Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
*) Однако следует иметь в виду, что уреш ~ ш2, и поэтому при более высоких частотах решеточное поглощение может стать заметным.
502
АКУСТО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
[ГЛ. XV
пьезоэлектрического эффекта, и она становится источником ультразвуковых волн. И обратно, при прохождении волны через преобразователь на обкладках появляется переменное электрическое напряжение в результате прямого пьезоэлектрического эффекта, пропорциональное амплитуде деформации в волне. О — исследуемая пластинка пьезополупроводника, грани которой также металлизированы. К ним прикладывают постоянное электрическое напряжение, создающее тянущее поле 80. Для уменьшения нагревания кристалла это поле создают обычно в виде коротких импульсов (1 -4- 10 микросекунд). Между преобразователями и образцом О часто вводят еще диэлектрические звукопроводы — буферы Б, вызывающие контролируемое запаздывание звуковой волны. Это позволяет отделить во времени импульс, создаваемый в приемном преобразователе звуковой волной, от возможной радиопомехи, наводимой напряжением на излучающем преобразователе. В подобных опытах особенно удобно исследовать фотопроводящие пьезоэлектрические кристаллы. Тогда, меняя интенсивность освещения, можно изменять в широких пределах электропроводность кристалла и исследовать влияние электропроводности (т^) на поглощение и усиление волн.
Такие опыты показывают, что вследствие взаимодействия с электронами интенсивность волн может изменяться во много тысяч и даже десятков тысяч раз. Так, например, высокоомныё фоточув-ствительные кристаллы CdS, которые при частотах порядка 10 н--4- 100 МГц практически не поглощают волн, при освещении становятся совершенно непрозрачными для ультразвука. При наложении на кристалл постоянного напряжения, большего чем критическое, сильное поглощение сменяется большим усилением. Наблюдаемые значения у в широком интервале изменения интенсивности хорошо согласуются с формулой (4.30).
Однако это, конечно, не значит, что, увеличивая длину кристалла, можно усилить волну в любой степени. Когда интенсивность волны становится очень большой, возникают различные нелинейные эффекты (не учтенные в приведенной выше линейной теории), которые ограничивают максимальное усиление. Один из таких эффектов заключается в том, что концентрация электронов в сгустках п становится сравнимой с первоначальной концентрацией п0 и в конце концов все электроны переходят в сгустки. После этого поле § уже не вызывает токов /, и при дальнейшем распространении волны она перестает усиливаться.
§ 6. Акусто-электрический эффект
При поглощении упругих волн на электронах проводимости в кристалле возникает электродвижущая сила и между разомкнутыми гранями кристалла появляется разность потенциалов
АКУСТО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
503
(рис. 15.6). Если нанести на грани металлические контакты, то при их замыкании в цепи возникнет электрический ток. При перенесении источника волн на противоположную грань кристалла, т. е. при изменении направления волны на противоположное, эдс изменяет знак и, соответственно, направление тока меняется на обратное.
Общая причина этого эффекта состоит в том, что упругая волна несет с собой определенный механический импульс. При поглощении волны ее импульс передается электронам проводимости, что приводит к появлению некоторой средней силы, действующей на электроны, направленной в сторону распространения волны. Следовательно, акусто-электрический эффект можно описать как увлечение электронов звуковой волной.
Найдем величину акусто-электрической эдс. Наиболее просто это можно сделать, если воспользоваться общим соотношением между интенсивностью волны, т. е. плотностью потока энергии I, и переносимым ею механическим импульсом Р (рассчитанным, как и /, на единицу площади и единицу времени):
P = ^4i- (6.1)
Здесь qx — единичный вектор в направлении волны. Это соотношение получается непосредственно, если рассматривать волну как поток фононов, каждый из которых несет энергию Йсо и импульс/Ц, и учесть, что u>/q = vs. Однако формула (6.1) в действительности не связана с квантовыми свойствами волн (что видно хотя бы из того, что в окончательном результате ft выпадает). Рассмотрим теперь внутри кристалла бесконечно тонкий слой толщиной dx, перпендикулярный qlr и с единичной площадью. В этом слое в единицу времени поглощается энергия yl dx, и он, согласно (6.1), получает импульс (yl dx/vs) q2. Этот импульс равен силе, действующей на ti0 dx электронов внутри слоя. Поэтому, если F1ecTb средняя сила на один электрон, мы имеем
у! dx „ ,
qx = F]/i0 dx.
VS
+
Рис, 15.6. Акусто-электрический эффект. Знак заряда граней показан для полупроводника л-типа.
Вводя сюда напряженность поля сторонних сил
?* = — - F,
е 1
504