АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

       

возникновение пост. тока или эдс в проводящей среде (металл, полупроводник) под действием бегущей УЗ волны. А. э.— одно из проявлений акустоэлектронного взаимодействия. Появление тока связано с передачей импульса (и соотв. энергии) от УЗ волны эл-нам проводимости. Это приводит к направленному движению носителей — электрич. току в направлении распространения звука. А. э. явл. нелинейным эффектом и аналогичен нек-рым другим нелинейным увлечения эффектам, напр. акустическим течениям. Локальные электрич. поля, возникающие в проводящей среде под действием УЗ волны, захватывают носители заряда, что приводит к «увлечению» их волной — возникновению акустоэлектрич. тока. При вз-ствии акустич. волн с эл-нами проводимости каждый фонон, взаимодействующий с эл-ном, передаёт ему импульс hw/c (w и с — частота и скорость звука соответственно). При этом эл-н получает дополнит. скорость Dv=hw/cm в направлении распространения звука (т — масса эл-на) и возникает электрич. ток, плотность к-рого

где е — заряд эл-на, nе— число эл-нов проводимости в ед. объёма. Если учесть, что m=te/m — подвижность эл-нов (см. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА), t — время между столкновениями, а I=hwnфc — интенсивность УЗ волны (nф — число фононов в ед. объёма)

и положить, что aе=(ne/nф)(1/ct) — коэфф.

электронного поглощения в проводящей среде, то из (1) получается универсальное соотношение для акустоэлектрич. тока (соотношение Вайнрайха):

Jае=aеmI/c. (2)

В замкнутой цепи, состоящей из кристалла CdS с металлич. электродами, перпендикулярными направлению распространения звука, и измерит. прибора, будет протекать акустоэлектрич. ток (рис., а). Если же цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрич. разность потенциалов (акустоэдс), напряжённость поля к-рой

Eae=Jae/s=amI/sc, (3)

где s — электропроводность среды. В кристаллах обычных ПП Ge, Si и в металлах А. э. незначителен. В пьезополупроводниках (напр., CdS, CdSe) сильное акустоэлектрическое вз-ствие приводит к тому, что величина

Схемы измерений: а — акустоэлектрич. тока; б — акустоэлектрич. эдс; в — поперечного акустоэлектрич. эффекта; 1— кристалл CdS; 2 — металлич. электроды; 3 — звукопроводы; 4 — излучающие преобразователи; 5 — приёмные преобразователи.

Eae на 5—6 порядков в них больше, чем при тех же условиях в Ge, и достигает неск. В/см при интенсивности звука 1 Вт/см2.

Наряду с продольным А. э. можно наблюдать и поперечный А. э., т. е. возникновение разности потенциалов на электродах кристалла, расположенных параллельно направлению распространения звука. А. э. имеет место и для упругих поверхностных волн. Если к кристаллу, в к-ром распространяется УЗ волна, приложено внешнее постоянное электрич. поле, создающее дрейф носителей заряда в направлении распространения УЗ, то А. э. существенно зависит от соотношения скорости дрейфа vД и скорости звука с. Так, при vД C А. э. меняет знак. Смена знака происходит точно при vд=C. При vд>с в пьезополупроводнике происходит усиление УЗ, а А. э. резко уменьшается.

А. э. применяется для измерения интенсивности УЗ в тв. телах, частотных хар-к УЗ преобразователей, структуры звук. поля, а также для исследования электрич. св-в ПП: измерения подвижности носителей, величины акустоэлектронного вз-ствия, отбора кристаллов, предназначенных для усиления УЗ.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

- появление в проводнике постоянного тока в замкнутой цепи (т. н. акустоэлектрич. тока) или электрич. напряжения на концах разомкнутого проводника (т. н. акустоэдс) при распространении в нём акустич. волны. А. э. был предсказан Р. Парментером (1953) и впервые обнаружен Г. Вайнрайхом и X. Дж. Уайтом (1957). А. э. возникает из-зд увлечения носителей тока акустич. волной вследствие акустоэлектронного взаимодействия, при к-ром часть импульса, переносимого волной, передаётся электронам проводимости, в результате чего на них действует ср. сила, направленная в сторону распространения волны. В соответствии с этим А. э. меняет знак при изменении направления волны на противоположное. А. э.- одно из проявлений нелинейных эффектов в акустике (см. Нелинейная акустика); он аналогичен др. эффектам увлечения, напр. акустич. ветру (см. Акустические течения).

Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэф. электронного поглощения звука и интенсивности акустич. волны I. Плоская волна, интенсивность к-рой при прохождении слоя толщиной уменьшается за счёт электронного поглощения на величину , передаёт в среду механич. импульс , приходящийся на электронов слоя (- скорость звука, - концентрация свободных электронов). Следовательно, на отд. электрон действует ср. сила

(1)

Под действием этой силы появляется акустоэлектрич. ток, плотность к-рого ( - подвижность электронов) определяется соотношением

(2)

(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустич. полей выражение для акустоэлектрич. тока получается как среднее по времени значение произведения переменной концентрации свободных носителей , возникающих под действием акустич. полей в проводнике, и их переменной скорости

(3)

( е - заряд электрона).

Возникновение А. э. может быть объяснено с позиций квантовой механики, если рассматривать акустич. волну с частотой и волновым вектором k как поток когерентных фононов, каждый из к-рых несёт энергию и импульс При поглощении фонона электрон получает дополнит. скорость, в результате чего появляется электрич. ток (2).

Для наблюдения А. э. измеряют либо ток в проводнике, в к-ром внеш. источником возбуждается звуковая волна (рис. 1, а), либо напряжение на его разомкнутых концах (рис. 1, б). В последнем случае на концах проводника возникает эдс, индуцированная звуковой волной (акустоэдс):

(4)

где L - длина проводника, I₀ - интенсивность звука на входе образца, - коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение , так и решёточное , - проводимость образца.

Величина А. э., так же как и значение электронного поглощения звука, зависит от частоты УЗ. А. э. максимален, когда длина волны оказывается одного порядка с радиусом дебаевского экранирования для свободных электронов. Акустоэдс существенно меняется с изменением а и имеет максимум в области значений , где электронное поглощение звука также максимально (рис. 2). Такие зависимости наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в к-рых значит. изменения проводимости происходят при изменении освещённости.

Рис. 1. Схемы измерений: а -акустоэлектрического тока , б-акустоэдс ; 1 - кристалл пьезополупроводника, 2 - излучающий УЗ-преобразователь,3 - металлические электроды.

Рис. 2. Зависимость акустоэдс от проводимости кристалла при различных интенсивно-стях УЗ: I₁< I₂< I₃.

А. э. экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросиммет-ричных полупроводниковых кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значит. А. э. (на 5-6 порядков больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.). За счёт сильного пьезоэлектрич. взаимодействия электронов проводимости с акустич. волной на частотах (0,5-1)*10⁹ с ^-1 в образцах длиной ок. 1 см возникает акустоэдс ~неск. вольт при интенсивности звука ~1Вт/см ².

Особый характер носит А. э. в полупроводниках, помещённых в сильное электрич. поле Е, где коэф. электронного поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей . При сверхзвуковой скорости дрейфа коэф. меняет знак и вместо поглощения звуковой волны происходит её усиление. При этом акустоэдс также меняет знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости. Ср. сила, действующая на электрон, направлена в сторону, противоположную направлению распространения

волны, так что воздействие УЗ уменьшает электрич. ток в образце - акустоэлектрич. ток вычитается из тока проводимости.

Рис. 3. а -рост интенсивности I фононов (1) и перераспределение электрического поля (2) вдоль длины кристалла L при генерации фононов в пьезополупроводнике ( - начальное значение напряжённости поля в кристалле, а -пороговое, выше к-рого происходит генерация фононов); б -отклонение тока от омического значения.

В сильных электрич. полях А. э. имеет место даже в отсутствие внеш. волны, из-за того что в полупроводнике происходят генерация и усиление фононов внутри конуса углов вокруг направления дрейфа носителей, для к-рых - акустич. 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 электрич. поля в образце (рис. 3, а) (образуется т. н. акустоэлектрич. домен) и падению полного тока в нём (рис. 3, б). На опыте этот эффект обычно наблюдается по отклонению электрич. тока через образец от его омич. значения , где U - приложенное к образцу напряжение.

Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может происходить преимущественно вдоль к.-л. направления т, не совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов (рис. 4), поэтому акустоэлектрич. сила, действующая на носители, будет иметь составляющую , перпендикулярную дрейфовой скорости.

Рис. 4. Схемы возникновения поперечной акустоэдс : а - при несимметричной относительно дрейфа носителей генерации фононов; б- при распространении поверхностной акустической волны по пьезоэлектрику, в структуре пьезоэлек-трик - полупроводник; 1 - полупроводник, 2 - излучатель УЗ, 3 -электроды, с которых снимается.

В этом случае наблюдается разность потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрич. полю (рис. 4, а),- возникает поперечный А. э. Кроме того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов приводит за счёт А. э. к появлению в кристалле вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного перпендикулярно как скорости дрейфа u_d, так и направлению преимущественной генерации фононов т.

Значит. А. э. наблюдается при распространении поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На опыте А. э. обычно наблюдается в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрич. поле, возникающее в пьезо-электрике за счёт пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в приповерх-ностном слое.

Поскольку движение носителей происходит как параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре наблюдается как продольный, так и поперечный А. э. (рис. 4, б). Продольный акустоэлектрич. ток неоднороден по сечению полупроводника: он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что приводит к появлению вихревых токов и возникновению магн. момента. Поперечная компонента акустоэлектрич. тока обусловливает появление поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления распространения поверхностной акустич. волны на противоположное. А. э. применяется для измерения интенсивности УЗ-излучения, частотных характеристик УЗ-преобразователей, а также для исследования электрич. свойств полупроводников: измерения подвижности носителей тока, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.

Лит.: Гуревич В. Л., Теория акустических свойств пьезоэлектрических полупроводников, "ФТП", 1968, т. 2, с. 1557; Гуляев Ю. В. и др., К теории электронного поглощения и усиления поверхностных звуковых волн в пьезокристаллах, "ФТТ", 1970, т. 12, с. 2595; Мухортов Ю. П. и др., Поперечный акустоэлектрический эффект, там же, 1972, т. 14, с. 2664; Такер Дж ., Рэмптон В., Гиперзвук в физике твёрдого тела, пер. с англ., М., 1975; Parmenter R. Н., The acousto-electric effect, "Phys. Rev.", 1953, v. 89, № 5, p. 990; Weinreiсh G., White H. G., Observation of the acoustoelectric effect, там же, 1957, v. 106, № 5, p. 1104.

Л. А. Чернозатонский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.