Реферат: Приборы с акустическим переносом заряда

                                                         ,        .                                                        (3)

Используя эти выражения и закон Гука для изотропного тела, можно записать отличные от нуля компоненты тензора напряжений:

,

,

                                                ,                                                                                              (4)

,

где и  -постоянные Ламе, причем  ,

( -плотность упругого тела).

Решения уравнений (2), описывающие поверхностную акустическую волну, имеют вид:

                                                             ,                                                        (5)

,

где и - частота и волновое число волны,   и   - амплитуды двух компонент волны, и  -коэффициенты, описывающие  спадание  волн сжатия и сдвига в глубь поверхности.

Из условия существования ненулевых решений  получается уравнение Рэлея

                                                              .                                                   (6)

Амплитуды потенциалов и   можно представить в виде:

                                                              ,                                                       (7)

u0i

u0i

.                                                   (8)

h

	C1/
					C3
		а)
					Рис.3.

n

C2

2a

X

       Характер рассеяния ПАВ на периодически расположенных системах неоднородностей определяется интерференцией волн, рассеянных на отдельных элементах системы, и, значит существенно зависит от соотношения между периодом структуры и длиной волны. В рамках борновского приближения можно считать, что падающая на структуру волна в области расположения неоднородностей не удовлетворяет граничным условиям, и в этих областях возникают напряжения, порождающие рассеянные волновые поля. Эти сторонние напряжения можно представить в виде набора гармоник с волновыми числами (- волновое число падающей волны, - волновое число периодической структуры,  -период структуры, -волновое число гармоник напряжений, создаваемых на поверхности, ( ). Если одна из гармоник поверхностных напряжений имеет волновое число, равное или близкое к волновому числу одной из собственных волн системы, происходит интенсивное (резонансное) возбуждение соответствующей волны. Пусть длина волны больше удвоенного периода структуры  ( >, < ). В этом случае поверхностные напряжения расположены слишком часто (или, что то же самое, волновые числа  ,  и  т.д.  слишком велики по модулю) и не могут возбуждать волн в системе. Гармоники напряжений с волновыми числами 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: , . 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=                                                                                       (9)
      Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность которого (m- подвижность электронов) определяется соотношением

                                                                   J=m                                                                                      (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 wи волновым вектором как поток когерентных фононов, каждый из которых несет энергию hn 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 , s- 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 q вокруг направления дрейфа носителей, для которых vdcosq>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=sUL, где U - приложенное к образцу напряжение. Для комнатных температур, когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны (kle<<1), коэффициент поглощения имеет вид

                                                                                               (13)

 где K2=4p2b2/e0rvs2   коэффициент электромеханической связи.

                                                                                                       (14)

                                                             I=0.5cr0v2s0                                                                                  (15)

На высоких частотах, rд=Öe0ve/4pe 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:

                                                  Рис. 4

 Если пренебречь зависимостями коэффициентов поглощения от частоты и принять в расчет только зависимость акустоэдс от интенсивности, то мы получим идеализированную зависимость:

                                                   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.