Электростатика

 
 
 
2.2.4. Усилители 
 
Усилители 
представляют собой акустоэлектронное уст-
ройство, предназначенное для усиления акустических сигналов. 
Во всех ранее рассмотренных устройствах функциональ-
ной электроники уровень входного сигнала существенно выше 
уровня выходного, преобразованного сигнала. Это вполне зако-
номерно, т. к. значительная часть энергии затрачивается на пре-
образование одного вида сигнала в другой и обратно, прохож-
дение через звукопровод и т. п. Для сохранения уровня сигнала 
необходимо встраивать усилители, что приводит к значитель-
ным технологическим трудностям. 
Решение проблемы усиления сигналов можно найти, бо-
лее пристально изучая физические процессы при распростране-
нии динамических неоднородностей. Ранее уже указывалось, 
что динамические неоднородности в виде ПАВ являются ре-
зультатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлек-
триками. Распространение акустических волн сопряжено с рас-
пространением волн зарядовой плотности. Усиление акустиче-
ских волн можно производить как за счет подачи на электроды 
ВШП большего сигнала, так и за счет «перекачки» энергии из 
волн зарядовой плоскости в акустические волны. Это явление 
акустоэлектронного взаимодействия, широко используемое в 
конструкциях усилителей. 
В зависимости от типа континуальной среды различают 
ионное 
взаимодействие 
(в 
металлах), 
потенциал-
деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупро-
водниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополу-
проводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника прило-

---

71 
жить внешнее постоянное электрическое поле 
E
0
,создающее 
дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зави-
сеть от соотношения скорости дрейфа носителей 
V
др
и скорости 
звука 
V
а
(рис. 2.26, 
а
).
 
Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости 
распространения ПАВ 
V
a
>V
др
= E
0
( - подвижность электро-
нов), энергия волны поглощается электронным газом. При ско-
рости 
дрейфа, 
большей 
фазовой 
скорости 
ПАВ 
V
дp
>V
происходит перекачка энергии электронов в энергию 
акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распро-
странения и, соответственно, на выходных ВШП получится 
усиленный сигнал. 
Таким образом, за счет перераспределения энергии в ди-
намических неоднородностях различной физической природы 
можно получить эффект усиления. Исследовались конструкции 
усилителей на основе этого эффекта. В частности акустоэлек-
тронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.26, 
б. 
Рис. 2.26. Схема взаимодействия динамических 
неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими 
свойствами (
а
), конструкция усилителя на ПАВ (
б
); 1
 - 
акусти-
ческая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического 
поля 
E
0
; 2 - то же в присутствии поля 

---

72 
С целью обеспечения взаимодействия динамических не-
однородностей различной физической природы предложены 
две континуальные среды. В одной преимущественно распро-
страняются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой - 
электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляет-
ся путем создания слоистых структур с использованием техно-
логии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется 
стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, на-
пример, на основе ниобата лития, на поверхности которого на 
изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка 
антимонида индия толщиной около500 Å. Вся поверхность по-
крывается достаточно толстой (порядка 1000 Å) защитной 
пленкой диоксида кремния. Края полупроводниковой пленки 
снабжены омическими контактами для подвода дрейфового на-
пряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть ис-
пользованы также CdS, CdSe, ZnS, ZnO, GaAs и др. 
Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи ра-
бочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить 
полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие 
ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем элек-
трические токи. Если теперь приложить постоянное электриче-
ское поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупро-
воднике в направлении распространения ПАВ, то носители за-
ряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления 
волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазо-
вую скорость ПАВ. 
Детектором является ВШП, на который поступает усилен-
ная акустическая волна. В качестве устройства управления ис-
пользуется пленка полупроводника в слоистой структуре на 
тракте распространения сигнала. 
На основе использования явления взаимодействия ПАВ с 
носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структу-
рах разработаны акустоэлектронные усилители. 

---

73 
На рис. 2.27 показано устройство акустоэлектронного 
усилителя на поверхностных волнах.
На сапфировой подложке 3 в пространстве между вход-
ным и выходным встречно-штыревыми преобразователями 
(ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристал-
лический слой кремния 
n
-типа 2 толщиной около 1 мкм. У кра-
ев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода 
дрейфового напряжения 
U
др
. Между акустической подложкой 4 
и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина 
воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усили-
ваемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 
20 нм – для 1 ГГц).Такие усилители могут работать как в им-
пульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэф-
фициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ. 
Рис. 2.27. Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:
1 – воздушный зазор; 2 – кремниевая пленка;
3 – сапфировая подложка; 4 – акустическая подложка 

---

74 
Анализ показал, что акустоэлектронные усилители могут 
работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах уси-
ления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах 
от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных 
частотах 10 Гц с полосой порядка 10 %. 
Акустоэлектронные усилители выполняются по микро-
электронной технологии и легко монтируются в соответствую-
щие системы. 
В настоящее время разработка функциональных акусто-
электронных устройств достигла такого уровня, что они спо-
собны заменить отдельные схемотехнические устройства при 
работе в реальном масштабе времени с выигрышем не только 
по потребляемой энергии и надежности, но также по стоимости 
габаритам и стоимости. Однако на пути широкой практической 
реализации этих приборов стоят еще значительные технологи-
ческие трудности.