МГц. подаваемых на излучатель через коаксиальный кабель, использовались
индуктивность L и емкости С.
Электронная часть схемы для измерения усиления поперечных волн была точно
такая же. за исключением развязки, которая осуществлялась там акустическим
способом: с помощью двух клбических буферов из плавленого кварца, между
которыми был зажат кристалл CdS. Дрейфовое поле подавалось на кристалл
через индиевые электроды на его торцах, а поперечные волны распространялись
через систему буфер — кристалл — буфер. Грани кристалла и буферов были
параллельны с точностью ± 5 мкм. Все акустические контакты осуществлялись
тонкими пленками эпоксидной смолы без отвердителя.
[pic][pic]
На рис. 3.18—3.21 приведены результаты измерений. а рис. 3.18 и 3.19
представлены кривые усиления рэлеевских (рис. 3.18, а, 3.19, а) и
поперечных (рис. 3.18, б, 3.19, б) волн в образцах 1, 2 соответственно. По
осям абсцисс отложена напряженность дрейфового поля в кристалле в
киловольтах, по осям ординат — коэффициенты усиления (затухания) в дБ/см.
Длина пути в кристалле, на которой происходило усиление рэлеевских волн,
составляла 7мм, для поперечных волн эта длина равнялась 11.5 мм (образец 1)
и 9,4 мм (образец 2). Каждая кривая на рисунках соответствует определенному
значению электропроводности а кристалла. Области значений ( выбирались с
таким расчетом, чтобы получить максимальные на данной частоте значения
коэффициентов усиления волн в кристалле. На каждом из рисунков имеется по
две теоретических кривых, соответствующих граничным (максимальному и
минимальному) значениям электропроводности образца (рис. 3.20, а, 3.21, а —
опыты с рэлеевскими волнами, рис. электропроводности для данного типа волн
в данном образце. Эти кривые нанесены тонкими сплошными линиями (чтобы не
увеличивать существенно размер рисунка, масштаб изменения отложен для них
на правых осях ординат). На рис. 3.20 и 3.21 изображены кривые усиления
шума в образцах 1 и 2 соответственно при различных значениях 3.20, б, 3.21,
б — опыты с поперечными волнами). Под шумом здесь понимаются тепловые
колебания решетки кристалла, усиленные дрейфовым полем (волны Дебая).
Естественно, что шумы измерялись в полосе пропускания схемы (28—32 МГц).
Уровень шума N, отложенный на рисунках по осям ординат, представляет
собой 20 lg (ш/(0, ?ш — ЭДС развиваемая шумовым сигналом на приемнике;
? 0— некоторый постоянный уровень (ЭДС темнового сигнала поперечных волн в
образце 1).
3. Физическая модель процесса акустоэлектронного взаимодействия.
Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой
энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэффициенту
электронного поглощения звука (e и интенсивности акустической волны I.
Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной (x:
уменьшается за счет электронного поглощения на величину (eI(x, передает в
среду механический импульс
(eI(x/(s, приходящийся на ne(x электронов слоя (vs - скорость звука. ne -
концентрация свободных электронов). Следовательно, на отдельный электрон
действует средняя сила
[pic] (1)
Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность
которого Jac=(neF(( - подвижность электронов) определяется соотношением
Jac=((eI/(s (2)
(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустических полей выражение
для акустоэлектрического тока получается как среднее по времени значение
произведения переменной концентрации свободных носителей n, возникающих под
действием акустических полей в проводнике, и их переменной скорости v.
Jac=e (3) ,(e - заряд электрона).
Для наблюдения акустоэлектрического эффекта измеряют либо ток в
проводнике, в котором внешним источником возбуждается звуковая волна, либо
напряжение на его разомкнутых концах. В последнем случае на концах
проводника возникает эдс, индуцированная звуковой волной (акустоэдс):
[pic], (4)
где L - длина проводника. I0 - интенсивность звука на входе образца, a =
ae+a0 – коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное
поглощение ae так н решеточное ao, (- проводимость образца.
Основной механизм поглощения в полупроводниках в широком диапазоне
температур и частот электронное поглощение ультразвука. Несколько
механизмов АЭВ, наличие различных типов носителей и примесных центров,
возможность изменения концентрации и подвижности, влияние электрического и
магнитного полей приводят к сложной картине акустического поглощения в
полупроводниках. В пьезополупроводниках пьезоэлектрический механизм АЭВ
преобладает над всеми другими при температуpax вплоть до комнатных и в
диапазоне частот вплоть до десятков Гц и дает основной вклад в поглощение
по сравнению с другими механизмами диссипации акустической энергии. Для
комнатных температур, когда длина свободного пробега электрона много меньше
длины волны (kle - заряд, эффективная масса, и усредненное время
релаксации носителей.
Приложение
Упругие волны – упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой,
жидкой и газообразной средах. Например, волны, возникающие в земной коре
при землетрясениях, звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях и газах и
др. При распространении У. в. происходит перенос энергии упругой деформации
в отсутствии потока вещества, который имеет место только в особых случаях,
например при акустическом ветре. Всякая гармоническая У. в. характеризуется
амплитудой и частотой колебания частиц среды, длиной волны, фазовой и
групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений
по фронту волны. Особенность У. в. состоит в том, что их фазовая и
групповая скорости не зависят от амплитуды и геометрии волны (плоская,
сферическая, цилиндрическая волны).
Усиление акустических волн в полупроводниках возникает, когда имеется
направленное движение (дрейф) носителей заряда вдоль распространения волны.
Дрейф создается внешним электрическим полем.
Нелинейные эффекты в упругой среде
С повышением интенсивности звуковой волны все большую роль начинают играть
нелинейные эффекты, искажающие ее форму, ограничивающие рост ее
интенсивности при усилении или уменьшающие ее затухание. В проводящих
средах, помимо обычного решеточного ангармонизма, существует специфический
механизм нелинейности, связанный с захватом электронов проводимости в
минимумы потенциальной энергии электрического поля, сопровождающего
акустическую волну {т. н. электронная акустическая нелинейность). В
полупроводниках такой механизм нелинейности становится существенным при
интенсивностях ультразвука, значительно меньших тех, при которых
сказывается ангармонизм решетки, характерный для диэлектриков. Захват
электронов электрическим полем волны приводит к различным эффектам в
зависимости от соотношения между длиной звуковой волны и длиной свободного
пробега электрона.
Величина акустоэлектрического эффекта, так же как и значение
электронного поглощения звука, зависит от частоты УЗ. Акустоэлектрический
эффект максимален, когда длина волны оказывается одного порядка с радиусом
дебаевского экранирования для свободных электронов. Акустоэдс существенно
меняется с изменением [pic]и имеет максимум в области значений [pic], где
электронное поглощение звука также максимально. Такие зависимости
наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в которых значительные
изменения проводимости происходят при изменении освещенности.
Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается в металлах и
полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниковых
кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного
взаимодействия. Значительный акустоэлектрический эффект (на 5 - 6 порядков
больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO,
CaAs, InSb и др.). За счет сильного пьезоэлектрического взаимодействия
электронов проводимости с акустической волной на частотах [pic]и образцах
длиной около 1 см возникает акустоэдс [pic]нескольких вольт при
интенсивности звука [pic]1 Вт/см2.
Особый характер носит акустоэлектрический эффект в полупроводниках,
помещенных в сильное электрическое поле E, где коэффициент электронного
поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей [pic]. При сверхзвуковой
скорости дрейфа ([pic]) коэффициент [pic]меняет знак и вместо поглощения
звуковой волны происходит ее усиление. При этом акустоэдс также меняет
знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости.
Средняя сила, действующая на электрон, направлена в сторону,
противоположную направлению распространения волны, так что воздействие УЗ
уменьшает электрический ток в образце - акустоэлектрический ток вычитается
из тока проводимости.
В сильных электрических полях акустоэлектрический эффект имеет место даже в
отсутствие внешней волны, из-за того что в полупроводнике происходит
генерация и усиление фононов внутри конуса углов [pic]вокруг направления
дрейфа носителей, для которых vdcos ( > vs – акустический аналог Черенкова-
Вавилова излучения. Сила, действующая на носители со стороны нарастающего
фононного потока, имеет направление, противоположное дрейфу носителей. В
результате происходит их эффективное торможение, приводящее к неоднородному
перераспределению электрического поля в образце (образуется т. н.
акустоэлектрический домен) и падению полного тока в нем. На опыте этот
эффект обычно наблюдается но отклонению электрического тока через образец
от его омического значения [pic], где U - приложенное к образцу напряжение.
Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может
происходить преимущественно вдоль какого-либо направления [pic], не
совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов [pic], поэтому
акустоэлектрическая сила, действующая на носители, будет иметь составляющую
n, перпендикулярную дрейфовой скорости. В этом случае наблюдается разность
потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому
полю (рис. 4, а),- возникает поперечный акустоэлектрический эффект. Кроме
того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов
приводит за счет акустоэлектрического эффекта к появлению в кристалле
вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного
перпендикулярно как скорости дрейфа [pic], так и направлению
преимущественной генерации фононов [pic].
Значительный акустоэлектрический эффект наблюдается при распространении
поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На
опыте акустоэлектрический эффект обычно наблюдается в слоистой структуре
пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрическое поле, возникающее в
пьезоэлектрике за счет пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в
полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в
приповерхностном слое. Поскольку движение носителей происходит как
параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре
наблюдается как продольный, так и поперечный акустоэлектрический эффект.
Продольный акустоэлектрический ток неоднороден по сечению полупроводника:
он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что
приводит к появлению вихревых токов и возникновению магнитного момента.
Поперечная компонента акустоэлектрического тока обусловливает появление
поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления
распространения поверхностной акустической волны на противоположное.
Используемые иcточниrи информации
Викторов И.А. "Звуковые ПАВ в твредых телах." M91
Кравченко А.Ф. "Физические основы функциональной электроники" Новосиб. 2000
Зюбрик А.И. , Бурак Я.В. "Акустоэлектроника" Львов 86
Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и
Лэмба в технике, М., 1966.
Физический энциклопедический словарь. Коллектив авторов М2000
Пустовойт В.И. "Взаимодействие электронных потоков с упругими волнами
решетки" УФН 1969 т.97
Russian Scientific Network. Сайт по физике. http://www.nаturе.ru/
httр://рhys.wеb.ru/ – Научная сеть. МГУ им. Ломоносова
Physics News Update, http://aip.оrg/physnеws
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук,
194021 Санкт-Петербург, Россия http://www.ioffe.ru
bs.yandex.ru
-----------------------
Рис. 6.17. Пространственное распределение физических параметров в
кристалле при распро-
странении акустических волн.
[pic]
1 —задающий генератор запускающий схему и вырабатывающий импульсы
синхронизации 2—генератор импульсов прямоугольной формы с синусоидальным
заполнением 3 —усилитель, 4—осциллоскоп, 5 —генератор импульсов дрейфового
поля 6 — кристаллический образец 7 — гребенчатые излучатель и приемник
релеевских вопи, 8—дрейфовые электроды
Взаимосвязь силы акустоэлектронного взаимодействия и частоты
колебаний.
(F2(() – зависимостm для полупроводникового материала с меньшим значением
концентрации собственных носителей).
Рис. 3.20. Зависимость уровня шумового сигнала при усилении релеевских (а)
и поперечных (б) воли от дрейфового поля в образце 1
Рис. 3.21. Зависимость уровня шумового сигнала при усилении рэлеевских (a)
и поперечных (б) волн от дрейфового поля в образце 2 (9--(=3,5·10-5 Ом-1·См-
1)
Страницы: 1, 2
