны упругих механических деформаций, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль поверхности раздела его с жидкостью или газом.

Для возбуждения и детектирования ПАВ используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Первый заключается в том, что при механической деформации анизотропного пьезоэлектрика возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные точки деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при подаче на указанные электроды электрического напряжения в кристалле возникает механическая деформация.

Чаще всего для возбуждения и детектирования ПАВ на поверхности пьезокристалла формируют т.н. "встречно-штыревые преобразователи" ( рис. 9.2). Они состоят из двух электродов, имеющих форму гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Штыревые электроды вставлены друг в друга "навстречу" так, что штыри не касаются, а образуют периодическую структуру. Когда на электроды встречно-штыревого преобразователя 1 подается переменное напряжение, на поверхности пьезоэлектрического материала возникают и распространяются волны механического сжатия и растяжения с частотой переменного напряжения.

Если период d расположения штырей в каждом "гребешке" равен длине волны ПАВ, то деформации, вызванные соседними парами штырей, становятся синфазными и усиливают одна другую. Условие наиболее эффективного (резонансного) возбуждения ПАВ математически записывается так:


f=v/d
( 9.2)
где v – скорость распространения поверхностной волны, f – частота приложенного переменного напряжения.

Эффективность возбуждения ПАВ и скорость их распространения зависят от материала пьезоэлектрика, от кристаллографической ориентации его поверхности и от направления распространения, так как кристаллы являются анизотропными. Оптимальными для арсенида галлия, например, являются плоскость среза поверхности (100) и направление распространения [110]. Скорость распространения ПАВ в этом направлении составляет при комнатной температуре v = 2864 м/с.

Принцип возбуждения и детектирования ПАВ: 1 – преобразователи электрического сигнала в ПАВ;  2 – приемники ПАВ и преобразователи ее в электрический сигнал

Рис. 9.2. Принцип возбуждения и детектирования ПАВ: 1 – преобразователи электрического сигнала в ПАВ; 2 – приемники ПАВ и преобразователи ее в электрический сигнал

Распространяясь вдоль поверхности арсенида галлия (на рис. 9.2 это условно показано штрихованными стрелками), ПАВ преодолевает расстояние в 100 мкм приблизительно за 35 нс. Когда волна доходит до встречно-штыревого преобразователя 2, между парой соседних штырей возникает переменное электрическое напряжение с частотой ПАВ. Поскольку все "штыри" каждого из электродов гальванически связаны, то напряжения, возникающие между всеми соседними парами штырей в ходе распространения ПАВ, складываются. Поэтому напряжение на выходе приемника будет наибольшим только в случае совпадения их фаз, т.е. тогда, когда расстояние d между соседними парами штырей равно длине волны, т.е. когда оно удовлетворяет тому же самому условию (9.2). Поскольку штырей в приемнике ПАВ обычно намного больше, то и резонанс здесь оказывается значительно острее.

При скорости распространения ПАВ v = 2864 м/с для встречно-штыревого преобразователя 2 с периодом расположения штырей в каждом "гребешке" d\approx 2,864 мкм (такие расстояния были характерны на этапе "микроэлектронной" технологии) резонансной является частота f = 10^9 Гц = 1 ГГц. На "наноэлектронном" этапе развития использование нанолитографии позволило значительно уменьшить период расположения штырей и благодаря этому увеличить частоту анализируемых волн. Например, при d\approx 286,4 нм резонансная частота возрастает до 10 ГГц, а при d\approx 28,64 нм – до 100 ГГц.

Таким образом, геометрическая структура "приемных" встречно-штыревых преобразователей обеспечивает высокую селективность приборов на ПАВ. Если структура периодическая, то она представляет собой высокодобротный частотный фильтр. Добротность такого фильтра тем выше, чем больше число штырей в приемной части преобразователя.

Если же из широкополосного сигнала должны приниматься лишь составляющие, определенным образом модулированные по амплитуде, частоте, фазе и т.п., то преобразователь 1 формируют относительно коротким, чтобы он возбуждал ПАВ, модулированную так же, как и входной сигнал. А геометрическая структура приемного встречно-штыревого преобразователя 2 должна соответствовать пространственной структуре возбуждаемой ПАВ. Прибор на ПАВ представляет собой в этом случае высокоэффективный коррелятор, который выдает на выходе пик напряжения в том случае и именно в тот момент времени, если и когда пространственная структура поверхностной акустической волны совпадает с геометрической структурой встречно-штыревых электродов. Благодаря распространению ПАВ в направлении преобразователя 2 прибор автоматически "фазируется" и синхронизируется с сигналом, поступающим на его вход, – в этом заключается его большое преимущество.

Теоретически для тех же целей можно было бы использовать быстродействующий цифровой коррелятор. Но это требует весьма больших затрат. Ведь сначала надо превратить аналоговый высокочастотный (единицы-десятки гигагерц) сигнал в миллиарды цифровых кодов, а потом вычислять его корреляцию с заданным "эталоном" для каждого из миллиардов дискретных моментов времени. Ведь сдвиг во времени между принимаемым сигналом и "эталоном" заранее неизвестен. Не удивительно, что коррелятор на ПАВ оказался в тысячи-миллионы раз эффективнее.

Именно по этим причинам приборы на ПАВ широко используют в современной радиотехнике – и в сотовой радиосвязи, и в системах глобальной ориентации (GSM), и в системах цифровой связи, локальной беспроводной связи и т.д. Такие приборы используют как фильтры промежуточной частоты, выходные фильтры, многомодовые фильтры и калиброванные линии задержки с незначительным затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т.д.

Изготовителями поставляются специальные пакеты программного обеспечения для моделирования и проектирования приборов на ПАВ, для расчета их геометрической структуры и каскадных соединений. Сейчас свыше 100 промышленных компаний мира ежегодно разрабатывают и изготовляют порядка 1000 типономиналов заказных акустоэлектронных приборов на ПАВ.

Опишем, в качестве примера, применение сенсоров на ПАВ для радиоидентификации багажа, ценных и ответственных почтовых отправлений, контейнеров, других транспортных единиц. Технология слежения за их перемещением показана на рис. 9.3.

Схема функционирования системы радиоидентификации багажа: 1 – микрокомпьютер; 2 – генератор; 3 – радиоантенна; 4 – радиоприемник; 5 – фазовый детектор. Справа – топология селектора на ПАВ

Рис. 9.3. Схема функционирования системы радиоидентификации багажа: 1 – микрокомпьютер; 2 – генератор; 3 – радиоантенна; 4 – радиоприемник; 5 – фазовый детектор. Справа – топология селектора на ПАВ

В багаж, подлежащий усиленному контролю, за дополнительную плату вкладывают небольшой наноэлектронный радиоидентификатор с двоичным индивидуальным кодом. В аэропортах, на вокзалах, в морских или речных портах, на территориях транспортных узлов и контрольных пунктов устанавливают системы радиоидентификации. В состав такой системы входит микрокомпьютер 1, который через каналы связи принимает запросы на проверку контролируемых грузов. Получив запрос с их кодами, он обеспечивает через генератор 2 и радиоантенну 3 излучение на частоте порядка нескольких гигагерц фазоманипулированных радиосигналов с "позывными" этих грузов. Заложенные в них радиоидентификаторы принимают эти позывные, усиливают и подают на свой индивидуальный ПАВ селектор.

Упрощенная топология встречно-штыревого преобразователя в таком селекторе, соответствующая коду "110011011", изображена на рис. 9.3 справа. Здесь показаны только 9 двоичных разрядов. На самом деле длина индивидуального кода достигает 128 бит. Пик напряжения на выходе такого селектора появляется лишь тогда, когда код радиопозывного сигнала точно совпадает с его собственным индивидуальным кодом. Лишь в таком случае, радиоидентификатор с незначительной временной задержкой "откликается" на позывной сигнал, посылая в ответ свой код. Этот отклик принимается антенной 3, усиливается радиоприемником 4 и передается на фазовый детектор 5, который формирует двоичный код. Микрокомпьютер 1 сравнивает этот код с кодами контролируемого груза и, когда они совпадают, фиксирует это в своей памяти. Дальше генератором 2 и радиоантенной 3 излучаются позывные следующего контролируемого груза, и процесс повторяется. После обработки всего запроса микрокомпьютер формирует ответ на него и через каналы связи автоматически информирует источник запроса о наличии или отсутствии в данном контрольном пункте соответствующих грузов.

Подобные сенсоры на ПАВ используют также в системах безопасности для радиоидентификации автомобилей и других транспортных средств, в качестве "пропуска" на объекты с ограниченным доступом и т.д.

< Лекция 8 || Лекция 9: 12345 || Лекция 10 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала