4.2 Акустоелектроніка

Акустоелектроніка — це напрямок функціональної мікроелектроніки, оснований на використанні п'єзоелектричного ефекту. Акусто-електроніка займається перетворенням акустичних сигналів в електричні й електричних в акустичні.

На мал. 4.4, а показана структура елементарного осередку кварцу, що складатьсяє з трьох молекул SiО₂. При відсутності деформації центр ваги позитивних і негативних іонів збігається (плюсом відзначені іони кремнію, мінусом — кисню). Стиск кристала у вертикальному напрямку (мал. 4.4, б) приводить до зсуву позитивних іонів вниз, а негативних нагору. Відповідно, на зовнішніх електродах з'являється різниця потенціалів. Це явище називають прямим п'єзоелектричним ефектом. Існує і зворотний пезоефект, коли під дією прикладеної напруги й у залежності від її полярності пезокристалл (кварц, сегнетова сіль, турмалін і ін.) поляризується і змінює свої геометричні розміри. Якщо ж до піє-зокристаллу прикласти перемінну напруга, то в ньому збуджуються механічні коливання визначеної частоти, що залежать від розмірів кристалу.

Рисунок 4.4- Виникнення пьезо-э. д с. при стиску елементарного осередку кварцу

Одним з основних приладів акустоэлектроники є электроакустичний підсилювач (ЄАУ). На мал. 4.5 показана схема такого підсилювача на об'ємних хвилях.

На торцях напівпровідникового звукопровода (3) розташовані п'єзоелектричні напівпровідникові перетворювачі (П), що за допомогою омічних контактів (ДО) приєднані з однієї сторони до звукопроводу, а з іншого боку — до вхідних і вихідних клем. При подачі на вхід перемінної напруги у вхідному п’єзоперетворювачі збуджується акустична хвиля, що поширюється по звукопроводу. Взаємодія хвилі з рухаючимися в тім же напрямку по напівпровідниковому звукопроводу електронами забезпечує її підсилення.

Рисунок 4.5-Структура электроакустичного підсилювача на об'ємних хвилях: П — п'єзоелектричні напівпровідникові перетворювачі;3 — напівпровідниковий звуковід; ДО — омічні контакти

Для пояснення цього явища розглянемо мал. 4.6. Припустимо, що в звукопровод вводиться гармонійна поздовжня акустична хвиля, що рухається зі швидкістю Vв. Тиск Р в кристалі при цьому від крапки до крапки міняється. У тих місцях, де кристал стискується (Р>0), п’єзо-ерс. (Ев) сповільнює рух електронів, а в тих місцях, де розтягується,— прискорює. У результаті цього на початку кожного періоду хвилі утворяться згустки електронів. При Vе> Vв згустки рухаються в гальмуючих ділянках хвилі і передають їй свою енергію, чим і забезпечується посилення. Подібні акустоєлектронні підсилювачі можуть давати вихідну потужність сигналу порядку декількох ватів, маючи смугу пропускання до 300 Мгц. Їхній обсяг (у мікроелектронному виконанні) не перевищує 1 дм³.

Риcунок 4.- Взаємодія потоку електронів і акустичної хвилі

Основним недоліком об'ємних ЄАУ є порівняно велика потужність, що розсіюється в звукопроводі.

Акустоэлектронні пристрої є дуже перспективними> особливо для широкополосних схем і схем надвисокочастотного (СВЧ) діапазону.