Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами
о обработаны.
Коэффициенты усиления (затухания) измерялись в импульсном режиме на частоте
~ 30 МГц при длительности импульсов 2—3 мкс для рэлеевских волн и 1—2 мкс
для поперечных волн. На рис. 3.17 приведена схема эксперимента. Дрейфовые
электроды, служащие для создания в поверхностном слое кристалла постоянного
электрического поля Е0, наносились на плоскость ху путем напыления индия и
представляли собой две параллельные полоски шириной 1,5 мм, находящиеся на
расстоянии 7 мм друг от друга. Кристалл освещался ртутной лампой ДРШ-500,
причем засвечивалась только узкая полоска (поверхностный слой 0.5 мм) между
электродами. Остальная часть кристалла была закрыта непрозрачным экраном.
Такое освещение позволяло локализовать электроны проводимости кристалла
(созданные светом) в поверхностном слое между дрейфовыми электродами и этим
достигнуть постоянства напряженности Е0 по координате х (в пределах 10%).
Для развязки импульсов дрейфового поля п импульсов с частотой заполнения 30
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<[pic]> (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<<1), коэффициент поглощения имеет вид
[pic],
где K2=4(2(2/(0(vs2 коэффициент электромеханической связи.
На высоких частотах, rд=((0ve/4(e n0 (rд – радиус Дебая-Хюккеля, ve -
тепловая скорость электрона, n0 - плотность электронов), степень
экранирования принимает большие значения.
В процессе АЭВ сила F, действующая на свободные носители со стороны
деформированной решетки, вызывает электронные токи и перераспределение
носителей. Возникающие при этом электромагнитные поля частично компенсируют
силу F, и реально действующая сила оказывается в результате экранирования в
(((,k) раз меньше ((- диэлектрическая проницаемость кристалла; ( и k-
частота и волновой вектор УЗ-волны). Перераспределенные заряды и
индуцированные поля действуют на решетку с силой, объемная плотность
которой пропорциональна в конечном итоге амплитуде деформации. Следующие
графики отражают зависимость силы воздействия на электроны со стороны
акустических волн на различных частотах.
[pic]
Эффект увлечения обнаруживается в виде тока или ЭДС. Плотность тока
может быть записана в виде:
[pic], где е, m*,<(> - 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 существ
| |  скачать работу |
Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами |
