Приборы и методы функциональной микроэлектроники
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Издательство:
Южный федеральный университет
Автор:
Касьянов Александр Олегович
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 99
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-927-52861-5
Артикул: 717720.01.99
Излагаются физические основы такого современного бурно развивающегося направления науки и техники, как функциональная микроэлектроника в части акустоэлектроники и обработка сигналов с помощью упругих волн, распространяющихся в пьезоэлектрических кристаллах. Показано, что развитие акустоэлектроники связано с разработкой сверхминиатюрных устройств, предназначенных для формирования, фильтрации и аналоговой математической обработки сигналов. Несмотря на то, что возможность и целесообразность использования упругих волн для обработки сигналов обусловлено их низкой скоростью по сравнению со скоростью света, большинство вопросов, подробно рассмотренных в данном пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые были практически недоступны студентам. Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисциплинарный характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам: «Электроника» и «Специальные радиоэлектронные устройства».
Предназначено для студентов специальности 11.05.01 - «Радиоэлектронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки - 11.05.02 «Инфокоммуникационные технологии».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 11.05.01: Радиоэлектронные системы и комплексы
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
- 11.05.04: Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерно-технологическая академия А. О. КАСЬЯНОВ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета 2018
УДК 621.38 (075.8) ББК 32. 845я73 К289 Печатается по решению кафедры радиотехнических и телекомму никационных систем Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета (протокол № 6 от 30 января 2018 г.) Рецензенты: доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой радиоэлектроники Донского государственного технического университета М. Ю. Звездина доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики Южного федерального университета Г. Ф. Заргано Касьянов, А. О. К289 Приборы и методы функциональной микроэлектроники : учебное пособие / А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 99 с. ISBN 978-5-9275-2861-5 Излагаются физические основы такого современного бурно развивающего ся направления науки и техники, как функциональная микроэлектроника в части акустоэлектроники и обработка сигналов с помощью упругих волн, распространяющихся в пьезоэлектрических кристаллах. Показано, что развитие акустоэлектроники связано с разработкой сверхминиатюрных устройств, предназначенных для формирования, фильтрации и аналоговой математической обработки сигналов. Несмотря на то, что возможность и целесообразность использования упругих волн для обработки сигналов обусловлено их низкой скоростью по сравнению со скоростью света, большинство вопросов, подробно рассмотренных в данном пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые были практически недоступны студентам. Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисципли нарный характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам: «Электроника» и «Специальные радиоэлектронные устройства». Предназначено для студентов специальности 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки – 11.05.02 «Инфокоммуникационные технологии». УДК 621.38 (075.8) ББК 32. 845я73 ISBN 978-5-9275-2861-5 © Южный федеральный университет, 2018 © Касьянов А. О., 2018 © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2018
СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ….……… 5 ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………….………... 6 1.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ………….……. 9 1.1. Общая характеристика основных типов упругих волн в твердом теле........................................................................................................ 10 1.1.1. Основные типы упругих волн в неограниченном твердом теле.............................................................................................. 10 1.1.2. Упругие волны вблизи границы раздела твердое тело воздух. ПАВ Релея…..................................................……….. 12 1.2. Упругие волны в неограниченном кристалле………....……..…… 16 1.2.1. Элементы статической теории упругости…………...……… 16 1.2.2. Уравнение движения……………………………………...….. 20 1.2.3. Волновое уравнение………………………………………...... 21 1.2.4. Поток упругой энергии……………………………...……….. 25 1.3. Поверхностные акустические волны Релея………….........……… 30 1.3.1. Общая схема решения граничной задачи…………………… 30 1.3.2. Характеристики ПАВ Релея для изотропной подложки…… 33 1.3.3. Характеристики ПАВ Релея для анизотропной подложки… 35 1.3.4. ПАВ Релея в пьезоэлектрических кристаллах…………...…. 40 1.3.5. Распространение волн релеевского типа в тонких слоях….. 44 1.3.6. Отражения ПАВ от разрывов поверхности…………...……. 47 1.3.7. Дифракционные эффекты ограниченных пучков ПАВ…..... 50 2. ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УПРУГИХ ВОЛН…….………. 54 2.1. Встречно-штыревые преобразователи для поверхностных акустических волн (волн Релея)…………………………………. 54 2.1.1. Принцип действия………………………………………….. 54 2.1.2. Импульсная и частотная характеристики ВШП………….. 56 2.2. Метод дискретных источников….....……………………………… 61 2.3. Аподизированные преобразователи……………………………… 64 2.3.1. Физические основы работы……………....…………………. 64 2.3.2. Методика проектирования аподизированного ВШП………. 65
3. ПРИМЕНЕНИЕ УПРУГИХ ВОЛН ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 67 3.1. Общая структура акустической линии…….……………………… 67 3.1.1. Преобразование электрического сигнала в упругую волну 67 3.1.2. Распространение упругих волн…….………………………. 67 3.1.3. Взаимодействие упругой волны с внешней волной..……... 68 3.1.4. Модуляция……………………..…………………………….. 69 3.1.5. Преобразование обработанной волны в электрический сигнал....................................................................................… 69 3.2. Акустические линии задержки………………..…………………… 70 3.2.1. Линии задержки на волнах Релея…………..………………. 70 3.3. Применения линий задержки на ПАВ……........…….……………. 73 3.3.1. Акустические генераторы с АЛЗ в качестве фильтра…… 73 3.3.2. Резонаторы на ПАВ………………………………………… 73 3.4. Сжатие импульсов в акустоэлектронике на основе согласован ной фильтрации…………………………………………………... 76 3.4.1. Согласованный фильтр…………………………………….. 76 3.4.2. Сигналы с линейной частотной модуляцией……………... 77 3.4.3. Частотная характеристика согласованного фильтра при его реакции на ЛЧМ-сигнал…………………………. 80 3.5. Согласованные фильтры на волнах Релея……………………….. 82 3.5.1. Согласованный фильтр для ЛЧМ-сигнала………………... 82 3.5.2. Полосовые фильтры………………………………………... 88 3.5.3. Конвольвер (реализуется свертка сигналов)……………... 91 3.5.4. Коррелятор (реализация корреляционной функции)…….. 93 3.6. Особенности обработки сигналов устройствами на упругих волнах.................................................................................................. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………..……… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………….………………… 94 96 98
СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ПАВ – поверхностные акустические волны ДСК – дифференциальная сканирующая калориметрия ВШП – встречно-штыревой преобразователь АЧХ – амплитудно-частотная характеристика ФЧХ – фазочастотная характеристика ЛЗ – линия задержки ПР – потери при распространении АЛЗ – акустические линии задержки АГ – акустический генератор ФВ – фазовращатель КО – коэффициент отражения АКФ – автокорреляционная функция СФ – согласованный фильтр ЛЧМ – линейно-частотная модуляция ППФ – прямое преобразование Фурье ФЧХ – фазочастотная характеристика ЧМ – частотная модуляция УБЛ – уровень боковых лепестков УБЛ ДН – уровень боковых лепестков диаграммы направленности ДЛЗ – дисперсионная линия задержки КО – коэффициент отражения ЧХ – частотная характеристика ПП – полосы пропускания АМ – амплитудная модуляция ЭМВ – электромагнитная волна СВЧ – сверхвысокие частоты УКВ – ультракоротковолновый
ВВЕДЕНИЕ Важнейшие проблемы современного радиоаппаратостроения – надеж ность, экономичность, стоимость разрабатываемых систем – успешно решаются путем возрастания схематической, технологической, конструктивной интеграции элементов. Рост функциональной и конструктивной сложности аппаратуры постоянно уравновешивается увеличением степени интеграции микросхем, микроузлов, микроэлектронной аппаратуры в целом. При этом сохраняется принцип создания узлов и блоков аппаратуры в виде электрических схем из стандартных радиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.). Однако увеличение степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенный физический предел. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой. Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придают такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой пункции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Таким образом, можно дать следующие определения. Функциональная микроэлектроника – направление электроники, ис пользующее физические явления, позволяющие с помощью достаточно простых («неразборных») структур осуществлять функции, обычно реализуемые с помощью сложного многоэлементного узла. Устройство функциональной электроники (функциональная микро схема) представляет собой электронный прибор, осуществляющий обработку сигналов (усиление, хранение или преобразование) на основе движения физических носителей информации в активной среде с динамически изменяемыми параметрами. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены (ЦМД), пакеты волн различной природы.
Введение 7 Основной структурный элемент, отличающий устройства функцио нальной электроники, – это активная среда, способная накапливать и обрабатывать сравнительно большой объем информации. Примером функционального прибора является широко используемый в радиотехнике кварцевый резонатор. В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить области, соответствующие индуктивности, емкости или резистору. Тем не менее, кварцевая пластина выполняет функцию резонатора, т.е. замещает несколько реактивных элементов и резисторов. При этом не только сокращается число элементов конструкции, но и достигаются новые качества – высокая добротность и стабильность частоты, которые определяются физическими свойствами кварцевой пластины и не могут быть реализованы при использовании электрических цепей, составленных из традиционных электрорадиоэлементов. В настоящее время ведутся исследования во многих перспективных научно-технических направлениях, которые относятся к функциональной микроэлектронике. Перечислим наиболее известные из них. Оптоэлектроника, основой которой является когерентная и некоге рентная оптика, фотоэлектрические, электрооптические и магнитооптические явления, нелинейная оптика. Ряд практических разработок уже находит применение в каналах передачи информации, оптоэлектронных интегральных схемах. Акустоэлектроника использует распространение акустических волн в твердом теле, пьезоэлектрический эффект, взаимодействие электрических зарядов с акустическими волнами, акустооптические явления. Малая скорость распространения акустических волн и малая длина волн позволяют реализовать миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотными свойствами, усилители СВЧ и др. Магнитоэлектроника развивается на основе использования свойств новых совершенных магнитных материалов. В таких материалах могут существовать устойчивые образования в виде ЦМД, применяющихся для создания устройств записи и обработки информации. В магнитодиэлектриках могут распространяться волны, связанные с движением намагниченности,– спиновые волны, выполняющие в СВЧ-диапазоне те же функции, что и акустические волны. Криогенная электроника, основывающаяся на понижении при крио генных температурах энергии носителей заряда, обеспечивает в имеющих
Введение 8 ся разработках усиление сигналов при низком уровне собственных шумов усилителя, а также возможность выполнения логических операций с чрезвычайно низкой мощностью переключения и высоким быстродействием (приборы на основе эффекта Джозефсона). Интерес к криогенной электронике особенно повысился с появлением высокотемпературных сверхпроводников, и эта область электроники претерпевает революционный этап развития. Приборы с переносом заряда (ШВ), или приборы с зарядовой связью (ПЗС), выполняют функции динамических запоминающих устройств, цифровых и аналоговых линий задержки, фоточувствительных изображений в электрические сигналы. Приборы на эффекте Ганна позволяют реализовать усилители и гене раторы СВЧ, ряд других устройств. Имеются и другие направления, например, хемотроника и биоэлек троника, использующие, соответственно, химические взаимодействия и процессы, происходящие в живых организмах. Ниже подробно будут рассмотрено одно из этих направлений: аку стоэлектроника. Основное внимание будет уделено функциональной микроэлектронике диапазона СВЧ, в частности акустоэлектронике – новому перспективному направлению, которое ранее в учебной литературе не освещалось. Пособие состоит из трех разделов. В разд. 1 рассматриваются физи ческие основы акустоэлектроники, в разд. 2 – методы и устройства для возбуждения и регистрации упругих волн и в разд. 3 – вопросы применения упругих волн для обработки сигналов.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ За последние полвека возникло и бурно развивается одно из направ лений функциональной микроэлектроники, образовавшееся на стыке акустики, физики твердого тела и микроэлектроники, – акустоэлектроника. Из многочисленных устройств акустоэлектроники наиболее интенсивно разрабатываются устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Причем техника ПАВ не только разрабатывается, но и заявила о себе рядом промышленно освоенных устройств. Трудно перечислить все области применения ПАВ, в первую очередь – это области техники, развитие которых обусловлено использованием многообразных операций преобразования и аналоговой обработки сложных радиосигналов в реальном масштабе времени, такие как радиоэлектроника, информатика, телевидение и связь. В современных информационных системах акустоэлектронные устройства уже применяются для синтеза, преобразования и усиления сигналов, хранения информации, частотной фильтрации, спектрального и корреляционного анализов. Область технических применений ПАВ стремительно развивается. Это стимулируется как общей тенденцией микроминиатюризации сложных электронных схем, так и уникальными свойствами поверхностных акустических волн. Чрезвычайно низкая скорость распространения и, следовательно, очень малая длина волны этих акустических волн по сравнению с такими же характеристиками электромагнитных волн, а также локализация акустических волн в приповерхностном слое делают ПАВ незаменимыми в микроволновой технике, где для получения тех же характеристик ранее применялись весьма громоздкие системы. Поэтому устройства на ПАВ в области частот от диапазона УКВ (десятки мегагерц) до диапазона низких СВЧ (сотни мегагерц) очень практичны и, кроме того, имеют чрезвычайно малые размеры и массу при высокой механической прочности и надежности. При изготовлении устройств на ПАВ используются те же прогрес сивные технологические методы, что и в производстве планарных микросхем – термовакуумное осаждение тонких пленок, методы прецизионной фотолитографии, микрофотонабор и другие. Схемная, конструктивная и технологическая совместимость устройств на ПАВ с планарными микросхемами определяет перспективы их внедрения в микроэлектронную аппаратуру.
1. Физические основы акустоэлектроники 10 В первых устройствах на акустических волнах использовались объем ные волны. Поскольку в этом случае акустическая волна заключена в объеме кристалла, управление ею затруднено. Эта трудность отсутствует в конструкциях на ПАВ, где возбуждаемая поверхностная волна распространяется вдоль поверхности твердого тела и локализована вблизи нее. При этом управление волной может осуществляться в любой точке на ее пути, что обеспечивает новые широкие возможности применения устройств на ПАВ. В 2015 г. исполнилось 130 лет с тех пор, как великий английский фи зик Релей предсказал существование поверхностных акустических волн в твердом теле. Это открытие, сделанное, как говорится, "на кончике пера", самому Релею, вероятно, представлялось довольно рядовым среди других его выдающихся достижений. Во всяком случае, в своей пионерской статье, касаясь значимости поверхностных волн, он отметил лишь, что они, по-видимому, "играют важную роль при землетрясениях и при ударе упругих тел". Высказанное предположение впоследствии блестяще подтвердилось. Однако это сказалось только началом широкого изучения поверхностных волн. В течение длительного периода не были разработаны эффективные способы возбуждения ПАВ, и только за последние годы внесен наиболее существенный вклад в изучение ПАВ. 1.1. Общая характеристика основных типов упругих волн в твердом теле 1.1.1. Основные типы упругих волн в неограниченном твердом теле Известно, что в зависимости от условий распространения существует много различных типов упругих волн: волны Релея, Гуляева Блюстейна, Лэмба, Лява, Стоунли и др. Однако следует отметить, что в изотропных средах, по существу, имеются только два основных типа волн. Первый тип – это продольные волны, или волны сжатия, распростра нение которых в среде сопровождается смещением частиц среды вдоль направления распространения, т.е. поляризация этих волн параллельна волновому вектору. Распространение плоской продольной волны (рис. 1) ведет к изменению расстояния между параллельными плоскостями, содержащими частицы. При этом изменяется объем, приходящийся на заданное количество частиц. Как видно из рис. 1, для упругой продольной волны в неограничен
1.1. Общая характеристика основных типов упругих волн в твердом теле 11 ной изотропной среде волновой вектор и вектор поляризации волны параллельны. Частицы А, В, С колеблются вдоль одной прямой. В заданный момент времени волна представляет собой последовательность областей сжатия и растяжения. Примером продольных волн могут служить звуковые или акустические волны в жидкостях и газах. Рис. 1. Продольные упругие волны Второй тип – это поперечные или сдвиговые волны, вызывающие при своем распространении смещение частиц перпендикулярно волновому вектору. Сдвиговые упругие волны существуют в твердом теле, которое, в отличие от жидкостей и газов, наряду с сопротивлением объемным деформациям обладает также сопротивлением деформации сдвига, когда элементарный объем среды не меняется (рис. 2). Как видно из рис. 2, в случае поперечной волны частицы А, В и С отклоняются в обе стороны от прямой, на которой они находятся в отсутствии волны. Плоскости, перпендикулярные волновому вектору, скользят одна относительно другой. Если среда анизотропна, то в любом направлении могут распространяться три волны и ни одна из них не является ни чисто продольной, ни чисто поперечной [1]. 1. Квазипродольная волна, где частицы среды совершают колебания вдоль направления, образующего с волновым вектором угол, отличный от нуля. 2. Быстрая квазипоперечная волна. 3. Медленная квазипоперечная волна. Поляризации этих трех волн, распространяющихся с разными скоро стями, всегда взаимно перпендикулярны. Векторы потока энергии, определяющие направление переноса энергии для каждой из волн, образуют разные углы с волновыми векторами.