Изучение классификационных признаков и системы условных обозначений интегральных микросхем. Изучение конструкций и методов изготовления различных типов микросхем. Исследование полосового фильтра-линии задержки на поверхностных акустических волнах, страница 4

Структура электрического поля, создаваемого преобразователем

Рис.4,б. Двухфазный преобразователь (встречно-штыревой):

1-подложка пьезоэлектрика; 2-первый металлический электрод;

 3-второй металлический электрод

Акустоэлектронные устройства выполняются как из одного пьезодиэлектрического материала, так и из комбинации материалов (по принципу звуковода с пьезодиэлектрической пленкой). Металлические электроды решетки при этом формируются на поверхности подложки (звуковода) с последующим покрытием их пьезодиэлектрической пленкой. Так как встречно-штыревые преобразователи (фазовые решетки) обладают собственной емкостью, то эффективного преобразования необходимо согласовывать входной преобразователь с генератором, а выходной –с нагрузкой. Этого достигают либо правильным выбором длины электродов-преобразователей, либо при помощи специальных согласующих устройств, чаще всего индуктивных с параллельной или последовательной схемой подключения.

Изготавливают устройства на ПАВ в настоящее время по тонкопленочной технологии: в основном это линии задержки на ПАВ, полосовые фильтры, усилители ПАВ.

2.  Линии задержки ПАВ

Простейшая конструкция ультразвуковой линии задержки (УЛЗ) состоит из подложки (звукопровода) и двух преобразователей для возбуждения и приема сигналов. Время задержки сигнала определяется расстоянием между преобразователями и скоростью распространения ПАВ. Максимальное время задержки одноканальной УЛЗ ограничено размерами кристалла (подложки) и составляет примерно 100 мкс.

На основе ПАВ создают многоотводные УЛЗ (рис.5). На основе таких многоотводных УЛЗ изготавливают фильтры для обработки, кодирования и декодирования сложных радиосигналов.

Рис. 5. Многоотводная УЛЗ: 1-пьезоэлектическая подложка;

 2-излучатель ПАВ; 3,4,5-приемники излучения ПАВ

3.  Полосовые фильтры на основе ПАВ

Конструкция полосовых фильтров на ПАВ подобна конструкции УЛЗ. Различие здесь только в том, что в фильтрах входной и выходной преобразователи располагают как можно ближе друг к другу. Расстояние между ними определяется допустимым коэффициентом связи через емкость, образованную электродами преобразователей, и диэлектрической проводимостью подложки.

Конструкция преобразователей в значительной степени определяет АЧХ фильтра. Центральная частота фильтра задается условием f0=V/λ, где V-скорость ПАВ, а полоса пропускания и крутизна АЧХ зависят от количества штырей в преобразователях. Обычно АЧХ такого фильтра имеет, кроме основного максимума на частоте f0, еще и дополнительные паразитные максимумы, симметричные f0. Пример АЧХ фильтра на ПАВ приведен на рис.6.

Рис. 6. АЧХ фильтра на ПАВ

С целью уменьшения уровня боковых составляющих применяются преобразователи со сложной формой перекрытия встречных электродов (аподизованные преобразователи). При этом можно изменять и форму АЧХ. Для расширения полосы пропускания фильтра преобразователи делают с переменным периодом решетки, тем самым добиваются требуемой АЧХ фильтра.

4.  Усилитель на ПАВ

Вследствие прямого пьезоэффекта распространение ПАВ в приповерхностной области полупроводникового пьезокристалла сопровождается продольным электрическим полем. Для усиления ПАВ необходимо обеспечить взаимодействие переменного электрического поля со свободными электронами, дрейфующими в пьезокристалле под действием внешнего поля (постоянного или импульсного). Скорость дрейфа свободных электронов V0 близка к скорости распространения волны ПАВ (см. рис. 7, 8).

В той части кристалла, где вектор напряженности электрического поля  совпадает по направлению с вектором  поле  для электронов тормозящее; там, где  противоположен , поле  ускоряет движение электронов.

Рис. 7

Рис. 8

Если V0=V, то электроны группируются в сгустки в тех участках, где , и обмена энергией между электронами и переменным полем не происходит (рис. 8, а).

Если V0 >V, то сгустки электронов находятся в тормозящем поле волны (рис. 8, б). При этом энергия электронов переходит к волне и происходит ее усиление.

Если V0 <V, то сгустки электронов находятся в ускоряющем поле, и энергия волны переходит к ним. Таким образом, амплитуда волны падает (рис. 8, в).

Необходимая скорость дрейфа электронов в полупроводниковом пьезокристалле с известной подвижностью электронов μn обеспечивается соответствующим напряжением источника внешнего смещения U0 и длиной звукопровода, к которому оно приложено: V0nU0/L, где L –длине звукопровода, т.е. V0nE.

Существует несколько конструкций усилителей ПАВ. Наиболее перспективным является интегральный усилитель со слоистой структурой (см. рис. 9).

Рис. 9.

Усилитель ПАВ со слоистой структурой: 1-пленка высокоомного пьезодиэлектрика (ZnO или N3Al); 2-полупроводниковая пленка; 3-подложка из монокристаллического диэлектрика (сапфир)

Сапфирная подложка позволяет рассеивать большую мощность усилителей ПАВ.

Усилители ПАВ работают в диапазоне частот от десятков мегагерц до единиц гигагерц. Они имеют прочную конструкцию, высокую надежность. Однако в настоящее время эти усилители широкого применения не нашли вследствие большого уровня шумов и малого динамического диапазона коэффициента усиления.

Правила выполнения лабораторных работ

Подготовленность к лабораторной работе предполагает, прежде всего, знание соответствующего теоретического материала. Необходимо также знать, в какой последовательности следует выполнять измерения.

При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности и внутреннего распорядка. На время перерывов и по окончании работы необходимо выключать все питающие напряжения.

Студент имеет право приступить к лабораторной работе, только получив допуск преподавателя. Результаты измерений заносят в рабочую тетрадь, которую проверяет преподаватель.

Отчет о проделанной работе должен содержать краткое содержание работы, блок-схему измерений, таблицы экспериментальных данных, графические построения (только на миллиметровой бумаге) и вывод по работе. К отчету прилагаются результаты измерений с подписью преподавателя.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Лабораторная работа № 1. Изучение классификационных признаков и системы условных обозначений интегральных микросхем

3

Лабораторная работа № 2. Изучение конструкций и методов изготовления различных типов микросхем

5

Лабораторная работа № 3. Исследование полосового фильтра-линии задержки на поверхностных акустических волнах

9

Приложение.

Основные свойства поверхностных акустических волн

12

Конструкция и технология изготовления устройств на поверхностных акустических волнах

13

Правила выполнения лабораторных работ

18