Глава 24. Функциональная электроника

Современная микроэлектроника базируется на интеграции отдельных элементов электронной техники при сохранении основного принципа дискретной электроники – разработке электронной схемы по законам электрических цепей.

Рост степени интеграции микросхемы по мере усложнения выполняемых функций неизбежно наталкивается на ограничения как физического (проблемы топологии и теплоотвода), так и технологического плана. Функциональная микроэлектроника предполагает совершенно новый подход, позволяющий реализовать отдельные функции радиоаппаратуры, опираясь непосредственно на физические процессы в твердом теле. При этом локальному объему твердого тела придаются свойства, требуемые для выполнения нужной функции, а промежуточный этап представления электрической схемы оказывается ненужным.

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы

получения специальных сред с заранее заданными свойствами и создания различных электронных устройств методами физической интеграции, т.е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить устройства со сложным функциональным назначением.

В функциональной электронике, наряду с электронными, используются оптические, акустические, магнитные, криогенные, химические, диэлектрические, биологические и другие явления и эффекты.

Рассмотрим подробнее основные направления развития функциональной микроэлектроники.

24.1. Пьезоэлектроника

Одним из направлений развития функциональной электроники является использование процессов, протекающих в активной пьезосреде. Технические средства пьезоэлектроники (пьезоэлектронные приборы) характеризуются пространственно-временным течением процессов с многомерным сигналом как носителем информации. Многомерность и многофункциональность

позволяют реализовать на основе пьезоэффекта целый комплекс современных средств автоматики, радиоэлектроники и вычислительной техники. Номенклатура различных пьезоэлектронных устройств насчитывает сотни наименований. Это многочисленные пьезодатчики, осуществляющие преобразования различных электрических и неэлектрических величин, пьезогенераторы, трансформаторы, фильтры; микросенсорные и сигнальные устройства, пьезо и сегнетоэлектрические репрограммируемые запоминающие устройства, пьезодвигатели, микроманипуляторы и микророботы, звукосниматели, громкоговорители, микрофоны, ультразвуковые генераторы, излучатели приемники, а также многие устройства бытовой техники.

449

Работа пьезоэлектронных приборов основана на пьезоэффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект – возникновение электрического сигнала при механическом воздействии на материал, обратный пьезоэффект – сжатие или растяжение пьезоэлектрика под действием электрического поля. Простейший

пьезоэлемент представляет собой определенным образом ориентированную монокристаллическую пластину, помещенную между двумя металлическими обкладками. Каждый пьезоэлемент эквивалентен колебательному контуру, в котором механическая энергия периодически переходит в электрическую.

Простейшим пьезоэлектрическим прибором является кварцевый резонатор, собственная частота колебаний которого зависит от размеров пластины. Этот прибор широко используется для стабилизации частоты

различных генераторов электромагнитных колебаний в промышленной и бытовой радиоаппаратуре, в качестве эталонов частоты, приборах измерения частоты, полосковых электрических фильтрах.

Обширную группу пьезоэлектрических приборов составляют различные датчики, реагирующие на изменение давления, температуры, перемещения, ускорения за счет того, что даже небольшие изменения размеров пьезоэлемента вызывают заметное изменение его резонансной частоты.

Во многих приборах применяют специальную керамику, у которой пьезоэлектрический эффект выражен сильнее, чем в кварце, в десятки и сотни раз (например титанат бария). Большой интерес при создании микроаппаратуры представляют пьезоэлектрические трансформаторы,

работающие в широком диапазоне частот и позволяющие миниатюризировать эту обычно наиболее громоздкую и тяжелую часть радиоаппаратуры. Пьезотрансформаторы работают на основе прямого и обратного пьезоэффектов с использованием пьезокерамик. Преобразование

энергии из электрической в механическую на входе осуществляется посредством упругих (акустических) волн. На выходе механическая энергия вновь преобразуется в электрическую. Поэтому пьезотрансформатор представляет собой монолитный твердотельный резонатор с электродами, число которых не менее трех. Существует много различных конструкций трансформаторов. Схема простейшего из них приведена на рис. 24.1.

Объем керамики между входными электродами называется возбудителем, а между выходными – генератором. Эффективная работа трансформатора возможна на частотах, близких к резонансной, диапазон

частот реальных трансформаторов составляет от нескольких Герц до мегагерц. Пьезотрансформаторы могут быть понижающими и повышающими. Коэффициент трансформации может достигать 1000, а КПД до 95%. Более широкое применение находят высоковольтные трансформаторы малой мощности, хотя во вторичных источниках питания мощностью менее 10 Вт используются и понижающие пьезотрансформаторы.

450

∙зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов;

∙двухмерность светового потока, и, следовательно, возможность многоканальной обработки информации;

∙высокая несущая частота, обеспечивающая большую полосу пропускания информационных каналов.

Оптоэлектроника включает в себя два основных направления – оптическое и электронно-оптическое. Оптическое или лазерное направление

основано на взаимодействии электромагнитного излучения с твердым телом и включает в себя голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Электронно-оптическое направление использует принцип взаимного

преобразования световой и электрической энергии и позволяет создавать самые различные устройства приема, обработки, передачи и отображения информации. Подробно оптическая электроника была рассмотрена в четвертой части данного пособия.

24.3. Акустоэлектроника

Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называют акустоэлектронным эффектом.

Акустоэлектронный эффект представляет собой взаимодействие ультразвуковых волн частотой от 107 до 1013 Гц с электронами проводимости в металлах или полупроводниках. На рис. 24.3 показан механизм возникновения продольного акустоэлектрического эффекта.

Рис. 24.3. Возникновение продольного акустоэлектрического эффекта

Ультразвуковые волны, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутрикристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что электрические поля, созданные положительными и

отрицательными ионами в промежутках между атомами и молекулами кристаллической решетки, не скомпенсированы, а напряженность могут иметь большую – 108 В/см и более.

Действие ультразвуковых волн состоит в том, что они вызывают колебания кристаллической решетки, а это приводит к изменению напряженности внутрикристаллических полей, которые, в свою очередь, изменяют свое действие на электроны проводимости, поэтому акустоэлектронное взаимодействие называют электрон-фононным

452

взаимодействием. Энергия звуковых волн (энергия фононов) передается электронам проводимости, т.е. происходит электронное поглощение. Ультразвуковая волна как бы «увлекает» за собой электроны. Ток протекает

в направлении распространения звука При воздействии на кристалл внешнего электрического поля,

создающего дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, возможны два случая преобразования: если скорость дрейфа электронов меньше скорости волны, то её энергия поглощается электронами и волна затухает, а если больше, то электроны отдают свою энергию волне и её амплитуда возрастает, т. е. происходит усиление волны. Коэффициент усиления может достигать десятков дБ.

Акустоэлектрический эффект вызывается действием либо объемных ультразвуковых волн в толще звукопровода, либо поверхностных акустических волн (ПАВ). Это упругие волны, распространяющиеся по

свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другой средой и затухающие при удалении от границы.

Наиболее сильно акустоэлектрический эффект выражен в пьезополупроводниках (сульфиды кадмия и цинка, антимонид индия, арсенид галлия и др.). При воздействии на кристалл внешнего электрического поля, вызывающего дрейф электронов в направлении движения звуковой волны, возможно как ослабление, так и усиление

последней в зависимости от соотношения скорости дрейфа электронов и звуковой волны. Акустоэлектрический эффект реализуется либо во всем объеме звукопровода, либо в поверхностном слое (поверхностная акустическая волна).

Приборы на основе акустоэлектрического эффекта могут использоваться для преобразования и обработки сигналов (задержка сигналов во времени или изменение их длительности, частотные и фазовые преобразования, усиление и модуляция амплитуды, кодирование, декодирование, интегрирование и т.д.). На их основе создаются пассивные элементы (линии задержки, фильтры) и активные (усилители, генераторы, модуляторы). Такие устройства на пьезокерамике (ниобат лития, перманганат висмута) позволяют получать в ряде случаев лучшие результаты, чем обычно.

Схема прибора на поверхностно-акустических волнах показана на рис. 24.4.

Рис. 24.4. Принципиальная схема прибора на поверхностно-акустических волнах: 1 – звукопровод, 2, 3 – электроакустические преобразователи

453