Какво представляват акустоелектронните усилватели?

Акустоелектронните усилватели се наричат ​​усилватели, при които усилването на електрически сигнал се постига чрез усилване на получената от него акустична вълна. Акустичните електронни усилватели са предназначени за усилване на електрически сигнали.

Класификация. Акустоелектронните усилватели са класифицирани според вида на акустичните вълни, които използват. Разграничете акустоелектронните усилватели въз основа на обемни и повърхностни акустични вълни. Последните от своя страна са разделени на два подвида: филмови и с въздушна междина. В частта на дрейфа на филма, която е монокристален полупроводников филм,
той е отделен от акустичния проводник, който е пиезоелектричен субстрат, от диелектричен филм. В усилвателите с въздушна междина, дрейфната част, която е монокристален полупроводников филм, отглеждан върху сапфирен субстрат, е отделена от пиезоелектричния субстрат чрез въздушна междина.

Конвенционални изображения и символи. На диаграмите акустоелектронните усилватели са изобразени, както е показано на фиг. един.

Фигура: 1. Условно предавателно изображение на акустоелектронен усилвател

Символът на акустоелектронния усилвател съдържа името на устройството, неговото усилване на напрежението и честотната лента. Например обозначението PA-50-300 означава: акустоелектронен усилвател, усилване на напрежението 50 dB, честотна лента 300 MHz.

Структура. Дизайнът на акустоелектронен усилвател, базиран на обемни надлъжни акустични вълни, е показан на фиг. 2.

Фигура: 2. Акустоелектронен усилвател на базата на обемни надлъжни акустични вълни: 1 - полупроводников прът; 2 - вътрешни електроди на електромеханични преобразуватели; 3 - външни електроди на електромеханичните преобразуватели

Вижда се, че основните му структурни елементи са пиезоелектричен монокристален полупроводников звуков проводник, направен под формата на пръчка (1) и входни и изходни електромеханични преобразуватели. Вътрешните електроди (2) са направени чрез дифузия на индий директно в края на полупроводниковия прът. Те едновременно служат като електроди, към които се прилага постоянно електрическо напрежение, за да се създаде постоянно електрическо поле в пръта, което кара носителите на заряда да се отклоняват в посока на разпространение на надлъжната акустична вълна. Външните електроди (3) на електромеханичните преобразуватели са направени чрез дифузия на примеси с тип проводимост, противоположна на индия. В този дизайн се използва феноменът на взаимодействие на акустичната вълна на акустичния канал с проводимите електрони на същия този акустичен канал. Това е неудобно, тъй като в този случай един и същ материал трябва да претърпи различни (често несъвместими) видове обработка, за да задоволи изискванията за своите електрически и акустични свойства. Следователно акустоелектронните усилватели SAW са по-често срещани, при които полупроводниковата дрейфова част е отделена от акустичния тръбопровод, който е пиезоелектричен субстрат, чрез въздушна междина, размерите на която трябва да са много по-малки от дължината на акустичната вълна (фиг. 3).

Фигура: 3. Акусто-електронен усилвател на базата на SAW с въздушна междина: 1 - въздушна междина; 2 - монокристален силициев филм; 3 - сапфирен субстрат; 4 - пиезоелектричен субстрат; 5 - преобразуватели

Основните структурни елементи на тези усилватели са монокристален силициев филм 2 n-тип с дебелина 1 μm, отглеждан по епитаксиален метод
върху сапфирен субстрат 3; пиезоелектричен субстрат 4, входни и изходни преобразуватели 5. Съпротивлението на монокристалния силициев филм е 10 Ohm-cm, а подвижността

електрони - 500 cm 2/V-s. Типичен дизайн на филмов акустоелектронен усилвател, при който дрейфната част е отделена от акустичния проводник с диелектричен филм, е показана на фиг. 4.

Фигура: 4. Филмов акустоелектронен усилвател: 1,2 - преобразуватели; 3 - субстрат; 4 - диелектричен филм

Основните структурни елементи на тези усилватели са пиезоелектричен субстрат (звуков проводник 3); вход 1 и изход 2 преобразуватели; диелектричен филм 4, който замества въздушната междина; монокристален полупроводников филм, който играе ролята на дрейфната част на устройството; контакти, които са предназначени за захранване с напрежение; защитен слой.
Материалите на тези структурни елементи са показани на фиг. 4.

Работа. От дефиницията следва, че за да се извърши усилване, първо е необходимо електрическият сигнал да се преобразува в акустична вълна, да се усили и след това да се извърши обратното преобразуване на усилената акустична вълна в електрически сигнал. Блоковата схема на акустоелектронния усилвател може да бъде представена във формата, показана на фиг. пет.

Фиг. 5. Блок-схема на акустоелектронен усилвател

Работата на акустоелектронните усилватели се основава на феномена на взаимодействието на акустична вълна с проводимите електрони на металите и полупроводниците. Резултатът от това взаимодействие е появата на акустоелектронен ефект, който се състои в появата на постоянен ток или ЕМП в проводяща среда под действието на пътуваща вълна. Появата на ток е свързана с предаването на импулс (и съответно на енергия) от акустична вълна от електрона за проводимост. Това води до насочено движение на носители на електрически ток по посока на разпространението на звука, тоест до появата на акустоелектронен ток, чиято плътност се определя от израза:

Където д - електронен заряд; н - броят на електроните в единица обем; - промяна в скоростта, определена от израза:

Имоти. Нека първо се спрем на някои общи свойства. Акустоелектронните усилватели имат характеристики, близки до идеалните. Първо, те са белязани от ниски енергийни загуби, дължащи се на природата, специфичността на трансформацията и разпространението на акустичните вълни, взаимодействието им с електроните на металите и полупроводниците, осигурява висока ефективност на тяхната работа. На второ място, в акустоелектронните усилватели има слаба зависимост на енергийните загуби от честотата. По принцип загубите не надвишават 20 dB при честоти до единици GHz. Това ги прави перспективни за използване в микровълнови устройства. Трето, слабата честотна зависимост на загубите и други параметри осигурява акустоелектронни усилватели с широка честотна лента. На четвърто място, акустоелектронните усилватели имат доста голямо усилване на напрежението (20 ... 60 dB при честоти от стотици MHz) и широк динамичен диапазон на неговото изменение. Долната му граница е ограничена от вътрешния шум (0,1.1,0 mW), а горната е ограничена от групирането на всички свободни електрони в групи, което се случва, когато плътността на акустичната енергия е близка до единици W/cm 2. Пето, акустоелектронните усилватели имат малки показатели за тегло и размер, съизмерими с размера на интегралните схеми и тяхната технология е съвместима с микроелектронните технологии.
Анализирайки свойствата на някои видове акустоелектронни усилватели, трябва да се отбележи, че показано на фиг. 2, акустоелектронният усилвател на обемни акустични вълни има геометрични размери 1,28 × 0,6 × 0,6 mm. Той се захранва от 227 B, има разсейване на мощността от 3,78 W и има честотна лента от 300 MHz. При 1 GHz, той осигурява 40 dB усилване. Използваните в него преобразуватели, изградени върху обратни пристрастни pn връзки, осигуряват работата на усилвателя при честоти до 10 GHz. Показано на фиг. 3, конструкцията на акустоелектронния усилвател SAW има дрейфова част, отделена от пиезоелектрическата облицовка с въздушна междина, чийто размер зависи от работната честота. При 100 MHz тя е 100 nm, а при 1 GHz е 20 nm. Такива усилватели с честота 100 MHz с консумирана мощност от 0,7 W имат усилване от 60 dB при дължина 10 mm и ширина 1,25 mm. На снимката, показана на фиг. 4 филмова версия на дизайна на акустоелектронния усилвател, дрейфовата част е отделена от пиезоелектричния субстрат чрез диелектричен филм, чиято дебелина зависи от работната честота. Дебелината намалява с увеличаване на честотата. Замяната на въздушната междина с диелектричен филм позволява да се приближи дрейфната част до пиезоелектричната основа и по този начин да се увеличи усилването,
довеждайки го с честота от 1 GHz до 100 dB при дължина 10 mm.

Приложение. Голямо усилване, широк динамичен диапазон на неговата промяна прави препоръчително използването на акустоелектронни усилватели за компенсиране на загубите на енергия в акустоелектронните устройства. Например в цикличен LS, при който акустична вълна многократно преминава по затворен път по периметъра на субстрат със заоблени ръбове, акустоелектронни
усилвателят ви позволява да компенсирате напълно енергийните загуби, да осигурите до 150 циркулации и да реализирате време на закъснение от 3,75 ms.

Споделете "Какво представляват акустоелектронните усилватели?"