Акустоэлектронное Взаимодействие

АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках. Обусловлено тем, что при распространении акустических волн в твёрдом теле происходит деформация его кристаллической решётки и возникают внутрикристаллические силы, действующие на электроны. При акустоэлектронном взаимодействии происходит обмен энергией и импульсом между акустической волной и электронами проводимости. В металлах имеет место электромагнитный механизм акустоэлектронного взаимодействия, обусловленный действием на электроны и ионы решётки электромагнитного поля, вызванного смещением ионов под действием акустической волны. Общим для всех полупроводников механизмом акустоэлектронного взаимодействия является взаимодействие через деформационный потенциал, обусловленное изменением ширины запрещённой зоны под действием деформации, вызываемой волной. Это приводит к появлению действующей на электрон силы, пропорциональной амплитуде волны деформации. Одновременно возникают и действующие со стороны электронов на решётку локальные силы, пропорциональные градиенту концентрации электронов.

Взаимодействие через деформационный потенциал ослабляется по мере уменьшения частоты акустической волны и на частотах менее 1 ГГц становится пренебрежимо малым по сравнению с пьезоэлектрическим взаимодействием, которое является основным механизмом акустоэлектронного взаимодействия в пьезоэлектрических полупроводниках. Деформация, возникающая при распространении акустической волны в пьезоэлектрических полупроводниках (например, CdS, CdSe, GaAs, InSb, Те), сопровождается (вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта) появлением переменного электрического поля. Под действием электрического поля происходит группировка экранирующих его электронов, которые образуют волну пространственного объёмного заряда, сопровождающего акустическую волну. Максимумы концентрации в волне заряда отстают по фазе от минимумов в волне электрического потенциала (рис., а) и находятся в областях, где поле волны их ускоряет. В результате энергия и импульс передаются от волны электронам, которые, в свою очередь, рассеивают их, взаимодействуя с решёткой. Передача части энергии акустической волны электронам проводимости приводит к электронному поглощению звука, а передача импульса - к возникновению акустоэлектрического тока или эдс (акустоэлектрическому эффекту). Если к кристаллу приложить внешнее постоянное электрическое поле, создающее дрейф электронов в направлении распространения акустической волны, то при скорости дрейфа, превышающей скорость звука, максимумы концентрации в волне заряда опережают по фазе минимумы в волне электрического потенциала (рис., б) и находятся в областях, где поле волны их тормозит. Электроны передают акустической волне часть энергии, полученной ими от поля, вследствие чего происходит электронное усиление акустических волн дрейфующими носителями заряда. Реально достигнутые коэффициенты усиления - десятки дБ/см на частотах до 10 ГГц.

Электрическое поле, связанное с волной объёмного заряда электронов проводимости, вызывает (вследствие обратного пьезоэффекта) деформацию кристалла пьезополупроводника и соответственно изменение скорости распространения акустической волны. В результате скорость распространения акустической волны зависит от концентрации и подвижности электронов в твёрдом теле, а также от скорости их дрейфа.

Взаимное расположение в пространстве волн электрического потенциала (сплошные кривые) и концентрации электронов (штриховые кривые), сопровождающих акустическую волну в пьезоэлектрическом полупроводнике: а - дрейф электронов отсутствует, и акустическая волна затухает; б - скорость дрейфа электронов превышает скорость звука, и акустическая волна усиливается.

Акустоэлектронное взаимодействие приводит к возникновению многочисленных акустоэлектронных, акустомагнитных и акустотермических эффектов (явлений, аналогичных эффектам Нернста, Эттингсхаузена, Пельтье и др.), вызываемых током увлечения носителей заряда акустической волной (в частности, акустомагнитоэлектрического эффекта).

Акустоэлектронное взаимодействие имеет место и при распространении поверхностных акустических волн в пьезоэлектрических полупроводниках и слоистых структурах, состоящих из пьезоэлектрика и граничащего с ним полупроводника.

При малой интенсивности акустических волн поглощение и усиление звука, возникающие вследствие акустоэлектронного взаимодействия, носят линейный характер, т. е. практически не зависят от амплитуды волны. При увеличении интенсивности акустической волны (обычно свыше 1 Вт/см²) акустоэлектронное взаимодействие проявляется в виде таких нелинейных акустоэлектронных эффектов, как генерация акустических гармоник и субгармоник, возникновение зависимости коэффициента усиления и скорости акустических волн от их интенсивности. Нелинейные акустоэлектронные эффекты можно наблюдать также при взаимодействии встречных акустических волн. В области их взаимодействия возникают локальные электрические токи, пропорциональные произведениям концентраций электронов проводимости и напряжённостей электрических полей, связанных с каждой из волн в отдельности. В результате возникают объёмные заряды и электрические поля на суммарной и разностной частотах взаимодействующих акустических волн.

Акустоэлектронное взаимодействие лежит в основе работы акустоэлектронных устройств (смотри Акустоэлектроника). Например, на электронном усилении акустических волн основан принцип действия акустоэлектронных усилителей и генераторов, а также активных акустических линий задержки. Зависимость скорости распространения акустической волны от величины электрического поля, создающего дрейф электронов, лежит в основе работы некоторых типов акустоэлектронных фазовращателей и модуляторов. Акустоэлектрический эффект используют для детектирования акустических сигналов. Нелинейное взаимодействие встречных волн используется, например, в акустоэлектронных устройствах свёртки сигналов.

Лит.: Гуляев Ю.В. К теории явлений переноса, связанных с увлечением электронов ультразвуковыми волнами в твердых телах // Физика твердого тела. 1966. Т. 8. Вып. 11; Гуляев Ю. В., Эпштейн Э. М. Акустотермические эффекты в твердых телах // Там же. 1967. Т. 9. Вып. 3; Гуревич В. Л. Теория акустических свойств пьезоэлектрических полупроводников // Физика и техника полупроводников. 1968. Т. 2. Вып. И; Козорезов А. Г., Гуляев Ю.В. К кинетической теории электронного поглощения и усиления высокочастотного ультразвука в полупроводниках // Физика твердого тела. 1976. Т. 18. Вып. 7.