Акустоелектроніка
АКУСТОЕЛЕКТРО́НІКА — розділ акустики та фізики твердого тіла, що вивчає взаємодію акустичних хвиль із носіями заряду в твердому тілі з метою створення спеціальних пристроїв для функціональної обробки сигналів. Як самост. напрямок науки А. склалася в 60-х рр. 20 ст. на стику акустики твердого тіла, фізики напівпровідників та радіоелектроніки. Виникнення А. та її назва пов’язані з урахуванням акустоелектронної взаємодії (АЕВ). Було виявлено, що наявність у кристалах напівпровідників достатньої кількості вільних носіїв заряду суттєво впливає на акуст. характеристики кристала — спостерігається додатк. поглинання та зменшення акустичних хвиль (АХ). Водночас у результаті зміщення атомів кристаліч. ґратки в акуст. полі та відповід. зміни внутр.-кристалічних електр. полів модулюється рух носіїв заряду — на кінцях розімкненого напівпровідникового зразка при розповсюдженні у ньому АХ виникає електр. напруга, спостерігається акустоелектричний ефект (АЕЕ, Г. Вайнрайх, 1956). Якщо швидкість направленого руху електронів більша за швидкість звуку, то вони віддають частину енергії АХ, в результаті чого відбувається її підсилення (А. Гатсон, Д. Вайт, Дж. Мак-фі, 1961); за відсутності зовні введеної АХ спостерігається за певних умов підсилення теплових акуст. шумів, що призводить до формування акустоелектр. доменів і електр. нестійкості.
Фундам. дослідження АЕВ в об’ємних, шарових та просторово-обмежених матеріалах сприяли розвитку технічної А. — галузі, що розробляє принципи побудови акусто-електрон. пристроїв. Мала швидкість розповсюдження АХ, яка в ~105 разів менша за швидкість електромагніт. хвиль, дозволяє значно зменшити габарити резонанс. елементів, а отже, і масу, затратну енергію та вартість виробів А. у порівнянні з радіотехнічними; доступність фронту АХ, оскільки переважна більшість традиц. пристроїв А. працює на поверхневих АХ, відкриває широкі можливості ефектив. керування характеристиками цих хвиль за допомогою зовн. електричних, мех., оптич. та ін. полів; технол. сумісність з виробництвом планарних мікросхем визначає органічність впровадження процесу виготовлення виробів А. у заг. технологію виробництва мікроелектрон. приладів; а нові функціонал. можливості принципово розширюють можливість таких виробів у цілому.
Виділяють фізичну, технічну та інженерну А., що розвивається в руслі заг. функціональної мікроелектроніки. Розробка фундам. принципів А. сприяла відкриттю цілого спектра явищ електрон-фононної взаємодії, необхідних для розробки нових наук.-тех. методів вивчення твердих тіл, особливо для дослідж. їх поверхневих і приповерхневих властивостей. Залежно від типу кристалів вивчалися такі механізми АЕВ: іонний — в матеріалах з високою густиною іонізованих осн. або домішк. атомів (метали, напівметали, іонні кристали); потенціал-деформаційний — як результат зміни ширини забороненої зони за рахунок деформації (Si, Ge, напівметали); п’єзоелектричний — в кристалах без центру симетрії — найширше досліджений для різноманітних А2В6 та А3В5 кристалів; електрострикційний — за рахунок модуляції АХ діелектрич. сталої ε в кристалах з великою ε (SbSі); магнітострикційний — у феромагніт. металах (нікель і сплави). Названі ефекти АЕВ переважають у випадку розповсюдження АХ з відносно малою інтенсивністю (Wак < 0,1 Вт/см2). З підвищенням Wак збільшується внесок неліній. електронних та фонних процесів, які обмежують лінійні ефекти АЕВ, однак використовуються в роботі спеціальних А. пристроїв (Ю. Гуляєв та ін., 1965–90). При розповсюдженні АХ помірної інтенсивності 0,1 < Wак <10 Вт/см2, коли нелінійні ефекти ще не є визначальними, київ. вчені у 80-х рр. виявили, що в кристалах можуть проявлятися якісно нові явища та ефекти: акустолюмінесценція, акустопровідність та акустофотопровідність, акустохім. реакції, інверсія знаку коефіцієнта Холла та ін. Механізми таких змін електр., оптичних та ін. властивостей матеріалів визначаються взаємодією зовн. АХ і з системою структур. дефектів кристалу, стан яких в умовах експерименту або є нерівноважним, або стає таким при дії звуку. На відміну від ефектів традиційної А., коли АХ взаємодіє безпосередньо з електр. полем носіїв заряду в твердому тілі, такі акустостимульовані явища пов’язані з акустоіндукованими змінами в системі електрично- та оптично-активних дефектів. Роль таких «посередників» у взаємодії АХ з носіями заряду в дислокац. кристалах виконують лінійні та плоскі дефекти типу дислокацій та границь субблоків, а у бездислокаційних — т. зв. метастабільні дефекти, які проявляють властивості акустоактив. центрів. Початок наук. досліджень актив. звуку пов’язаний з відкриттям у 1979 явища акустолюмінесценції (І. Островський, О. Рожко, В. Лисенко). Розвиток ці дослідж. дістали у працях науковців Київ. університету (І. Островський, О. Коротченков, Ю. Халак та інші), Інституту фізики НАНУ (О. Рожко) та в Інституті фізики напівпровідників НАНУ (В. Громашевський, Н. Корсунська, Я. Оліх та ін.). Методи акустоелектрон. дефектів застосовуються при виробництві електрон. елементів. Нині розвивається окремий приклад. напрямок А. — «ультразвукова інженерія дефектів», застосування знаходять такі нові технол. операції, як ультразвук. оброблення, термоакуст. відпал дефектів, акустостимульоване легування та ін.
Функціонально інженерна А. є окремою ланкою в заг. схемі обробки та аналізу радіосигналу; конструктивно — це пристрої, що розробляються в ній. З появою у 60-х рр. 20 ст. ефектив. зустрічно-штиревих перетворювачів та розробкою технології їх виготовлення на діапазон надвисоких, гігагерцових частот інженерна А. протягом 60–70-х рр. стрімко розвивається і переходить у галузі техніки. Різноманітні прилади (десятки типів, на частоти від долей МГц до 10 ГГц при допустимих втратах на подвійне електроакуст. перетворення в межах 20–60 дБ) поділяють на пасивні лінійні (лінії затримки, фільтри), активні лінійні (генератори та підсилювачі), нелінійні пристрої для амплітуд., частот., фазових перетворень, сканування оптич. зображень, кодування та кореляції сигналів, елементи пам’яті та ін. Висока чутливість окремих хвилевидних АХ до стану, зокрема і хім., поверхні звукопроводу або спеціально розміщеної на поверхні звукопроводу тонкого шару ін. речовини, використовується для створення акустоелектрон. датчиків та сенсорів; напр., акустоелектронні атомайзери — сенсори газів та рідин.
Успіш. розвиток А. як у СРСР, так і в Україні зумовлений наявністю в Україні високорозвиненої матеріалознав. бази та наук.-вироб. центрів: лаб. Дніпроп., Львів., Ужгород. та Чернівец. університетів, Харків. НВО «Монокристал», Львів. НВО «Карат» та ін., де вперше було отримано, досліджено, показано перспективність і налагоджено випуск різноманіт. нових напівпровідник. і діелектрич., п’єзо- і сегнетоелектр., склоподібних матеріалів як для А., так і для акустооптики. Поміт. внесок у розвиток А. в Україні зробили вчені та інж. — А. Бєляєв, П. Бурлій, І. Гранкін, В. Дідковський, О. Іздебський, М. Жабітенко, М. Коцаренко, І. Кучеров, Я. Лепіх, В. Лопушенко, О. Миселюк, С. Пекар, В. Перга, В. Пісковий, Б. Тіман, А. Федорченко та ін. Фахівців з А. готують на каф. Нац. тех. університету України «Київ. політех. інститут», каф. матеріалознавства Київ. університету та ін. Дослідж. у галузі А. низькорозмір. систем (квантові ями та провідники) проводять науковці Інституту фізики напівпровідників НАНУ (А. Демиденко, В. Кочелап).
Рекомендована література
- Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела / Пер. с англ. Москва, 1975;
- Зюбрик А. И., Бурак Я. В., Савицкий И. В. Акустоэлектроника. Л., 1980;
- Речицкий В. И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Москва, 1987;
- Вьюн В. А., Ржанов А. В., Яковкин И. Б. Акустоэлектронные методы исследования поверхности полупроводников. Новосибирск, 1987;
- Островский И. В. Акустолюминесценция. К., 1993;
- Хорунжий В. А., Письменецький В. О. та ін. Функціональна мікроелектроніка. Опто- і акустоелектроніка. Х., 1995;
- A. Demidenko, O. Kochelap. Amplification of localized acoustic wave by electron drift in a quantum well // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. Vol. 2, № 1.
Завантажити статтю
