Приборы с акустическим переносом заряда
Другие рефераты
1. Техническое описание
Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов -
электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того,
применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры,
акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а
также активные, нелинейные и управляющие элементы. Для возбуждения и приема
объемных волн в акустоэлектронике используются пьезоэлектрические
преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц),
пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем
(в диапазоне частот 50-300 МГц), пленочные преобразователи (на частотах
выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности
пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в
зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приема
ПАВ используются главным образом встречно-штыревые преобразователи,
представляющие собой периодическую структуру металлических электродов,
нанесенных на пьезоэлектрический кристалл. На основе перечисленных
элементов создаются различные акустоэлектронные устройства. К линейным
пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной
фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные
(оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и
декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические
фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных
волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания и
телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного
сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с
определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.
Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от
нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до
нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки
зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для
обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных
элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические
сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может
осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при
определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот
эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов
монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.
Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн с
электронами проводимости в полупроводниках и металлах. Смещение атомов
решетки, вызванное УЗ-волной, приводит к изменению внутрикристаллических
полей, что сказывается на распределении и характере движения электронов
проводимости. В свою очередь перераспределение электронов и их направленное
движение изменяют картину деформаций, а следовательно, и характер
распространения акустической волны в кристалле.
При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и электронами
проводимости. Передача энергии от волны к электронам приводит к
дополнительному электронному поглощению УЗ, а передача импульса - к
акустоэлектрическому эффекту. Когда в проводнике имеет место направленное
движение электронов со сверхзвуковой скоростью, они отдают часть энергии
своего направленного движения волне, в результате чего возникает усиление
УЗ. Кроме того, вследствие АЭВ в проводниках возникает ряд специфических
механизмов нелинейности акустических волн, обусловливающих разнообразные
нелинейные эффекты.
AЭВ представляет собой взаимодействие электронов с колебаниями
длинноволновой части акустического спектра (h(<[pic], [pic]<[pic] ). В
этом случае поверхностные напряжения расположены слишком часто (или, что то
же самое, волновые числа [pic], [pic] и т.д. слишком велики по модулю) и
не могут возбуждать волн в системе. Гармоники напряжений с волновыми
числами [pic]вызывают приповерхностные колебания, амплитуда которых много
меньше амплитуды ПАВ, если возмущение поверхности мало. Учет этих колебаний
приводит лишь к небольшому изменению скорости волны Рэлея. При уменьшении
длины волны первая пространственная гармоника поверхностных напряжений
совпадает по модулю с волновым числом ПАВ, бегущей в противоположном
направлении: [pic], [pic]. При этом интенсивно генерируется отраженная
волна.
3. Количественные характеристики эффекта
В замкнутой цепи или электрического напряжения на концах
разомкнутого проводника при распространении в нем акустической волны
находит проявление акустоэлектрического эффекта - появление в проводнике
постоянного тока . Акустоэлектрический эффект возникает из-за увлечения
носителей тока акустической волной вследствие акустоэлектронного
взаимодействия, при котором часть импульса, переносимого волной, передается
электронам проводимости, в результате чего на них действует средняя сила,
направленная в сторону распространения волны. В соответствии с этим
акустоэлектрический эффект меняет знак при изменении направления волны на
противоположное.
Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой
энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэффициенту
электронного поглощения звука ae и интенсивности акустической волны I.
Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной x:
уменьшается за счет электронного поглощения на величину aeIx, передает в
среду механический импульс , приходящийся на nexэлектронов слоя (vs -
скорость звука. ne - концентрация свободных электронов). Следовательно, на
отдельный электрон действует средняя сила
F=[pic]
(9)
Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность
которого ((- подвижность электронов) определяется соотношением
J=(
(10)
(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустических полей выражение
для акустоэлектрического тока получается как среднее по времени значение
произведения переменной концентрации свободных носителей , возникающих под
действием акустических полей в проводнике, и их переменной скорости .
J=e{}
(11)
(e - заряд электрона).
Если рассматривать акустическую волну с частотой (и волновым вектором
как поток когерентных фононов, каждый из которых несет энергию h( и импульс
hk. При поглощении фонона электрон получает дополнительную скорость, н
результате чего появляется электрический ток (2). На концах проводника
возникает эдс, индуцированная звуковой волной (акустоэдс):
U=(1-exp[-aL])
(12)
где L - длина проводника. I0 - интенсивность звука на входе образца, -
a=ae+a0 коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное
поглощение ae так a0 н решеточное a0 , (- проводимость образца. За счет
сильного пьезоэлектрического взаимодействия электронов проводимости с
акустической волной на частотах (0,5 – 1)10-2c-1 и образцах длиной около 1
см возникает акустоэдс нескольких вольт при интенсивности звука 1 Вт/см2. 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 ( вокруг направления
дрейфа носителей, для которых vdcos(>vв-. 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
и падению полного тока в нем. На опыте этот эффект обычно наблюдается но
отклонению электрического тока через образец от его омического значения
J0=(UL, где U - приложенное к образцу напряжение. Для комнатных температур,
когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны (kle<<1),
коэффициент поглощения имеет вид
[pic]
(13)
где K2=4(2(2/(0(vs2 коэффициент электромеханической связи.
[pic]
(14)
I=0.5c(0(2s0
(15)
На высоких частотах, rд=((0ve/4(e n0 (rд – радиус Дебая-Хюккеля, ve -
тепловая скорость электрона, n0 - плотность электронов), степень
экранирования принимает большие значения. Следующий график показывает
зависимость акустоэдс от частоты падающего излучения:
[pic]
Рис. 4
Если пренебречь зависимостями коэффициентов поглощения от частоты и
принять в расчет только зависимость акустоэдс от интенсивности, то мы
получим идеализированную зависимость:
[pic]
Рис. 5
Зависимость 2 идет круче, чем 1, т.к во втором случае коэффициент
поглощения ае больше, чем в первом.
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
