Кольцевой акустоэлектронный генератор

Кольцевой акустоэлектронный генератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1 51) Н 01 L 41/08, H 01 l, 29/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 3> и(2- arcsin V /V .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 3535682/25 (22) 07.01.83 .(46) 07.04.92. Бюл. N 13 (71) Институт физики АН БССР (72) В.Н. Белый, И.З. Джилавдари, И.А. Морозов и Г.А. Пашкевич (53) 621.382(088.8) (56) White D.L. Ampl if icatiun of

ul trasunic vaves in pie zuelec tr ic semiconductors J. Арр1 Phys. v. 33, 1962, р. 2547-2554.

Авторское свидетельство СССР

N 573827, кл. H 01 L 41/00, 1977. (54) (57) КОЛЬЦЕВОЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЦЙ

ГЕНЕРАТОР, содержащий резонатор с отражающими гранями, звукопровод, пьезополупроводник с электродами, о т л на ю шийся тем, что, с целью

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано для генерации акустических и электрических колебаний.

Известен также акустоэлектронный генератор, представляющий собой плоскопараллельную пьезополупроводниковую пластинку с нанесенным на ее торцы электродами, подключенными к источнику дрейфового поля, нормаль к плоскости которой совпадает с пьезоактивным направлением в кристалле.

В пластинке вдоль нормали создается с помощью источника дрейф свободных носителей заряда. Этот дрейф и вызывает генерацию УЗ-волн. Условием самовозбуждения такого генератора яв2 увеличения мощности и уменьшения коэффициента шума, звукопровод выполнен в виде плоскопараллельной пластины и расположен между резонатором и пьезополупроводником, при этом резонатор, звукопровод и пьезополупроводник выполнены из материалов, скорости у ультразвуковых волн которых V< V<, V соответственно определены следую-

3 щим соотношением: а резонатор выполнен из диэлектрического материала, угол между отражающими гранями которого определен следую" щим соотношением: ляется превышение усиления над потерями за один проход УЗ-волны в прямом и обратном направлениях в пьезополупро- ф водниковой пластинке ° 4Р

Недостатками этого устройства являются низкая эффективность, обусловленная необходимостью пробега УЗ-волн в © процессе генерации в направлении, противоположном дрейфу зарядов, а также

:высокий коэффициент шума вследствие того, что пьезополупроводник одновременно является звукопроводом и акус" тическим резонатором.

Наиболее близким по технической сущности к устройству согласно изобретению является кольцевой акустоэлектронный генератор, содержащий резо, 1бО9В6

Нат Ор С ОтдажаЮЩИМИ ГРамямИ, 3 ВУКОПРОвод, пьезополупроводник с электродами, Принцип действия этого устройства сос,тоит в следующем: при наложении электрического поля вдоль четырех из воoьми гранеи многоугольника возникают ультразвуковые волны, распростра няющиеся по периметру восьмиу ольника и взаимодействующие с дрейфующими электронами. Внешнее магнитное поле вызывает дополнительный дрейф электронов с положит ffbffoK проекцией скорости на пьезоактивное направление.

Недостатки этого устройства следую15 щие.

Низкая мощность ", åíeðèðóåffoãо сигнала, обусловленная генерацией лишь весьма узких УЗ-пучков с шириной порядка 1 мм, вследствие невозможности генерации однородных акустичесикх пуч= ков в плоскости распространения„ loc" леднее объясняется тем, что азимутальная соответствующая дрейфового тока. с которой в конечном счете и связан процесс генерации, не остается постоянной в плоскости восьмиугольника и меняется обратно пропорционально расстоянию между электродами.

Большой коэффицие <т шума, являющийЗО ся следствием того, что резонатор и усипивающая среда совмещены друг с другом, и возникает режим акустической турбулентности. Поэтому н данном уст ройстве невозможно получить большие мощности генерируемого сигнала . 1 )

Большое энергопотребление вследствие необходимости применения внешних магнитных полей высокой напряженности (порядка 1 кЭ). Магнитные поля такой величины создают с помощью внешних 49 соленоидов, потребляющих большое когичество энергии и значительно усложня- ющих устройство.

Целью настоящего изобретения является увеличение мощнос1и и уменьше- 4Ь ние коэффициента шума.

Поставленная цель достигается тем, что в известном кольцевом акустоэлект= ронном генераторе содержащем резонатор с От ража ющими г ра нями, 3 ву копрОвОд, И пьезополупроводник с электродами, звукопровод выполнен в виде плоскопараллельной пластины и расположен между резонатором и пьезополупроводником; при этом резонатор, звукопровод и пье- 55 зополупроводник выполнены из материалов, скорости ультразвуковых волн которых V1, V... 3 соответственно определены следующим соотношением: а резонатор выполнен из диэлектричес" кого материала, угол между Отражающими гранями которого определен следующим соотношением: /2 — аксып Vf /V>.

На чертеже изображена схема генератора. Иа схеме показаны резонатор 1 с отражающими поверхностями 2,3, звукопровод 4, пьезополупроводник 5 с электродами б,j, источник постоянного полл 8, элемент вывода генерируемого сигнала 9. Пунктирными линиями показан ход генерируемой BoJiHbf, Отражающие поверхности 2 и 3 акустического резонатора расположены под углом

Л

V1 — — — 3Гсв 11l

3

Предложенное устройство работает следующим образом. При подключении источника постоянного напряжения к электродам б и в пьезополупроводнике 5 устанавливается дрейф носителей заряда параллельно границе раздела пьезополупроводника 5 и звукопровода 4 со скоростью, превышающей скорость ультразвука в пьезсполупроводнике 5.

Процесс самовозбуждения генератора ультразвука начинается с усиления тепловых акустических шумов. В резснатоое 1 и звукопроводе 4 всегда присутствуют акустические шумы, обусловленные тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки, Эти шумы представг1яют собой набор упругих плоских волн со случайными фазами и амплитудами, распространяющихся во всех направлениях внутри резонатора и звукопровода.

Из всей совокупности тепловых упругих волн, попадающих из резонатора в пьезополупроводник, усиливаются только те, которые падают на границу раздела между резонатором и звукопроводом под углом, близким к углу полного внут-". реннего отражения (ПВО).

Вь полнение условия Ч C V> а V>, где V1, Vq., V- — скорости ультразвуковых волн соответственно в резонаторе, звукопроводе и пьезополупроводнике, необходимо для реализации полного внугреннего отраж-::ния УЗ-волн на границе между пьезополупроводником и звукопроводом. Работа гг здгагаемого акустоэлектронного гp åfia i oða основана HB явлении усиления ультразвука при ПВО от пьезополупроводника со сверхзвуко1 вым дрейфом носителей заряда. При углах, близких к углу ПВО, падающая ультразвуковая волна синхронно возбуждает сдвиговую пьезоактивную поверхностную волну. Последняя усиливается сверхзвуковым дрейфом электронов и подносит энергию к границе раздела, т,е. происходит перекачка энергии из поверхностной волны в отраженную. Звукопровод 4 служит для усиления этого эффекта, обеспечивая многократное полное отражение от поверхности пьезополупроводника. Волны, образованные в результате такого многократного отражения, интерферируют между собой. Поэтому результирующий коэффициент усиления будет зависеть от толщины L звукопровода 4 и частоты ультразвуковой волны. Иожно показать, что при заданной толщине L коэффициент усиления будет максимальным для всех частот, задаваемых выражением: (ZN-1) п

Q = — — — — ——

4Т где N = 1,2... Очевидно, что именно на этих частотах происходит генерация

УЗ-волн в предлагаемом устройстве. Таким образом, звукопровод 4 "вырезает" из широкого спектра собственных частот резонатора 1 ряд узких линий. Именно вследствие интерференционного характера усиления УЗ-волн в предлагаемом устройстве за счет наличия звукопровода, а также благодаря функциональному разделению резонатора и усиливающей среды (пьезополупроводника) и генерации УЗ-волн лишь в узком телесном угле вблизи предельного угла ПВО, в предлагаемом устройстве генерация акустического шума практически исключена.

Усиленный после многократного отражения от звукопровода 4 ультразвуковой поток частично отражается от полупро» зрачной грани 3, распространяется параллельно границе раздела 4 и 5 и затем после отражения от грани 2 снова испытывает усиление при многократном отражении в звукопроводе 4. Таким образом, в резонаторе 1 осуществляется генерация в режиме бегущей волны, который обеспечивается тем, что угол между отражающими гранями резонатора

Ъ V<

arcsin

2 Чу

1160906 6

Условием генерации является превышение усиления над потерями за один проход

УЗ-волны в акустическом резонаторе.

Рассмотрим генератор, в котором пьезополупроводник 5 выполнен из кристалла ГаАв, звукопровод - из кристалла CdS и резонатор 1 - из кристалла LiIO . Оси 4-ro и 6-го порядков кристаллов ортогональны плоскости распростран ния ультразвука, причем ось

P 10$ кристалла GaAs параллельна границе раздела 4-5.

Скорость сдвиговой пьезоантивной .15

УЗ-волны в направлении (1! 0 равна

3,32 105 см/с. Толщина пластинки из

LiIG равна 430 мкм. Электрод 6 подсоединен к отрицательному, а 7 - к положительному полюсу источника питания.

Угол (1 между отражающими гранями резонатора составляет 57 6 . При подвижности носителей заряда в ГаЛз, равной

3 см

4 -10 ---- и напряженности поля

В.с.

В

>> Ъ Â5 --- происходит генерация сдвиго" см вой ультразвуковой волны на частоте

30 Игц. Выход генерируемого сигнала осуществляется элементом 9, выполнен ным из плавленого кварца, находящего" ся в акустическом контакте с резонатором.

По сравнению с базовым объектом, за который принят прототип, предлагаемый генератор имеет в 10 раз более высокую мощность генерируемого сигна" ла, так как позволяет генерировать широкие акустические пучки 10 мм и более при одинаковой плотности мощности генерируемого сигнала. Если в про40 тотипе ширина генерируемого пучка составляет не более 1 мм, то в предлагаемом устройстве она ограничена лишь размерами резонатора. В устройстве практически отсутствуют шумы, обус"

45 ловленные электронами проводимости, так как резонатор отделен от пьезополупроводника с дрейфом носителей заряда, и генерация происходит в узком телесном угле вблизи угла полного

50 внутреннего отражения. Шумы подавляются также интерференционным характером усиления УЗ-волн за счет наличия звукопровода. Отсутствие источника постоянного магнитного поля высокой напряженности значительно упрощает устройство и снижает его энергопотреб" ление. Кроме того, выходная мощность предлагаемого кольцевого генератора однородно распределена по ширине ге"

t 160906 8 нерируемого пучка, так как звукопро-: ких дефлекторах и фильтрах, линиях вод создает одинаковый по ширине пуч. задержки, а также в акустоэлектронка набег фазы. Дкустические пучки с ных устройствах обработки сигнальной однородным по сечению распределением информации. мощности необходимы в акустооптичес- . у

/

У

/

/ Редактор О. Юркова Техред А Кравчук Корректор С. Шекмар

Заказ 2307 Тираж Подписное

ВНИКПИ Гоеударатвеннот о комитета по изобретениям и откритияи при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушекая наб., д. 4/5 проиеводственно-иедатеиесеид аоивииат впитает", г. унгерна, уг. Гагарина, 101