МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЫ Российский патент 2022 года по МПК H03C1/46 

Описание патента на изобретение RU2780001C1

Изобретение относится к акустоэлектронике, в частности к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в линиях задержки электрических сигналов, в замедляющих устройствах, фазовращателях, для построения согласованных фильтров сложных сигналов и преобразователей временного масштаба, калибровки временных интервалов с требуемыми параметрами, коррекции временных искажений.

Известны акустооптические линии задержки сигналов дискретного действия [Гасанов А.Р., Гасанов Р.А. Электронно-управляемые акустооптические линии задержки (АОЛЗ) дискретного действия // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2015.— № 9.— C.6-10]. В них управление временем задержки электрических сигналов может осуществляться изменением несущей частоты упругой волны при различных углах падения световых пучков и переключением фотоприемников, расположенных в плоскости регистрации отклоненного света при одинаковых углах падения световых пучков в апертуру фотоупругой среды.

Известны акустические модуляторы сигналов, используемые в линиях задержки сигналов. В таких устройствах электрический сигнал преобразуется в ультразвуковые колебания, распространяющиеся в оптически прозрачной среде к акустическому поглотителю, и затем извлекается через упругооптическую связь [Пашаев А.М., Гасанов А.Р., Мамедов А.А., Гасанов Х.И. Электронно-управляемая акустооптическая линия задержки//Приборы и системы управления. — 1997.— № 6.— C.46]. Извлечение сигнала становится возможным благодаря тому, что просвечивающий пучок света модулируется при дифракции на неоднородностях диэлектрической проницаемости, вызываемых деформациями среды звукопровода, обусловленными ультразвуковой волной. Для получения электрического сигнала свет детектируют с помощью фотодетекторов. Звукопровод в данном случае является акустическим модулятором света.

Известен датчик на ПАВ [см. например, заявка №2009131401/28, МПК G01N29/00, 2009г.], содержащий подложку из LiNbO3 со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, отличающийся тем, что он снабжен акустическим звуководом в виде полированного бруска металла, при этом нижняя поверхность подложки под ВШП - шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП - гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находятся акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок ВШП.

К недостаткам указанных устройств можно отнести разнообразные вторичные акустические эффекты, сопровождающие возбуждение, распространение и приём ПАВ. Среди этих эффектов главными являются дифракция, дисперсия и переотражение ПАВ. Кроме того, в материале звукопровода и фотодетектора неизбежны потери энергии, что создает дополнительные трудности в функционировании приборов на ПАВ.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. Процесс модуляции самой ультразвуковой волны позволит уменьшить негативное влияние перечисленных выше эффектов, в частности избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический.

Заявитель считает данное изобретение пионерным, то есть не имеющем в уровне технике аналогов (средств того же назначения).

Технический результат достигается тем, что модулятор содержит в качестве базового элемента слоистую структуру LiNbO3 – SiOx – InSb - SiOx. Распространение ПАВ происходит в слое LiNbO3, а дрейф носителей заряда – в пленке InSb (при толщине пленки 400 – 500 Å). Связь между упругой и электронной подсистемой осуществляется электрическим полем, проникающим через границу раздела LiNbO3 – InSb. Для предотвращения легирования пленки InSb диффузией примеси из подложки пленка покрывается слоем SiOx толщиной 300÷400 Å. Верхний защитный слой SiOx служит для исключения коагулирования и разложения пленки InSb при плавлении. Рассматриваемая структура схематически изображена на фиг.1, где 1 – преобразователь; 2 – Al – электроды для тянущего поля; 3 – пленка InSb; 4 – пленка SiOx. На фиг.2 схематически показаны особенности электронного энергетического спектра рассматриваемой КЯ с примесными центрами (ПЦ), где L – ширина КЯ; Ec – энергия дна зоны проводимости в массивном полупроводнике; EF – энергия Ферми; точки z1,2 определяются условием Eλ(z1,2)=EF; Eλ - энергия связанного состояния ПЦ.

Свойства границы LiNbO3 – InSb зависят от случайных факторов, и в случае зонного механизма проводимости пленки InSb следует ожидать заметного разброса параметров усилителей ПАВ этого типа. В отличие от режима усиления, режим модуляции ПАВ не предъявляет жестких требований к величине дрейфовой подвижности носителей заряда. Здесь актуальной становится проблема эффективного изменения проводимости пленки InSb. В этой связи представляет интерес прыжковая проводимость на переменном токе в компенсированной КЯ на основе InSb.

В полупроводниковой КЯ наряду с обычным уширением примесной зоны за счет случайного поля может иметь место дополнительное уширение, связанное с эффектом позиционного беспорядка. Будем предполагать, что связанное с этим эффектом уширение примесной зоны превосходит размытие уровня за счет случайного поля. Будем считать полупроводниковую КЯ компенсированной (уровень Ферми расположен в примесной зоне) и рассмотрим случай низких температур, когда проводимость определяется переходами между состояниями с энергиями , близкими к уровню Ферми [Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. Теория фотоэлектрических и пороговых характеристик фотоприемников на основе многослойных структур на GaAs – AlGaAs с квантовыми ямами//ФТП.— 1991.— т. 25.— № 9.— С.1579—1588.]. В этом случае пространственное положение точек локализации этих состояний ограничено узкими областями около плоскостей причем точки определяются условием

В широкой области частот прыжковую проводимость можно вычислять на основе парного приближения [Bringcourt G., Martinuzzi S. C. R.//Acad. Sci. Paris.— 1968.— v. 266.— P.1283.]:

где S - площадь сечения образца, перпендикулярного переменному полю; - радиус-векторы рассматриваемой пары ПЦ; - единичный вектор в направлении переменного электрического поля; ; и – энергии ПЦ, связанные с их координатами za и zb соотношением Ea,b= Eλ(za,b); - функция квантовой корреляции уровней; - равновесная вероятность заполнения центра; τab – время релаксации в паре

здесь Гab представляет собой темп переходов между центрами пары a и b:

где Г0 – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от энергий и координат ПЦ; λ* - больший из радиусов локализации состояний а и b; ступенчатые функции θ в (1) указывают на то, что ПЦ расположены по разные стороны от плоскости .

Расчет проводимости существенно упрощается [Звягин И.П., Ван В. Частотная зависимость проводимости по примесям в квантовой яме//Вестник МГУ. Сер. 3 «Физика. Астрономия».—1996 — № 6. — С.69—73.], если характерная длина прыжка велика по сравнению с шириной КЯ. В этом случае в матричных элементах перехода между локализованными состояниями величину можно заменить на - расстояние между ПЦ в плоскости слоя. При этом время релаксации в (2) примет вид При можно пренебречь и квантовой корреляцией уровней, полагая . Рассмотрим, далее, случай, когда направление напряженности электрического поля перпендикулярно к направлению роста КЯ (продольная проводимость). В этом случае, интеграл в (1) можно приближенно вычислить, и в результате вещественная часть продольной проводимости Reσl(ω) примет следующий вид

здесь σ0l4e2N02ad5/(28Edτ0), а функция определена как

, ; энергия связанного состояния ПЦ Eλ в КЯ с параболическим потенциальным профилем, здесь учтено, что проводимость определяется переходами между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Величина определяется из дисперсионного уравнения [см. Кревчик В.Д., Зайцев Р.В., Евстифеев Вас.В. К теории фотоионизации глубоких примесных центров в параболической квантовой яме. // ФТП. – 2000. – Т.34. - №10. – С.1244 – 1249.]:

здесь ; ; a=z0/L; ; L*=L/ad ; U0*=U0/Ed.

На фиг. 3 представлена зависимость нормированной проводимости Reσl(ω)/σ0l от величины ωτ0 при различных значениях амплитуды потенциала U0* КЯ и глубины залегания примесного уровня ηi, рассчитанная по формуле (4) (1— U0*=100, ηi=6; 2— U0*=200, ηi=5.1; 3— U0*=100, ηi=5.1). Можно видеть (см. кривую 3), что проводимость в основном определяется переходами электронов между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Незначительное понижение примесных уровней сопровождается уменьшением проводимости примерно на порядок (ср. кривые 3 и 1). С ростом амплитуды потенциала КЯ проводимость падает (ср. кривые 3 и 2), что обусловлено соответствующим смещением примесных уровней. Необходимо отметить, что в достаточно узкой области частот переменного электрического поля 0,2≤ωτ0≤1 (см. фиг.3) прыжковая проводимость меняется от нуля до максимального значения. Эта особенность составляет физическую основу модуляции интенсивности ПАВ.

Предлагаемый модулятор интенсивности ПАВ представляет собой многослойную структуру с полупроводниковой КЯ, содержащей примесную зону. ПАВ взаимодействует с электронами в примесной зоне посредством экспоненциально спадающего электрического поля волны, проникающего в пленку InSb. Рассмотрим случай, когда частота переменного поля ω много меньше частоты звука но больше или порядка обратного времени пролета звука через образец. В частности, если время пролета звука по образцу равно целому кратному периодов внешнего переменного электрического поля, то интенсивность звука на выходе образца определяется в основном средним по периоду поля коэффициентом поглощения звука <α>:

здесь γ - константа электромеханической связи, ωS – частота ПАВ, vS – скорость ПАВ, εL, εP – диэлектрические проницаемости диэлектрического подслоя и пьезоэлектрика, σ - проводимость пленки InSb. Выражение (6) получено при следующих условиях: ωτM<<1 (τM – максвелловское время релаксации); qrD<<1 (q – волновое число звука, rD – дебаевский радиус экранирования); μeE0///vS<<1 (μe – подвижность электронов, E0// - амплитуда продольного электрического поля); E=0 (поперечное внешнее электрическое поле отсутствует). Если проводимость пленки InSb является прыжковой на переменном токе и связана с модификацией электронных состояний на примесях в КЯ. Тогда, для глубины модуляции где k=<α(ω2)>/<α(ω1)>=Reσl1)/Reσl2) (используя кривую 2 на фиг. 2) будем иметь m≈82%. При этом эффективность модулятора составит (при k≈10) примерно 70%. Таким образом, модулятор интенсивности ПАВ на прыжковом механизме проводимости InSb КЯ можно использовать в линиях задержки электрических сигналов. При этом модуляция непосредственно самой ПАВ позволяет избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический, что дает значительные преимущества при использовании предлагаемого модулятора ПАВ в линиях задержки электрических сигналов по сравнению с традиционными модуляторами на основе зонной проводимости.

Похожие патенты RU2780001C1

название год авторы номер документа
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ НА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2000
  • Роздобудько В.В.
  • Перевощиков В.И.
RU2169429C1
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ НА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2000
  • Роздобудько В.В.
  • Перевощиков В.И.
  • Андросов А.В.
RU2168265C1
ГИДРОФОН НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2008
  • Двоешерстов Михаил Юрьевич
RU2368099C1
НЕКОЛЛИНЕАРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР 2002
  • Роздобудько В.В.
  • Пивоваров И.И.
  • Бакарюк Т.В.
RU2208824C1
КОЛЛИНЕАРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР 2002
  • Роздобудько В.В.
  • Пивоваров И.И.
  • Бакарюк Т.В.
RU2208825C1
ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2009
  • Иванченко Юрий Сергеевич
  • Деменко Александр Валентинович
RU2421716C2
Бесконтактный датчик тока на поверхностных акустических волнах 2021
  • Карапетьян Геворк Яковлевич
  • Кайдашев Евгений Михайлович
RU2779616C1
ГИБРИДНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ СЕНСОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС И ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК 2017
  • Анисимкин Владимир Иванович
  • Воронова Наталья Владимировна
RU2649217C1
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР 2005
  • Роздобудько Виктор Власович
  • Пивоваров Иван Иванович
  • Пелипенко Михаил Иванович
RU2284559C1
АКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 1992
  • Баженов В.И.
  • Соловьев В.М.
RU2018131C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 780 001 C1

Реферат патента 2022 года МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЫ

Использование: для модуляции интенсивности поверхностных акустических волн (ПАВ). Сущность изобретения заключается в том, что модулятор интенсивности поверхностных акустических волн содержит базовый элемент на основе слоистой структуры LiNbO3 – SiOx – InSb – SiOx, при этом физическую основу модуляции интенсивности поверхностных акустических волн составляет прыжковый механизм проводимости на переменном токе в тонкой пленке InSb, которая представляет собой полупроводниковую квантовую яму с примесной зоной. Технический результат: обеспечение возможности модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 780 001 C1

Модулятор интенсивности поверхностных акустических волн, характеризующийся тем, что он содержит базовый элемент на основе слоистой структуры LiNbO3 – SiOx – InSb – SiOx, отличающийся тем, что физическую основу модуляции интенсивности поверхностных акустических волн составляет прыжковый механизм проводимости на переменном токе в тонкой пленке InSb, которая представляет собой полупроводниковую квантовую яму с примесной зоной.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2780001C1

Демодулятор радиосигналов 1985
  • Боритко Сергей Викторович
SU1337993A1
Способ управления амплитудно-частотной характеристикой преобразователей поверхностных акустических волн 1981
  • Чернозатонский Леонид Александрович
  • Мазур Михаил Михайлович
  • Масленников Владимир Николаевич
SU1034148A1
US 4012586 A, 15.03.1977
US 4990814 A, 05.02.1991.

RU 2 780 001 C1

Авторы

Владимир Дмитриевич Кревчик

Михаил Борисович Семенов

Алексей Викторович Разумов

Даты

2022-09-16Публикация

2022-02-22Подача