Акустоэлектроника - раздел акустики, на стыке акустики твердого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. Акустоэлектроника занимается исследованием принципов построения ультразвуковых устройств для преобразования и обработки радиосигналов. Преобразование СВЧ-сигнала в звуковой, длина волны которого в 10⁵ раз меньше, значительно облегчает его обработку. Для выполнения операций над сигналами используются взаимодействие ультразвука с электронами проводимости (см. Акустоэлектронное взаимодействие), электромагнитными полями, оптическим излучением, а также нелинейное взаимодействие акустических волн (см. Нелинейная акустика). Акустоэлектронные устройства позволяют производить различные операции над сигналами: преобразования во времени (задержку сигналов, изменение их длительности), частотные и фазовые (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), изменение амплитуды (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, получение функций свертки, корреляции сигналов и т. д.). Выполнение таких операций часто необходимо в радиолокации, технике дальней связи, системах автоматического управления, вычислительных и др. радиоэлектронных устройствах. Акустоэлектронные методы в ряде случаев позволяют осуществлять эти операции более простым и рациональным способом.

В акустоэлектронных устройствах используются УЗ-волны высокочастотного диапазона и гиперзвуковые волны (от 10 МГц до 10 ГГц), как объемные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные. Основным преимуществом поверхностных акустических волн (ПАВ) является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств; поэтому большинство устройств выполняется на ПАВ.

Общие параметры акустоэлектронных устройств: рабочая частота f, полоса частот , полные вносимые потери В и время обработки сигнала . Значения f и определяются в основном характеристиками электроакустических преобразователей, - размерами звукопровода и скоростью звука в нем, а В - потерями иа двойное преобразование, отражение и поглощение звука. Важным параметром акустоэлектронных устройств является информационная емкость, определяемая как .

По физическим принципам, лежащим в основе работы, и по назначению акустоэлектронные устройства можно разделить на пассивные линейные устройства, в которых производится линейное преобразование сигнала (линии задержки, фильтры и др.), активные линейные устройства (усилители и генераторы сигналов) и нелинейные устройства, где происходят генерация, модуляция, перемножение и др. преобразования сигналов.

Элементы акустоэлектроники. Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов - электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.

Для возбуждения и приема объемных волн в акустоэлектронике используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц), пленочные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приема ПАВ используются главным образом встречно-штыревые преобразователи (рис. 1, а), представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл.

В качестве звукопроводов для акустоэлектронных устройств применяются монокристаллы диэлектриков, пьезоэлектриков, полупроводников - в зависимости от назначения и характеристик устройства (кварц, сапфир, ниобат лития и др.). Для изменения направления распространения акустического пучка в УЗ-линиях задержки и др. устройствах применяются отражатели: для объемных волн - хорошо отполированные свободные плоские поверхности звуконровода, для ПАВ - решетки с периодом d из металлических или диэлектрических полосок или канавок в звукопроводе (рис. 1, б, в), установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне. Интерференция ПАВ от большого числа отражателей позволяет получить высокий коэффициент отражения K_отр в узкой полосе частот, так, при 100 полосках K_отр достигает 98% в узкой полосе с центральной частотой , где c_п - скорость ПАВ.

Отражение объемных акустических волн от граней кристаллов позволяет создавать пьезокристаллические монолитные или пленочные резонаторы. Наиболее широко используются кварцевые резонаторы в диапазоне частот 0,5-30 МГц, их добротность достигает 10⁶. Напылением тонких эпитаксиальных пьезоэлектрических пленок CdS, ZnO или AlN на диэлектрическую подложку создают резонаторы на частоты до 10 ГГц.

Системы отражателей для ПАВ позволяют создавать резонаторы с добротностью ~105 и низкими вносимыми потерями (5 дБ) в диапазоне частот 30-1000 МГц. В этом случае между отражателями 2 (рис. 2) создается стоячая поверхностная волна, которая возбуждается и принимается преобразователем 1. Добротность такого резонатора определяется коэффициентом отражения ПАВ от отражателей и ее поглощением в звукопроводе.

Разновидностью отражателей для ПАВ являются многополосковые электродные структуры (МЭС), состоящие из однородной незамкнутой периодической системы металлических полосок (рис. 3), расположенных перпендикулярно направлению распространения ПАВ. В МЭС падающая волна занимает лишь половину их апертуры (канал I). При достаточной длине МЭС это приводит к тому, что волна, распространяющаяся в канале I, возбуждает связанную с ней моду колебаний в канале II, чем достигается направленное ответвление волны. МЭС позволяют создавать направленные ответвители ПАВ, расширять и сжимать пучки ПАВ, изменять траектории пучков, создавать эффективные отражатели ПАВ, однонаправленные преобразователи и т. д.

Частным случаем звукопроводов являются акустические волноводы. На объемных волнах они представляют собой полоски, ленты или проволоку, в которых возбуждаются определенные моды. Такие волноводы служат в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки, если волноводы возбуждаются на модах, обладающих заметной дисперсией. В случае ПАВ волноводы представляют собой металлические или диэлектрические полоски (рис. 4) определенных размеров и сечений. Волноводы служат для канализации энергии ПАВ, изменения их направления распространения, увеличения времени задержки и т. д.

Концентраторы - звукопроводы переменного сечения, которые служат для увеличения плотности энергии УЗ-волн и для ввода энергии в акустические волноводы. Для ПАВ - это металлическая или диэлектрическая полоска переменного сечения (рис. 5).

В качестве активных акустоэлектронных элементов используются пьезополупроводниковые монокристаллы, пьезополупроводниковые пленки или слоистые структуры "пьезоэлектрик-полупроводник". В активных элементах происходит взаимодействие УЗ с электронами проводимости, что позволяет их использовать для усиления и генерации волн, для управления их амплитудой и фазой.

В качестве нелинейных элементов применяются диэлектрические звукопроводы с большими акустическими параметрами нелинейности, пьезополупроводниковые материалы и слоистые структуры. Их работа основана на использовании различных механизмов нелинейного взаимодействия: упругого, пьезоэлектрического, электрострикционного, и особенно акустоэлектронного. Кроме того, применяются системы полупроводниковых диодов, связанных с системой электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрического звукопровода. Нелинейные элементы позволяют перемножать акустические сигналы, производить акустическое детектирование, преобразование частоты и другие более сложные преобразования сигналов.

Устройства акустоэлектроники. На основе перечисленных элементов создаются различные акустоэлектронные устройства. К линейным пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания и телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.

Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.

Наибольшее распространение получили генераторы сигналов (т. н. осцилляторы), в которых резонатор на ПАВ включен в цепь обратной связи транзисторного усилителя. Такие генераторы достаточно просты, малогабаритны и работают в диапазоне частот от 20 МГц до нескольких ГГц. В них возможна электронная перестройка частоты, или частотная модуляция.

Управление фазовой скоростью ПАВ при приложении к кристаллу электрического поля или при изменении его проводимости лежит в основе акустоэлектронных фазовращателей.

Основные нелинейные акустоэлектронные устройства - приборы аналоговой обработки сигналов - конвольверы (или конволюторы) и корреляторы, а также устройства акустической памяти. Конвольверы предназначаются для получения функции свертки V(t) двух сигналов F₁(t) и F₂(t):
.
В основе их работы лежит нелинейное взаимодействие бегущих навстречу друг другу акустических волн одной и той же частоты, огибающие которых представляют собой сигналы F₁ и F₂. В результате нелинейного взаимодействия возникает электрический сигнал на удвоенной частоте, снимаемый интегрирующим электродом. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна интегралу свертки
,
сжатому в два раза во времени вследствие встречного распространения акустических волн. В конвольверах используется также взаимодействие волн с различными частотами. В этом случае интегрирующий электрод выполняется в виде периодической структуры с периодом, определяемым пространственными биениями нелинейного сигнала на суммарной или разностной частоте.

Для выполнения операции свертки используется нелинейное взаимодействие ПАВ в слоистой структуре "пьезоэлектрик-полупроводник" (рис. 6). Преобразователи 1 и 2 излучают сигналы на частоте навстречу друг другу. При этом электрические поля, сопровождающие ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе 3, создают в граничащей с ним полупроводниковой пластине 4 поперечный ток. Этот ток интегрируется электродом 5, и сигнал с частотой поступает в приемное устройство. Аналогичным образом осуществляется работа конвольвера на основе взаимодействия ПАВ в пьезо-диэлектриках, обусловленного упругим и пьезоэлектрическим механизмом нелинейности. В случае прямоугольной формы огибающих взаимодействующих сигналов результирующий сигнал имеет треугольную форму (рис 7, а), а при взаимодействии двух пар прямоугольных импульсов - форму трезубца (рис. 7, б). В случае симметричных сигналов свертка совпадает с автокорреляционной функцией.

Устройство, показанное на рис. 6, позволяет производить обращение сигнала F₁(t) во времени. На входной преобразователь 1 подается сигнал F₁(t) и в момент, когда он проходит под электродом 5, па последний подают -импульс (или очень короткий радиоимпульс), В результате нелинейного взаимодействия в направлении к преобразователю 1 распространяется обратная волна, представляющая собой обращенный во времени сигнал F₂(t)=F₁(-t). Например, если сигнал F₁(t) представляет собой пару из короткого и длинного импульсов, то в сигнале F₂(t) короткий и длинный импульсы меняются местами (рис. 8). Корреляторы предназначаются для получения функции корреляции двух сигналов:
.
Функцию корреляции сигналов можно получить с помощью устройства свертки, если один из сигналов предварительно обратить во времени. При этом встречное взаимодействие приводит к тому, что сигнал корреляции снова будет сжат в два раза.

В системе "пьезоэлектрик-полупроводник" наряду с операцией свертки или корреляции осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустических сигналов; такие устройства называются устройствами акустической памяти. Запоминание акустических сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустических волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустической волны. Перераспределение заряда под действием этого поля создает объемный неоднородный заряд на примесных центрах захвата, который будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Таким образом, время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников. Использование легированного кремния позволяет запоминать акустические сигналы на время в несколько сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей па электрод 5 (рис. 9) сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем 2. Кроме того, в устройствах акустической памяти используют взаимодействие акустического сигнала частоты с однородным электрическим полем той же частоты. В результате этого запоминается периодическая структура с периодом, равным длине акустической волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты . Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляционную обработку.

Сигнал свертки, как и сигнал акустической памяти, зависит от проводимости полупроводника. Неоднородность проводимости изменяет форму выходного сигнала, поэтому по его форме можно акустическими методами контролировать однородность электрических параметров полупроводниковых материалов, а по сигналу памяти - измерять время релаксации примесных состояний.

Нелинейные акустоэлектронные устройства применяются также для сканирования оптических изображений и преобразования их в электрический сигнал. Так, при освещении фоточувствительного полупроводника в устройстве свертки (рис. б) распределение освещенности оптических изображений задает распределение проводимости. Если в такой структуре производить свертку короткого и длинного акустического импульсов, то короткий сигнал будет сканировать распределение освещенности. В результате форма выходного сигнала конвольвера будет соответствовать распределению освещенности вдоль акустического пучка.