Глава 12. АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА

§ 1. Общие сведения

Акустоэлектроника — относительно новая область физической акустики и электроники. Она объединяй как фундаментальные вопросы акустики твердого тела, так многочисленные приложения, главным образом к системам работки сигналов и физике твердого тела. Как самостоятельное направление акустоэлектроника оформилась к концу 60-х годов, хотя отдельные работы, посвященные различным аспектам применения акустических волн (главным образом объемных) в электронике, в частности в линиях задержки и электромеханических фильтрах, появлялись и раньше [1—3]. В этих традиционных приложениях использовались, однако, лишь два свойства акустических волн — малая скорость, составляющая лишь от скорости электромагнитных волн, и относительно низкое затухание на длину волны. Лишь с появлением эффективных методов возбуждения высокочастотных (от 10 МГц до 3 ГГц) поверхностных акустических волн (ПАВ), в особенности с изобретением встречно-штыревого преобразователя, позволяющего эффективно возбуждать и принимать ПАВ в пьезоэлектрических кристаллах, стало возможным говорить об акусто-электронике в том широком смысле, в котором она понимается сейчас. Последнее обусловлено следующими особенностями устройств на ПАВ. Во-первых, это те же малая скорость и затухание поверхностных волн; во-вторых, интегральность исполнения большинства устройств на ПАВ, позволяющая использовать для их изготовления готовую технологию, разработанную ранее для интегральных микросхем; в третьих, доступность тракта ПАВ, энергия которых сосредоточена вблизи поверхности, и связанная с этим возможность эффективного управления характеристиками этих волн с помощью всевозможных электрических и механических внешних воздействий. Наконец, многие а кустоэлектронные устройства обладают поистине уникальными свойствами. Если еще учесть их хорошую воспроизводимость, высокую надежность, то всеобщий интерес к акустоэлектронике станет вполне понятным. Литература по акустоэлектронике весьма обширна. Ей посвящено свыше пяти тысяч оригинальных статей, множество обзоров (см., например, [4—81), несколько монографий [9—14] и специальных выпусков журналов [15], [16]. Мы, разумеется, не будем пытаться осветить все

связанные с ней вопросы, а остановимся лишь на тех, которые представляются узловыми или практически наиболее важными.

Прежде чем переходить к более подробному изложению, перечислим основные достижения акустоэлектроники на настоящий момент. Среди устройств обработки сигналов прежде всего следует назвать полосовые фильтры промежуточных частот на ПАВ. Благодаря возможности получения практически любой частотной характеристики в рамках одноступенчатого технологического процесса миниатюрные фильтры на ПАВ быстро завоевали популярность среди разработчиков радиоаппаратуры и заняли видное место в радиолокационных системах, вычислительной технике, телевидении и т. д. Другими важными устройствами стали резонаторы и резонаторные фильтры на ПАВ, позволившие поднять уровень рабочих частот стабилизированных ими генераторов до гигагерцевого диапазона. Заметную роль в аппаратуре специального назначения играют согласованные фильтры на ПАВ для баркеровских сигналов, иначе называемые устройствами кодирования и декодирования. Широко развились и интегральные аналоги традиционных ультразвуковых линий задержки — линии задержки на ПАВ. Использование ПАВ позволило довольно просто реализовать так называемые искусственные дисперсионные структуры с любым законом дисперсии, которые сейчас с успехом используются при создании согласованных фильтров для частотно-модулированных сигналов, так называемых фильтров сжатия импульсов.

Все перечисленные устройства просты в исполнении и, следовательно, достаточно надежны. Их основными элементами являются тонкие металлические электроды, нанесенные на гладкую поверхность пьезоэлектриков и в некоторых случаях рассеивающие неоднородности типа канавок, вытравленных на той же рабочей поверхности кристалла. В соответствии с терминологией, принятой в электронике, такие устройства часто называют пассивными. К активным относятся устройства усиления ультразвуковых волн, в том числе и ПАВ, за счет передачи энергии дрейфующих электронов волне, различные устройства, использующие параметрическую накачку, генераторы и т. д. В особую группу объединяются устройства, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии .волн между собой или с электрическими, магнитными и механическими полями. Сюда относятся устройства свертки и корреляции, записи и считывания оптических и акустических изображений, различного вида датчики давления, электрического и магнитного полей, акустические модуляторы лазерных пучков и т. д.

Если говорить о применении акустоэлектроники к физике твердого тела, то здесь следует назвать использование развитых в ней методов для определения различных параметров твердых тел — для измерения концентраций и подвижностей носителей заряда в

полупроводниках и металлах, для оценок параметров приповерхностного слоя, констант взаимодействия и т. д. Важную роль акусто-электронные методы в последнее время играют и в экспериментальных исследованиях фазовых переходов, в том числе в тонких пленках.

Следует отметить, что далеко не все возможности акустоэлектроники в полной мере реализованы. В частности, усилители, использующие взаимодействие звука с электронами (благодаря такого рода взаимодействию возник сам термин «акустоэлектроника»), пока уступают по своим показателям устройствам на интегральных микросхемах. Устройства нелинейной обработки сигналов также нуждаются в совершенствовании. Но если говорить об акустоэлектронике в целом, то можно не сомневаться, что уже сейчас она занимает видное место в современной радиофизике и физике твердого тела. В следующих параграфах, в значительной степени посвященных прикладным вопросам, мы обсудим физические основы функционирования главных структурных элементов и поясним принципы действия основных акустоэлектронных устройств.