Физика

Приборы с акустическим переносом заряда


          1.  Техническое описание

      Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов  -
электроакустических   преобразователей   и   звукопроводов.   Кроме    того,
применяются отражатели, резонаторы, многополосковые  электродные  структуры,
акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие  устройства,  а
также активные, нелинейные и управляющие элементы. Для возбуждения и  приема
объемных   волн   в   акустоэлектронике   используются    пьезоэлектрические
преобразователи: пьезоэлектрические пластинки  (на  частотах  до  100  МГц),
пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или  диффузионным  слоем
(в диапазоне частот 50-300  МГц),  пленочные  преобразователи  (на  частотах
выше  100  МГц).  Гиперзвуковые  волны  часто  возбуждаются  с   поверхности
пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей  помещают  в
зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения  и  приема
ПАВ  используются   главным   образом   встречно-штыревые   преобразователи,
представляющие  собой  периодическую  структуру  металлических   электродов,
нанесенных  на  пьезоэлектрический   кристалл.   На   основе   перечисленных
элементов  создаются  различные  акустоэлектронные  устройства.  К  линейным
пассивным  акустоэлектронным  устройствам   относят   устройства   частотной
фильтрации   (фильтры),   акустические   линии    задержки,    согласованные
(оптимальные)  фильтры,  или  дисперсионные  линии  задержки,  кодирующие  и
декодирующие устройства. Наибольшее  распространение  получили  акустические
фильтры  (пьезоэлектрические,  электромеханические,  фильтры   на   объемных
волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания  и
телевидения до космической связи  и  радиолокации  для  выделения  полезного
сигнала  на  фоне  помех,  для  интегрирования  (накапливания)   сигнала   с
определенными характеристиками, для изменения  частотного  спектра  сигнала.
Акустические  линии  задержки  изготавливаются  на   времена   задержки   от
нескольких нс до десятков мс с  рабочими  частотами  от  нескольких  МГц  до
нескольких ГГц. Дисперсионные  линии  задержки,  в  которых  время  задержки
зависит  от  частоты,  применяются  в  качестве  оптимальных  фильтров   для
обработки  линейно  частотно-модулированных  сигналов.  Включение   активных
элементов в акустические линии  задержки  позволяет  усиливать  акустические
сигналы и превращает их в активные  устройства.  Усиление  УЗ-сигнала  может
осуществляться  сверхзвуковым  дрейфом   носителей.   Режим   усиления   при
определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны.  Этот
эффект   используется    для    создания    акустоэлектронных    генераторов
монохроматических    сигналов    и    сигналов    со    сложным    спектром.
Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн  с
электронами проводимости  в  полупроводниках  и  металлах.  Смещение  атомов
решетки, вызванное УЗ-волной,  приводит  к  изменению  внутрикристаллических
полей, что сказывается на  распределении  и  характере  движения  электронов
проводимости. В свою очередь перераспределение электронов и их  направленное
движение  изменяют  картину  деформаций,   а   следовательно,   и   характер
распространения акустической волны в кристалле.
При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и  электронами
проводимости.  Передача  энергии  от   волны   к   электронам   приводит   к
дополнительному  электронному  поглощению  УЗ,  а  передача  импульса  -   к
акустоэлектрическому эффекту. Когда в проводнике  имеет  место  направленное
движение электронов со сверхзвуковой скоростью,  они  отдают  часть  энергии
своего направленного движения волне, в результате  чего  возникает  усиление
УЗ. Кроме того, вследствие АЭВ в  проводниках  возникает  ряд  специфических
механизмов нелинейности  акустических  волн,  обусловливающих  разнообразные
нелинейные эффекты.
AЭВ   представляет   собой   взаимодействие   электронов    с    колебаниями
длинноволновой части акустического спектра (h(<[pic],  [pic]<[pic]  ).  В
этом случае поверхностные напряжения расположены слишком часто (или, что  то
же самое, волновые числа  [pic], [pic] и  т.д.  слишком велики по модулю)  и
не могут  возбуждать  волн  в  системе.  Гармоники  напряжений  с  волновыми
числами [pic]вызывают приповерхностные колебания,  амплитуда  которых  много
меньше амплитуды ПАВ, если возмущение поверхности мало. Учет этих  колебаний
приводит лишь к небольшому изменению скорости волны  Рэлея.  При  уменьшении
длины  волны  первая  пространственная  гармоника  поверхностных  напряжений
совпадает по  модулю  с  волновым  числом  ПАВ,  бегущей  в  противоположном
направлении: [pic],  [pic].  При  этом  интенсивно  генерируется  отраженная
волна.

       3. Количественные характеристики эффекта

         В  замкнутой  цепи  или   электрического   напряжения   на   концах
разомкнутого  проводника   при  распространении  в  нем  акустической  волны
находит проявление акустоэлектрического эффекта -  появление   в  проводнике
постоянного тока .  Акустоэлектрический  эффект  возникает  из-за  увлечения
носителей   тока   акустической   волной    вследствие    акустоэлектронного
взаимодействия, при котором часть импульса, переносимого волной,  передается
электронам проводимости, в результате чего на них  действует  средняя  сила,
направленная  в  сторону  распространения  волны.  В  соответствии  с   этим
акустоэлектрический эффект меняет знак при изменении  направления  волны  на
противоположное.
Передача импульса от волны электронам  сопровождается  поглощением  звуковой
энергии, поэтому действующая на электрон сила  пропорциональна  коэффициенту
электронного поглощения звука  ae  и  интенсивности  акустической  волны  I.
Плоская волна,  интенсивность  которой  при  прохождении  слоя  толщиной  x:
уменьшается за счет электронного поглощения на  величину  aeIx,  передает  в
среду механический импульс  ,  приходящийся  на  nexэлектронов  слоя  (vs  -
скорость звука. ne - концентрация свободных электронов).  Следовательно,  на
отдельный электрон действует средняя сила
                                                                     F=[pic]

         (9)

      Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток,  плотность
которого ((- подвижность электронов) определяется соотношением
                                                                         J=(

    (10)

(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустических полей  выражение
для акустоэлектрического тока получается как  среднее  по  времени  значение
произведения переменной концентрации свободных носителей ,  возникающих  под
действием акустических полей в проводнике, и их переменной скорости .
                                                                    J=e{}

                                    (11)

                           (e - заряд электрона).
     Если рассматривать акустическую волну с частотой (и  волновым  вектором
как поток когерентных фононов, каждый из которых несет энергию h( и  импульс
hk. При поглощении  фонона  электрон  получает  дополнительную  скорость,  н
результате чего появляется  электрический  ток  (2).  На  концах  проводника
возникает эдс, индуцированная звуковой волной (акустоэдс):
                                                              U=(1-exp[-aL])
                                            (12)

где L - длина проводника. I0 -  интенсивность  звука  на  входе  образца,  -
a=ae+a0  коэффициент   поглощения   звука,   учитывающий   как   электронное
поглощение ae так a0 н решеточное a0 ,  (-  проводимость  образца.  За  счет
сильного  пьезоэлектрического  взаимодействия  электронов   проводимости   с
акустической волной на частотах  (0,5 – 1)10-2c-1 и образцах длиной около  1
см возникает акустоэдс нескольких вольт при интенсивности звука 1 Вт/см2.  В
сильных электрических полях акустоэлектрический эффект имеет  место  даже  в
отсутствие  внешней  волны,  из-за  того  что  в  полупроводнике  происходит
генерация и усиление  фононов  внутри  конуса  углов  (  вокруг  направления
дрейфа носителей, для которых vdcos(>vв-. Сила, действующая на  носители  со
стороны нарастающего фононного потока,  имеет  направление,  противоположное
дрейфу  носителей.  В  результате  происходит  их  эффективное   торможение,
приводящее к неоднородному перераспределению электрического поля  в  образце
 и падению полного тока в нем. На опыте этот эффект  обычно  наблюдается  но
отклонению электрического тока через  образец  от  его  омического  значения
J0=(UL, где U - приложенное к образцу напряжение. Для комнатных  температур,
когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны  (kle<<1),
коэффициент поглощения имеет вид
                                                                       [pic]
                        (13)
 где K2=4(2(2/(0(vs2   коэффициент электромеханической связи.
                                                                       [pic]
                                (14)
                                                                I=0.5c(0(2s0

   (15)
На высоких частотах, rд=((0ve/4(e n0 (rд – радиус Дебая-Хюккеля, ve -
тепловая скорость электрона, n0 - плотность электронов), степень
экранирования принимает большие значения. Следующий график показывает
зависимость акустоэдс от частоты падающего излучения:
[pic]
                                                  Рис. 4
 Если пренебречь зависимостями коэффициентов поглощения от частоты и
принять в расчет только зависимость акустоэдс от интенсивности, то мы
получим идеализированную зависимость:

[pic]
                                                   Рис. 5
Зависимость 2 идет круче, чем 1, т.к во втором случае коэффициент
поглощения ае больше, чем в первом.



4.  Практическое использование эффекта в функциональной электронике

    Изготовление   акустической   интегральной    схемы    на    поверхности
 пьезоэлектрического звукопровода включает в себя следующие этапы:
    — изготовление фотошаблона;
    — металлизация рабочей поверхности звукопровода;
    — изготовление самой схемы с помощью фотолитографии.
 Рассмотрим  подробнее   каждую   из   отмеченных   операций.   Изготовление
 фотошаблона  следует  за  расчетами  самой  схемы  по  заданным  параметрам
 акустоэлектронного  устройства.  Начинается  изготовление  фотошаблона   из
 вычерчивания изображения координатографом, который вырезает  на  нанесенной
 на  прозрачную  основу  непрозрачной  пленке  контуры  изображения.   После
 удаления ограниченных замкнутым  контуром  участков  на  пленке  получается
 изображение, соответствующее многократно увеличенному изображению структуры
 акустоэлектронного  устройства.  Рабочее  поле  координатографа   позволяет
 вычерчивать первичный оригинал с размерами  до  1000X1000  мм.  Минимальный
 размер элемента —  0,2—0,5  мм,  точность  положения  —  0,01  мм.  Большое
 развитие получили автоматические координатографы с программным управлением.
 В комплексе с электронно-вычислительной машиной программный  координатограф
 позволяет  автоматизировать  все  операции,  существующие   между   выдачей
 исходных данных на конструкцию акустоэлектронного устройства  и  получением
 первичного оригинала.
   Дальнейшим  этапом  является  изготовление  промежуточного   фотошаблона,
 который создается пересъемом  вычерченного  на  координатографе  первичного
 оригинала.
   Эта пересъемка осуществляется на различных редукционных камерах,  которые
обеспечивают  уменьшение  первичного  изображения  в   5—60   раз.   Съемки
выполняются на высококачественных фотопластинках.
   Наряду с вариантом  технологического  цикла  изготовлений  промежуточного
шаблона, включающем вычерчивание первичного  оригинала  и  пересъем  его  на
редукционной камере,  существует  и  другой  вариант,  использующий  процесс
фотонабора.  Практически  операция  фотонабора   сводится   к   формированию
изображения  непосредственно  в  размерах  промежуточного  фотошаблона.  Все
изображение  при  этом  разбивается   на   элементарные   прямоугольники   с
различными размерами и ориентацией.
   В  фотонаборной  установке  (генераторе  изображения)  имеется  наборная
диафрагма, расположенная в предметной плоскости объектива.  Световой  поток
от лампы вспышки через конденсорную систему линз падает на наборную щелевую
диафрагму. Ширина, длина  и  угол  поворота  щели  диафрагмы  изменяются  с
помощью трех управляющих электродвигателей, которые приводят в движение две
подвижные  пластины  диафрагмы.  Световой   поток,   прошедший   диафрагму,
фокусируется высокоразрешающим объективом на  фотопластинку,  расположенную
на координатном столе. Координатный стол  с  помощью  двух  серводвигателей
перемещается по осям X и У. Таким образом, световое пятно,  соответствующее
выбранной  диафрагме,  проектируется  с  уменьшением  в  нужное  место   на
фотопластине. Известные фотонаборные установки хорошо стыкуются с ЭВМ,  что
позволяет значительно упростить технологический цикл изготовления шаблона.
   В дальнейшем  изготовляют  рабочий  фотошаблон.  Метод  последовательного
уменьшения  предполагает  2—3  этапа  уменьшения  первичного  оригинала   в
процессе пересъема. Второй этап может  быть  совмещен  с  мультишцированием
изображения. При этом уже при пересъеме  получают  окончательный  (рабочий)
фотошаблон.
   Этот  метод  получения  рабочего  шаблона   применяется   при   невысоких
требованиях к изображению: минимальный размер элемента — 5—7 мкм,  точность
положения элемента — 2—5 мкм. Прецизионные же «высокочастотные» фотошаблоны
проходят еще один обязательный этап уменьшения,  осуществляемый  с  помощью
вторичного  пересъема.  Устройства,  осуществляющие  вторичную  пересъемку,
получили    название    фотоповторителей    или    мультипликаторов.    Для
акустоэлектронных  устройств  это  означает   размещение   на   фотошаблоне
различных изображений, соответствующих преобразователям, суммирующим шинам,
отражательным структурам  и  другим  элементам.  Для  реализации  требуемой
структуры на звукопроводе создается либо комплект  рабочих  шаблонов,  либо
один сложный шаблон, содержащий полное изображение всей структуры.  Шаблоны
комплекта снабжаются метками для последующего совмещения.
 Независимо от выбранного метода последующей фотолитографии  на  поверхность
 звукопровода должно быть нанесено проводящее покрытие. Металлизация рабочей
 поверх ности звукопровода производится чаще  всего  вакуумным  способом.  К
 металлической пленке  на  рабочей  поверхности  звукопровода  предъявляются
 следующие требования: малая толщина  (<0,1—0,5  мкм),  равномерность  слоя,
 высокая  электрическая  проводимость,   минимум   микродефектов   (царапин,
 непокрытых  участков)  и  т.д.  Наиболее   распространенными   материалами,
 используемыми для металлизации рабочей поверхности  звукопровода,  являются
 алюминий, золото и медь. Встречно-штыревые  преобразователи,  изготовленные
 из алюминия с подслоем ванадия, успешно работают на звукопроводах из кварца
 и ниобата лития. Медное  или  золотое  покрытие  с  подслоем  хрома  хорошо
 сочетается  с  германатом  висмута.  Пленки  металла  могут  быть  получены
 несколькими путями:
   а)  испарением металла с нагретой проволоки или тигля;
   б) испарением металла с тигля, разогретого электронным лучом;
   в) высокочастотным распылением.
   При выборе  технологии  осаждения  учитывают  толщину  требуемой  пленки,
допустимую степень  нагрева  подложки,,  расход  материала,  направленность
потока материала при распылении. Последний фактор  весьма  существенен  при
получении проводящей структуры осаждением металла  через  окна  в  защитном
рельефе фоторезиста.
   Сама фотолитография — процесс, в результате  которого  образуется  рельеф
заданной формы в металлических пленках или  диэлектрических  материалах.  В
основе  этого  процесса   лежит   свойство   некоторых   высокомолекулярных
соединений формировать под действием света устойчивый к травителям  рельеф.
Различают негативный и позитивный фоторезист.  При  негативном  процессе  в
результате проявления удавляются незасвеченные участки, а  при  позитивном-
засвеченные. Оставшийся после проявления фоторезист  служит  для  получения
изображения  либо  на  покрывающей   подложку   проводящей   пленке,   либо
непосредственно  на  поверхности   звукопровода.   Процесс   фотолитографии
содержит следующие операции:
   — нанесение слоя фоторезиста на подложку;
   — экспонирование фоторезиста;
   — проявление изображения на фоторезисте;
   —  получение  изображения  элементов  акустоэлектронного  устройства   на
поверхности звукопровода.
   Нанесение  фоторезиста  на  подложку  выполняется  различными   методами:
пульверизацией,  «центрифугированием»,  вытягиванием.   Так   как   подложка
акустоэлектронных  устройств   характеризуется   существенным   неравенством
сторон,  то  наиболее  часто  используется  нанесение  фоторезиста   методом
погружения  подложки  в  фоторезист  и   вытягивания   ее   с   определенной
скоростью,,
   Рабочий шаблон непосредственно экспонируется на поверхность звукопровода,
покрытого фоточувствительным слоем. При проекционной печати чаще всего  для
переноса  изображения  применяется  оптическая   система   с   определенным
уменьшением. Контактная печать осуществляется  экспонированием  изображения
от находящегося  в  непосредственном  контакте  со  звукопроводом  рабочего
фотошаблона. Принципиальной разницы между двумя  методами  практически  нет
однако, следует заметить,  что  проекционная  печать  может  осуществляться
одновременно с многократным уменьшением изображения.  В  контактной  печати
такой возможности нет, поэтому требования к фотошаблону значительно выше.
   С помощью фотолитографии наиболее часто  необходимо  получать  проводящую
структуру на  поверхности  диэлектрического  звукопровода.  Существует  два
варианта этого процесса. В одном из них  используется  вакуумное  напыление
металлической пленки на рельеф резиста с последующим удалением  резиста.  В
этом случае проводящая структура образуется на местах, свободных от резиста
после проявления (негативная структура — рис. 5.5.1).
  В  другом  известном  методе  необходимый  рисунок  на  металле  получают
химическим травлением металла через защитный слой  фоторезиста  (позитивная
структура). На  подложку  1  (рис.  5.5.2)  осаждается  пленка  металла  2,
которая: покрывается  слоем  фоторезиста,  образующего  при  фотолитографии
защитный рельеф 3, соответствующий требуемой структуре изображения.
  Трапецевидная форма сечения  резистивного  рельефа  об-;  разуется  из-за
расхождения светового потока при экспонировании и подтраве при  проявлении.
В результате травления металлическая  пленка  остается  лишь  на  участках,
защищенных фоторезистом, после удаления которого на подложке остается  лишь
проводящая структура.
   Химическое травление позволяет  получать линии шириной не менее 4—5  мкм.
Ионное  травление  позволяет  свести  эту  величину  к  1—2  мкм.  Промывка
подложки с полученным  на  ней  проводящим рельефом завершает  изготовление
блока    акустоэлектронного    устройства.    Затем    следуют     операции
предварительного  контроля,  установки  в  корпус,   приварки   выводов   и
окончательного контроля механических и электрических параметров.
   Практическое  воплощение  конструкции  устройств  на   УПЩ   связано   с
 разработкой технологических процессов их  изготовления,  которые,  хотя  и
 основываются  на  базовых  процесса  микроэлектроники,   но   имеют   свои
 специфические особенности. В частности, они должны обеспечивать на порядок
 более    высокую    точность    выполнения    рисунка    встречно-штыревых
 преобразователей устройств на УПВ, обработку поверхностей

 пьезоподложек с  высокой  чистотой  и  плоскостностью,  высококачественное
 напыление  пленок  материалов  с  разными  физико-химическими  свойствами.
 Первым важным этапом при конструировании  акустоэлектронных  устройств  на
 УПВ является выбор материала подложки. Хотя в настоящее  время  существует
 много   пьезоди-электриков,   однако    наиболее    часто    употребляются
 монокристаллический кварц, ниобат лития, германат висмута и поляризованная
 пьезокерамика горячего прессования или горячего литья.  Материал  подложки
 до  некоторой  степени  определяет  технологическую   схему   изготовления
 акустоэлектронного устройства. Эта схема  всегда  включает  в  себя  такие
 основные этапы:
    —  изготовление звукопровода;
    . изготовление фотошаблона согласно расчетам;
    . изготовление акустической интегральной схемы;
    —  монтаж устройства.
   Специфика  конструкции  акустоэлектронных  радиокомпонентов  накладывает
 отпечаток на структуру операций практически  всех  этапов  технологического
 процесса.  Широкий   набор   материалов,   применяемых   для   изготовления
 звукопровода,  требует   гибкости   механической   обработки.   Фотошаблоны
 акустоэлектронных структур по размерам  могут  в  несколько  раз  превышать
 размеры фотошаблонов ИС при более сложной структуре изображения.
   Металлизация звукопроводов акустоэлектронного устройства связана с  рядом
 сложных технических проблем. Во-первых,  это  обеспечение  адгезии  металла
 покрытия с материалом звукопровода. Само нанесение металла  на  поверхность
 звукопровода   большой   длины   требует   создания   и   освоения    новых
 технологических приемов  и  операций.  Те  же  трудности  возникают  и  при
 нанесении фоторезиста на звукопроводы больших размеров. Совмещение  шаблона
 со звукопрово-дом произвольной формы  и  экспонирование  изображения  также
 затруднены  произвольными  формами  звукопроводов.  В  процессе   травления
 металлической  пленки  недопустимо   подтравливание   рабочей   поверхности
 звукопроводов. В связи с этим требуется тщательный  подбор  травителей  для
 каждого  из  материалов,   применяемых   для   изготовления   звукопровода.
 Перечисленные   особенности    технологического    процесса    изготовления
 акустоэлектронных устройств далеко не исчерпывают всей его специфики.
На  этапе  экспериментальных   исследований   акустоэлектронных   устройств
применяются самые разнообразные технологические процессы, основной  задачей
которых является оперативное изготовление  опытных  образцов.  При  этом  к
технологическому  процессу  не  предъявляется  стрем   их   требований   по
минимизации трудоемкости и повторяемости параметров изготовляемых  изделий.
Переход  от  изготовления  изделий  для  лабораторных  исследований  к   их
серийному выпуску требует строгого упорядочения технологического  процесса,
оптимизации  его  с  точки  зрения  основных   производственных   критериев
серийного производства.
   Для таких мелкомасштабных структур, где  обычная  фотолитография  уже  не
обеспечивает   достаточного   разрешения,   необходимо   применять   методы
электронолитографии и рентгенолитографии. Эти  способы  в  настоящее  время
начали  входить  в  технологические  схемы  изготовления  акустоэлектронных
устройств  СВЧ  диапазона.  Они  позволяют  изготовлять   встречно-штыревые
преобразователи  с  шагом  меньше  1  мкм  и   достигать   рабочих   частот
гигагерцевого диапазона.
Литература
   1. Кравченко А.Ф. Физические основы функциональной  электроники:  Учебное
      пособие. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000.
   2. Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов: - М.:  МИРЭА,
      1998.
   3. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Сб. статей.//  Под  ред.
      А.А. Васенкова и Я.А. Федотова. Вып. 10 - М.: Радио и связь, 1989.
   4. Росадо " Физическая электроника и микроэлектроника", М.:Высшая  школа,
      1991, 351 с.
   5. Литовченко В.Г., Горбань А.П. "Основы физики  микроэлектронных  систем
      металл-диэлектрик-полупроводник",Киев, Наукова думка, 1978, 316 с.
   6. Войцеховский А.В., Давыдов В.Н.  "Фотоэлектрические  МДП-структуры  из
      узкозонных полупроводников", Томск, Радио и связь, 1990, 327 с.
   7. Ю.Р. Носов, В.А. Шилин "Основы физики приборов  с  зарядовой  связью",
      М.: Наука, 1996, 320 с.
   8.    Приборы    с    зарядовой    связью,     под     ред.     М.Хоувза,
      Д.Моргана,М.:Энергоатомиздат, 1991, 376 с.
   9. Приборы с зарядовой связью, под ред. Д.Ф. Барба, М.:Мир, 1982, 240 с.
  10. Секен К., Томпсет М. "Приборы с зарядовой связью", М.:Мир, 1978.
  11. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория упругости, 3 изд., М., 1985.
  12. Викторов И. А. «Звуковые поверхностные волны  в  твердых  телах»,  М.,
      1991.

-----------------------



 Рис.1. Система координат к вопросу о распространении рэлеевской волны.

n


 C3

 u0i

 u0i

 C2

 h

 2a

 C1/

 X


 Z

 б)

 а)

 Рис.3.

 uX


 2

 1

????????
 0

 uZ

 X

 q

 Y




смотреть на рефераты похожие на "Приборы с акустическим переносом заряда"