Акустические свойства полупроводников
е
третья волна, а такое быстрозатухающее движение.
Важно, что процессы с участием движений электронной плотности
происходят, вообще говоря, чаще других возможных процессов, т. е. именно
они преобладают в условиях акустической турбулентности. В результате таких
процессов образуется своеобразный «фон» движений электронной
концентрации, рождающихся при слиянии усиленных шумовых компонент и ^быстро
затухающих. Эти движения изменяют макроскопические (средние) свойства среды
и, в частности, коэффициент усиления шумов — возникает добавка к
коэффициенту усиления, пропорциональная интенсивности шума. В результате
усиление шума становится нелинейным.
Характеристики турбулентного состояния определяются, естественно,
свойствами нелинейного коэффициента усиления. Расчеты показывают, что
нелинейный .коэффициент усиления имеет максимум на более низкой частоте,
чем линейный. В результате спектр шумов в процессе усиления смещается в
область более низких частот — взаимодействие шумов через посредство
движений электронной концентрации приводит к «перекачке» энергии в эту
область. Такая перекачка неоднократно наблюдалась на опыте.
Возникает очень интересный вопрос: а возможна ли ситуация, в которой
спектр шумов сужается в процессе усиления? Нельзя ли таким образом получить
из усиленного шума когерентный акустический сигнал?
Согласно теории такой режим усиления в принципе возможен, однако при
таких условиях, которые на опыте реализовать совсем не просто. Может быть,
по этой причине он до сих пор не наблюдался.
Расскажем еще об одном своеобразном проявлении турбулентного состояния.
В этом состоянии нередко наблюдаются так называемые акустоэлектрические
домены. Это — сгустки акустических шумов (ограниченные в пространстве
волновые пакеты), периодически пробегающие по кристаллу. Поскольку такие
домены «захватывают» электроны проводимости, при этом наблюдаются
осцилляции тока в цепи, в которую включен
образец. Таким образом, полупроводник работает как' генератор периодических
электрических импульсов.
В целом задача об усилении шумов далеко не проста. К настоящему времени
удалось построить лишь теорию так называемой слабой турбулентности, когда
интенсивность выросших шумов еще достаточно мала. Уже эта теория имеет
весьма сложный вид.
С другой стороны, достигнуты серьезные успехи в экспериментальном
изучении акустической турбулентности в полупроводниках. В последние годы
появилась экспериментальная техника, очень удобная для исследования
поведения шумов. Это — изучение рассеяния света на усиленных акустических
шумах. С помощью этой техники удается изучать распределение волн как по
направлениям распространения, так и по частотам в любой точке кристалла.
Таким образом, можно получить весьма детальные сведения о нарастании
акустических шумов. В связи с этим и в нашей стране и за рубежом сейчас
ведется очень много работ по изучению поведения звуковых шумов в
полупроводниках.
.Состояние, о котором мы сейчас рассказали, является во многих отношениях
уникальным, а с теоретической точки зрения — далеко не полностью понятым.
Поэтому нам кажется, что дальнейшее его изучение может оказаться
исключительно благодарным делом, потому что именно здесь в будущем можно
ожидать наиболее интересные находки и открытия.
5. ЗВУКОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
До сих пор мы говорили о поглощении и усилении звука электронами
проводимости. Есть, однако, интересный эффект, о котором уже вкратце
упоминалось, связанный с обратным влиянием звуковой волны на электроны, -
звукоэлектрический эффект.
Бегущая звуковая волна увлекает за собой электроны проводимости, в
результате чего, если замкнуть образец проводником, в' цепи потечет
звукоэлектрический ток. Если же образец разомкнут, то на его концах
возникнет разность потенциалов, а внутри его — звукоэлектрическое поле Езв.
Оценить его можно из следующих соображений.
В процессе поглощения звука электронам, заключенным в единице объема, в
единицу времени передается энергия ГS. Импульс, передаваемый при этом
электронам, есть ГS/?. С другой стороны, эта величина должна быть равна
силе, действующей на эти электроны со стороны звукоэлектрнческого поля -
en0 Езв. В итоге получается следующая оценка:
Езв = ГS/en0? (9)
Соответственно звукоэлектрический ток равен:
jзв = ? Езв = ?ГS/? (10)
Это соотношение легко понять качественно — чем больше поглощение звука,
тем больший импульс передается от звука электронам н тем больше электронный
ток.
Звукоэлектрический эффект в пьезополупроводниках имеет очень большую
величину — при интенсивности звука 0,1 Вт/см2 звукоэлектрическое поле может
достигать 15—20 В/см. Поэтому звукоэлектрический эффект может быть
использован как весьма чувствительный индикатор наличия звуковых волн в
кристалле и измеритель их интенсивности.
Соотношения (9) и (10) остаются справедливыми и во внешнем электрическом
поле, когда в полупроводнике наряду со звукоэлектрическим током течет та«же
ток проводимости. Поэтому при пороговом значении электрического поля, когда
поглощение звука сменяется его усилением, изменяет знак и
звукоэлектрическое поле. Такую перемену знака легко понять физически: когда
дрейфовая скорость электронов превышает скорость звука, звуковая волна уже
не увлекает систему электронов, а тормозит ее как целое. Изменение знака
звукоэлектрического эффекта 'неоднократно наблюдалось на опыте.
А что произойдет, если направление, в котором распространяется звук в
кристалле, изменить на противоположное? На первый взгляд кажется, что при
этом (в отсутствие внешнего электрического поля) изменится лишь знак
звукоэлектрического поля Езв. Тут можно рассуждать так: одновременно с
изменением направления распространения звука повернем мысленно и сам
кристалл на 180°. Повернутый кристалл совпадает с исходным, и по существу
ничего не изменилось. Это )рассуждение действительно подходит для
полупроводника, кристаллическая решетка которого имеет центр симметрии. Мы
же видели, что кристаллические решетки пьезополупроводников не имеют центра
симметрией.
Поэтому в них при изменении направления распространения звука на
противоположное может изменяться не только знак, но и величина Езв. Иными
словами, звукоэлектрический эффект содержит четную и нечетную .части:
первая не изменяется при изменении направления распространения звука, а
вторая изменяет свой знак. Четный звукоэлектрический эффект также
наблюдался на опыте.
Звукоэлектрический эффект проявляется как при распространении звуковых
сигналов, так и при усилении шумов. Он играет важную роль в формировании
акустоэлектрических доменов, о которых говорилось выше.
Исследования звукоэлектрического эффекта ведутся весьма активно, так
как с их помощью можно непосредственно изучать электронные свойства
полупроводников.
Заключение
Мы рассмотрели ряд явлений, сопровождающих распространение ультразвука в
полупроводниках
и металлах. Начав с простых эффектов, мы подошли к сложным проблемам,
находящимся на переднем крае современной физики твердого тела. В силу
ограниченности объема книги мы не смогли коснуться целого ряда интересных
вопросов. Так, мы не рассматривали нелинейных акустических явлений в
металлах в магнитном поле, опустили очень интересный вопрос об особенностях
распространения звука в сверхпроводниках. Не обсуждался также случай очень
высокочастотного и интенсивного звука, приводящего к квантованию движения
электронов в поле деформаций звуковой волны. Все эти вопросы в настоящее
время изучаются, и в ближайшие годы мы надеемся узнать много нового об
акустических свойствах твердых тел.
Можно надеяться, что эта область физики твердого тела будет интенсивно
развиваться еще в течение целого ряда лет. А это значит, что, кроме
перечисленных, здесь должны возникнуть и новые проблемы, появление которых
пока предугадать нельзя, но постановка и решение которых составят основное
содержание этой области в ближайшем будущем.
| |  скачать работу |
Акустические свойства полупроводников |
