Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы АІІІВV. Устройства на ПАВ. Светодиоды. Лазерные диоды

Функциональные устройства на поверхностных акустических волнах

Выше мы уже отмечали, что полупроводники группы являются также пьезоэлектриками. Это связано с тем, что элементарная ячейка их кристаллической решетки не имеет центра инверсии, и поэтому при упругих деформациях сжатия/растяжения или сдвига в них возникает электрическая поляризация. Пьезоэлектрические свойства арсенида галлия и других полупроводников указанной группы с успехом используют для создания эффективных функциональных устройств на поверхностных акустических волнах.

Напомним, что "поверхностные акустические волны" (ПАВ) – это волны упругих механических деформаций, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль поверхности раздела его с жидкостью или газом.

Для возбуждения и детектирования ПАВ используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Первый заключается в том, что при механической деформации анизотропного пьезоэлектрика возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные точки деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при подаче на указанные электроды электрического напряжения в кристалле возникает механическая деформация.

Чаще всего для возбуждения и детектирования ПАВ на поверхности пьезокристалла формируют т.н. "встречно-штыревые преобразователи" ( рис. 9.2). Они состоят из двух электродов, имеющих форму гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Штыревые электроды вставлены друг в друга "навстречу" так, что штыри не касаются, а образуют периодическую структуру. Когда на электроды встречно-штыревого преобразователя 1 подается переменное напряжение, на поверхности пьезоэлектрического материала возникают и распространяются волны механического сжатия и растяжения с частотой переменного напряжения.

Если период расположения штырей в каждом "гребешке" равен длине волны ПАВ, то деформации, вызванные соседними парами штырей, становятся синфазными и усиливают одна другую. Условие наиболее эффективного (резонансного) возбуждения ПАВ математически записывается так:

( 9.2)

Эффективность возбуждения ПАВ и скорость их распространения зависят от материала пьезоэлектрика, от кристаллографической ориентации его поверхности и от направления распространения, так как кристаллы являются анизотропными. Оптимальными для арсенида галлия, например, являются плоскость среза поверхности (100) и направление распространения [110]. Скорость распространения ПАВ в этом направлении составляет при комнатной температуре = 2864 м/с.

Рис. 9.2. Принцип возбуждения и детектирования ПАВ: 1 – преобразователи электрического сигнала в ПАВ; 2 – приемники ПАВ и преобразователи ее в электрический сигнал

Распространяясь вдоль поверхности арсенида галлия (на рис. 9.2 это условно показано штрихованными стрелками), ПАВ преодолевает расстояние в 100 мкм приблизительно за 35 нс. Когда волна доходит до встречно-штыревого преобразователя 2, между парой соседних штырей возникает переменное электрическое напряжение с частотой ПАВ. Поскольку все "штыри" каждого из электродов гальванически связаны, то напряжения, возникающие между всеми соседними парами штырей в ходе распространения ПАВ, складываются. Поэтому напряжение на выходе приемника будет наибольшим только в случае совпадения их фаз, т.е. тогда, когда расстояние между соседними парами штырей равно длине волны, т.е. когда оно удовлетворяет тому же самому условию (9.2). Поскольку штырей в приемнике ПАВ обычно намного больше, то и резонанс здесь оказывается значительно острее.

При скорости распространения ПАВ = 2864 м/с для встречно-штыревого преобразователя 2 с периодом расположения штырей в каждом "гребешке" 2,864 мкм (такие расстояния были характерны на этапе "микроэлектронной" технологии) резонансной является частота Гц = 1 ГГц. На "наноэлектронном" этапе развития использование нанолитографии позволило значительно уменьшить период расположения штырей и благодаря этому увеличить частоту анализируемых волн. Например, при 286,4 нм резонансная частота возрастает до 10 ГГц, а при 28,64 нм – до 100 ГГц.

Таким образом, геометрическая структура "приемных" встречно-штыревых преобразователей обеспечивает высокую селективность приборов на ПАВ. Если структура периодическая, то она представляет собой высокодобротный частотный фильтр. Добротность такого фильтра тем выше, чем больше число штырей в приемной части преобразователя.

Если же из широкополосного сигнала должны приниматься лишь составляющие, определенным образом модулированные по амплитуде, частоте, фазе и т.п., то преобразователь 1 формируют относительно коротким, чтобы он возбуждал ПАВ, модулированную так же, как и входной сигнал. А геометрическая структура приемного встречно-штыревого преобразователя 2 должна соответствовать пространственной структуре возбуждаемой ПАВ. Прибор на ПАВ представляет собой в этом случае высокоэффективный коррелятор, который выдает на выходе пик напряжения в том случае и именно в тот момент времени, если и когда пространственная структура поверхностной акустической волны совпадает с геометрической структурой встречно-штыревых электродов. Благодаря распространению ПАВ в направлении преобразователя 2 прибор автоматически "фазируется" и синхронизируется с сигналом, поступающим на его вход, – в этом заключается его большое преимущество.

Теоретически для тех же целей можно было бы использовать быстродействующий цифровой коррелятор. Но это требует весьма больших затрат. Ведь сначала надо превратить аналоговый высокочастотный (единицы-десятки гигагерц) сигнал в миллиарды цифровых кодов, а потом вычислять его корреляцию с заданным "эталоном" для каждого из миллиардов дискретных моментов времени. Ведь сдвиг во времени между принимаемым сигналом и "эталоном" заранее неизвестен. Не удивительно, что коррелятор на ПАВ оказался в тысячи-миллионы раз эффективнее.

Именно по этим причинам приборы на ПАВ широко используют в современной радиотехнике – и в сотовой радиосвязи, и в системах глобальной ориентации (GSM), и в системах цифровой связи, локальной беспроводной связи и т.д. Такие приборы используют как фильтры промежуточной частоты, выходные фильтры, многомодовые фильтры и калиброванные линии задержки с незначительным затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т.д.

Изготовителями поставляются специальные пакеты программного обеспечения для моделирования и проектирования приборов на ПАВ, для расчета их геометрической структуры и каскадных соединений. Сейчас свыше 100 промышленных компаний мира ежегодно разрабатывают и изготовляют порядка 1000 типономиналов заказных акустоэлектронных приборов на ПАВ.

Опишем, в качестве примера, применение сенсоров на ПАВ для радиоидентификации багажа, ценных и ответственных почтовых отправлений, контейнеров, других транспортных единиц. Технология слежения за их перемещением показана на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схема функционирования системы радиоидентификации багажа: 1 – микрокомпьютер; 2 – генератор; 3 – радиоантенна; 4 – радиоприемник; 5 – фазовый детектор. Справа – топология селектора на ПАВ

В багаж, подлежащий усиленному контролю, за дополнительную плату вкладывают небольшой наноэлектронный радиоидентификатор с двоичным индивидуальным кодом. В аэропортах, на вокзалах, в морских или речных портах, на территориях транспортных узлов и контрольных пунктов устанавливают системы радиоидентификации. В состав такой системы входит микрокомпьютер 1, который через каналы связи принимает запросы на проверку контролируемых грузов. Получив запрос с их кодами, он обеспечивает через генератор 2 и радиоантенну 3 излучение на частоте порядка нескольких гигагерц фазоманипулированных радиосигналов с "позывными" этих грузов. Заложенные в них радиоидентификаторы принимают эти позывные, усиливают и подают на свой индивидуальный ПАВ селектор.

Упрощенная топология встречно-штыревого преобразователя в таком селекторе, соответствующая коду "110011011", изображена на рис. 9.3 справа. Здесь показаны только 9 двоичных разрядов. На самом деле длина индивидуального кода достигает 128 бит. Пик напряжения на выходе такого селектора появляется лишь тогда, когда код радиопозывного сигнала точно совпадает с его собственным индивидуальным кодом. Лишь в таком случае, радиоидентификатор с незначительной временной задержкой "откликается" на позывной сигнал, посылая в ответ свой код. Этот отклик принимается антенной 3, усиливается радиоприемником 4 и передается на фазовый детектор 5, который формирует двоичный код. Микрокомпьютер 1 сравнивает этот код с кодами контролируемого груза и, когда они совпадают, фиксирует это в своей памяти. Дальше генератором 2 и радиоантенной 3 излучаются позывные следующего контролируемого груза, и процесс повторяется. После обработки всего запроса микрокомпьютер формирует ответ на него и через каналы связи автоматически информирует источник запроса о наличии или отсутствии в данном контрольном пункте соответствующих грузов.

Подобные сенсоры на ПАВ используют также в системах безопасности для радиоидентификации автомобилей и других транспортных средств, в качестве "пропуска" на объекты с ограниченным доступом и т.д.