DE2711460C2 - Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Signalverarbeitungseinrichiung, mit einem Halbleitermedium, das eine Matrix von Schottky-Dioden trägt, welches mit einem piezoelektrischen Medium gekoppelt ist, auf dem sich elastische Wellen ausbreiten können, die von wenigstens einem elektromechanischen Wandler ausgesandt werden, mit Einrichtungen zum Aufbauen einer Potentialdifferenz an den Dioden während der Ausbreitung eines ersten Signals in dem piezoelektrischen Medium, um letzteres mittels der Dioden zu speichern, mit Einrichtungen zum Umwandeln eines zweiten Signals in eine elastische Welle, die sich in dem piezoelektrischen Medium ausbreitet, wenn das erste Signal gespeichert ist, und mit Einrichtungen zum Entnehmen eines dritten Signals, das aus der Wechselwirkung der beiden ersten Signale resultiert. Eine solche Signalverarbeitungseinrichtung ist bereits aus der DE-OS 25 24 850 bekannt.

Aus der DE-OS 25 30 471 ist bereits eine ähnlich aufgebaute Anordnung bekannt, die dazu bestimmt und ausgebildet ist, mindestens zwei gleichzeitig sich in dem piezoelektrischen Medium ausbreitende elastische Wellen in Korrelation miteinander zu bringen und die Korrelationsprodukte an verschiedenen Stellen des piezoelektrischen Mediums über die Dioden und nachgeschaltete integrationsgliedcr abzugreifen.

Die Signalverarbeitungseinrichtung nach der DE-OS 25 24 850 ist dazu bestimmt, zum Feststellen eines Signals mit bekannten Kenndaten in Gegenwart eines großen Rauschpegels die Korrelation zwischen diesem Signal und einem Bezugssignal zu bilden. Diese Einrichtungen arbeiten mit elastischen Wellen (die auch als Schallwellen bezeichnet werden) und stellen Filter dar, die eine Korrelation zwischen einem zu identifizierenden empfangenen Signal und einem Bezugssignal, das zuvor gespeichert worden ist, realisieren. Diese Filter haben insbesondere den Vorteil, daß sie beliebig programmierbar sind, da irgendein Bezugssignal gespeichert werden kann. Diese Einrichtungen bestehen gewöhnlich aus zwei Substraten, die durch eine dünne Luftschicht voneinander getrennt sind, einem piezoelektrischen Substrat und einem halbleitenden Substrat, das gegenüber dem erstgenannten angeordnet ist und auf derjenigen seiner Flächen, die dem erstgenannten Substrat zugewandt ist, eine Dioden- und vorzugsweise eine Schottky-Diodenmatrix trägt. Die äußeren Flächen der beiden Substrate sind mit Elektroden versehen.

Dieses Gebilde arbeitet folgendermaßen: ein Bezugs-

b5 signal 5« wird in eine elastische Welle umgewandelt, die sich an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats fortpflanzt. Ein an die Elektroden angelegter Spannungsimpuls Sm gestattet, das Bezugssignal Sn durch

Anhäufung von elektrischen Ladungen jeweils an den Dioden zu speichern. Ein zu verarbeitendes Signal 5 wird dann in eine lastische Welle umgewandelt, um sich an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats auszubreiten und nichtlinear mit dem gespeicherten Bezugssignal Sk in Wechselwirkung zu treten, damit sich ein resultierendes Signal Vergibt, das an den Elektroden abgenommen wird und die Korrelation oder die Faltung der Signale Sund Sk darstellt.

Bei der bekannten Signalverarbeitungseinrichtung ruht das Haibieitersubstrat an seinen Längsrändern auf den überhöhten Seitenrändern des piezoelektrischen Substrats, während im Bereich der Dioden die beiden Substrate im Abstand voneinander liegen. Von Nachteil ist dabei, daß der Abstand zwischen den beiden Substraten eine kritische Rolle spielt und in dem Fall von Schwingungen oder insbesondere in dem Fall von Stoßen veränderlich ist, und ferner, daß eine hohe Vorspannung an die Klemmen eines solchen Gebildes angelegt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elekiroakustische Sigiialverarbeitungseinrichtung der eingangs genannten An zu schaffen, bei der kein kritischer Abstand zwischen den Substraten vorhanden ist und eine niedrigere Vorspannung ausreicht.

Diese Aufgabe wird durch eine elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Halbleitermedium an seinem die Schottky-Dioden tragenden Flächenbereich direkt mit dem piezoelektrischen Medium bzw. mit einem dieser Fläche gegenüber angeordneten Isoliermedium in Berührung ist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es zeigt F i g. 1 ein Schema der bekannten Einrichtungen,

Fig.2 ein Schema einer Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 eine Ausführungsvariante der Einrichtung von F i g. 2, und

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung.

In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen und der Übersichtlichkeit halber ist der wirkliche Maßstab nicht eingehalten worden.

Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Einrichtung besteht aus einem piezoelektrischen Substrat 1. das auf seiner unteren Fläche eine Elektrode 3 und auf seiner oberen Fläche wenigstens einen elektromechanischen Wandler Tträgt, und aus einem Halbleitersubstrat 2. das gegenüber der oberen Fläche des piezoelektrischen Substrats 1 angeordnet, aber von letzterem durch eine dünne Luftschicht 9 (deren Dicke in Fi g. 1 übertrieben groß dargestellt ist) getrennt ist. Die obere Fläche des Substrats 2 trägt eine Elektrode 4 und ihre untere Fläehe eine Matrix von Schottky-Dioden 5, von denen jede aus einem metallischen Kontakt besteht, der auf den Halbleiter 2 aufgebracht ist. Der Halbleiter besieht beispielsweise aus n-leitendem Silizium.

Im Betrieb wird in bekannter Weise ein erstes elektrisches Signal Sk, das Bezugssignal, an den Wandler T angelegt. Es breitet sich dann an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 eine elastische Welle aus. die diesem Signal entspricht. Wenn diese Welle die gesamte Nutzfläche oder Wechselwirkungsfläche des Sub- to strats 1 einnimmt (die dem Halbleitersubstrat 2 gegenüberliegende Fläche) wird zwischen den beiden äußersten Elektroden 3 und 4 der Einrichtung eine Potcntialdifferenz Sm aufgebaut, um das Sig;ial Sk mit Hilfe der Dioden 5 zu speichern.

Der Speicherungsprozeß läuft folgendermaßen ab: die Spannung (die negativ ist, wenn das Halbleitersubstrat 2 /7-leiiend ist), die an der Elektrode 4 anliegt, während die Elektrode 3 beispielsweise auf dem Bezugspotential gehalten wird, bewirkt, daß die Schottky-Dioden 5 in Durchlaßrichtung betrieben werden und daß elektrische Ladungen auf die metallischen elektroden der Dioden fließen. Die Ladungsmenge ist zu der Summe der Vorspannung Sm und zu dem Wert des in jedem Punkt auf dem Substrat 1 vorhandenen piezoelektrischen Potentials, das das Bezugssignal Sk darstellt, proportional. Wenn die Vorspannung Sa/abgeschaltet wird, werden die Dioden 5 in Sperrichtung betrieben und die elektrischen Ladungen blockiert, wobei proportional in dem Halbleitersubstrat eine Verarmungszone erzeugt wird, die in der Nähe jeder Diode frei von Ladungsträgern ist. Das Signal Sk wird auf diese Weise gespeichert. Es sei angemerkt, daß einerseits der Spannungsimpuls Sm gegenüber der Periode des zu speichernden Signals Sk kurz sein soll und daß andererseits die Teilung oder der Schritt der eine Matrix bildenden Dioden 5 kleiner als die Hälfte der mittleren Schaltwellenlänge λ sein soll und beispielsweise in der Größenordnung von A/4 liegt.

Nachdem das Signal Sk gespeichert worden ist, kann das zu verarbeitende Signal San den Wandler rangelegt werden. Dieser wandelt das Signal S in eine elastische Welle um, die sich an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 ausbreitet und deren zugeordnetes elektrisches Feld das Halbleitersubstrat 2 abtastet. Daraus ergibt sich ein elektrisches Signal P. das an den Elektroden 3 und 4 zur Verfügung steht und von dem gezeigt werden kann, daß es sich um die Korrelation zwischen den Signalen Sk und S handelt. Außerdem kann gezeigt werden, daß man die Faltung der Signale S« und Serhalten kann, indem die Ausbreitungsrichtung eines Signals, beispielsweise des Signals S«, umgekehrt wird.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt das Halbleitersubstrat 2. das auf einer seiner Flächen (jetzt die untere Fläche) von der Elektrode 4 und auf der anderen Fläche von der Diodenmatrix 5. die aus schnellen Dioden besteht (d. h. Dioden, deren Schaltzeit gegenüber der Periode des Signals klein ist. wie beispielsweise Schottky-Dioden) bedeckt ist. die vorzugsweise die zuvor angegebenen Abstände haben.

Das piezoelektrische Medium besteht jetzt aus einer dünnen Schicht 10 (in der Größenordnung eines Bruchteils der mittleren Wellenlänge der elastischen Welle und typischerweise in der G rößenordnung von /Z/20), die die Dioden 5 bedeckt. Die Schicht 10 trägt beispielsweise zwei clektromechanische Wandler 7Ί und 7j. um. wie weiter oben angegeben, die Faltung und die Korrelation realisieren zu können. Die Schicht 10 trägt außerdem zwischen den Wandlern die Elektrode 3.

In dieser Ausführungsform bestehen beispielsweise die Wandler T\ und T₁ jeweils aus einer Elekttode31,die an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 2 und der piezoelektrischen Schicht 10 angeordnet ist. und aus zwei interdigital angeordneten metallischen Kämmen 32 und 33, die auf der Schicht 10 über den Elektroden 31 angebracht sind.

Weiter kann beispielsweise das Haibieitersubstrat 2 vorteilhafter« eise aus n-loitendem Silizium und die piezoelektrische Schicht 10 aus Zinkoxid (ZnO) bestehen.

Im Betrieb wird in einem Vorgang, der dem anhand von Fig. 1 beschriebenen analog ist. das Bezugssignal

Sh an einen der Wandler angelegt, beispielsweise an den Wandler Ti. Es wird durch Anlegen eines positiven Spannungsimpulses Sm an die Elektrode 3 gespeichert, wenn die Elektrode 4 auf dem Bezugspotential gehalten wird. Das zu identifizierende oder, allgemeiner ausgedrückt, zu verarbeitende Signal S wird beispielsweise an denselben Wandler Ti angelegt. Das Signal P. das durch nichtlineare Wechselwirkung der Signale 5 und Su in dem Halbleitersubstrat induziert wird, wird an der Elektrode 3 und das Bezugspotential über ein Entkopplungselement 8 entnommen. Das Signal P stellt die Korrelation der Signale 5« und S dar. Es kann ihre Faltung darstellen, wenn eines von ihnen durch den Wandler 7": ausgesandt wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Einrichlung von F i g. 2. in F i g. 3 sind der UbersiehliicMkeit halber die elektrischen Anschlüsse weggelassen worden.

F i g. 3 zeigt wieder das Halbleitersubstrat 2. die piezoelektrische Schicht 10 mit ihren Wandlern 7Ϊ und Tj und die Elektroden 3 und 4.

Das Substrat 2 enthält hier zwei überlagerte Zonen: die eine Zone 21, die stärker dotiert ist (n^ in dem Fall eines Siliziumsubstrats) befindet sich auf der Seite der Elektrode 4, um den ohmschen Kontakt zu erleichtern, und die andere Zone 20, die weniger dotiert ist (n oder r,-) befindet sich auf der Seite der Dioden 5 und dient zum Verringern der Verluste an durch diese Dioden gespeicherter Information. Die die Dioden 5 tragende Oberfläche des Substrats 2 ist um die Dioden herum von einem Isoliermittel 6 (beispielsweise Siliziumoxid, wenn das Substrat 2 aus Silizium besteht) bedeckt, das einerseits die Aufgabe hat, das Auftragen der piezoelektrischen Schicht 10 zu begünstigen und die Verunreinigung des Halbleitersubstrats durch das piezoelektrische Material zu verhindern und. andererseits, die Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche des HaIbieitersubstrats zu verhindern.

Die Dioden 5, bei welchen es sich um Schottky-Dioden handelt, bestehen aus metallischen Kontakten 50, welche die in der Oxidschicht 6 gebildeten Löcher weit überdecken.

Die piezoelektrische Schicht 10 besteht beispielsweise aus Zinkoxid (ZnO), die durch Kathodenzerstäubung auf die Oxidschicht 6 aufgebracht worden ist. Sie ist von einer Isolierschicht 7 und anschließend von der Elektrode 3 bedeckt. Die Schicht 7 hat die Aufgabe, das Einstellen des Abstandes der Elektrode 3 von den Dioden 5 zu gestatten. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann diese Isolierschicht 7 aus Luft bestehen.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung, in der ein Subsirai benuizi wird, das sowohl piezoelektrische als auch halbleitende Eigenschaften hat.

In F i g. 4 sind somit dargestellt:

ein piezoelektrisches und halbleitendes Substrat 12, wie etwa Galliumarsenid (GaAs) oder Cadmiumsulfid (CdS), das auf seiner unteren Fläche mit einer Elektrode 14 und auf seiner oberen Fläche mit der Matrix von Schottky-Dioden 5 versehen ist; zwei elektromechanische Wandler 71 und Ti, die auf der oberen Fläche des Substrats 12 an zwei entgegengesetzten Enden desselben angeordnet sind und in herkömmlicher Weise jeweils aus zwei interdigital angeordneten metallischen Kämmen bestehen können; um ihren Wirkungsgrad zu verbessern, ist es möglich, sie mit einer Schicht aus einem Material zu überziehen, das piezoelektrischer ist als das Substrat 12 (beispielsweise Zinkoxid): und

eine Isolierschicht 70. die mit einer Elektrode 13 bedeckt

Die Elektroden 14 und 13 haben die gleiche Aufgabe und sind mit den gleichen Elementen verbunden wie die Elektroden 4 und 3 von F i g. 2. Die Betriebsweise der Ausführungsform von F i g. 4 ist, allgemeiner gesagt, der der F i g. 2 und 3 analog.

Hs ist auf diese Weise eine monolithische Einrichtung geschaffen worden, die somit die Beschränkung, die ein kritischer Abstand zwischen den Substraten der bekannten Einrichtungen darstellt, und die Zuverlassigkeitsprobleme, die ihm eigen sind, beseitigt. Die Einrichtung nach der Erfindung gestattet außerdem aufgrund der Verringerung der Dicke des Gebildes, die Vorspannungen /u verringern, die anzulegen sind, um ein bestimmtes Feld zu erhalten. Schließlich gestattet die Herstellung der Einrichtung auf einen Halbleitersubstrat ihre Integration in ein System von elektronischen Schaltungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektroakustische Signalverarbeiiungseinrichtung, mit einem Halbleitermedium, das eine Matrix von Schottky-Dioden trägt, welches mit einem piezoelektrischen Medium gekoppelt ist, auf dem sich elastische Wellen ausbreiten können, die von wenigstens einem elektromechanischen Wandler ausgesandt werden, mit Einrichtungen zum Aufbauen einer Potentialdifferenz an den Dioden während der Ausbreitung eines ersten Signals in dem piezoelektrischen Medium, um letzteres mittels der Dioden zu speichern, mit Einrichtungen zum Umwandeln eines zweiten Signals in eine elastische Welle, die sich in dem piezoelektrischen Medium ausbreitet, wenn das erste Signal gespeichert ist, und mit Einrichtungen zum Entnehmen eines dritten Signals, das aus der Wechselwirkung der beiden ersten Signale resultiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermedium (2, 12) an seinem die Schottky-Dioden tragenden Flächenbereich direkt mit dem piezoelektrischen Medium (tO) bzw. mit einem dieser Fläche gegenüber angeordneten Isoliermedium (6,70) in Berührung ist.

2. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Medium gleichzeitig auch das Halbleitermedium (12) bildet.

3. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des piezoelektrischen Mediums (10) in der Größenordnung eines Bruchteils der Wellenlänge der elastischen Wellen liegt.

4. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des piezoelektrischen Mediums (10) im wesentlichen gleich einem Zwanzigstel der mittleren Wellenlänge der elastischen Wellen ist.

5. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (7) auf derjenigen der Flächen des piezoelektrischen Mediums (10), die von der mit den Dioden (5) in Berührung befindlichen abgewandt ist.

6. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (T\) aus zwei Elektroden (32, 33) in Form von interdigital angeordneten Kämmen, die auf diejenige der Flächen des piezoelektrischen Mediums (10, 12) aufgebracht sind, welche den Dioden (5) entgegengesetzt liegt, und aus einer durchgehenden Elektrode (31) auf derjenigen der Flächen des piezoelektrischen Mediums (10, 12) besteht, die mit den Dioden (5) auf der Höhe der Kämme in Berührung ist.

7. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermedium (2,12) zwischen den Dioden (5) mit einer dünnen Isolierschicht (6) bedeckt ist.

8. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Aufbauen einer Potentialdiffcrenz aus zwei Elektroden (3, 4) bestehen, die auf diejenigen Flächen des Halbleiterinediums (2, 12) bzw. des isolierenden Mediums (10, 70) aulgebracht sind, welche ihrer gemeinsamen Grenzfläche abgewandt sind.

9. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Entnehmen des dritten Signals (P)aus den beiden Elektroden (3,4) bestehen.

10. Elektroakustische Signalverarbeitungseinrichlung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen zweiten elektroakustischen Wandler (T:), der so angeordnet ist, daß er elastische Wellen auf dem piezoelektrischen Medium in einer Richtung aussendet, die zu der des ersten Wandlers (Ti) entgegengesetzt ist. wobei das erste Signal (Sk) durch einen der Wandler und das zweite Signal (S) durch den anderen der Wandler ausgesandt wird.