Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.nature.web.ru/db/msg.html?mid=1168088
Дата изменения: Unknown
Дата индексирования: Sun Apr 10 09:21:58 2016
Кодировка: Windows-1251

Поисковые слова: черенкова-вавилова излучение
Научная Сеть >> Акустоэлектрический эффект
Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общие вопросы >> Справочники >> Физическая энциклопедия | Словарные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

НовостиАномальный акустоэлектрический эффект

Словарные статьиАкустомагнитоэлектрический эффект

Словарные статьиАкустоэлектрические домены

Словарные статьиАкустоконцентрационный эффект

Словарные статьиАкустоэлектромагнитный эффект

Словарные статьиАкустоэлектронное взаимодействие

Словарные статьиАкустооптика

Акустоэлектрический эффект Акустоэлектрический эффект
13.08.2001 11:35 | Phys.Web.Ru
    

Акустоэлектрический эффект - появление в проводнике постоянного тока в замкнутой цепи (т. н. акустоэлектрического тока) или электрического напряжения на концах разомкнутого проводника (т. н. акустоэдс) при распространении в нем акустической волны. Акустоэлектрический эффект был предсказан Р. Парментером (1953) и впервые обнаружен Г. Вайнрайхом н X. Дж. Уайтом (1057). 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. Акустоэлектрический эффект - одно из проявлений нелинейных эффектов в акустике (см. Нелинейная акустика), он аналогичен другим эффектам увлечения, например, акустическому ветру (см. Акустические течения).

Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэффициенту электронного поглощения звука $\alpha_e$ и интенсивности акустической волны I. Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной $\Delta x$: уменьшается за счет электронного поглощения на величину $\alpha_e I\Delta x$, передает в среду механический импульс $\alpha_e I\Delta x/v_s$, приходящийся на $n_e\Delta x$ электронов слоя (vs - скорость звука. ne - концентрация свободных электронов). Следовательно, на отдельный электрон действует средняя сила
$F=\alpha_e I/n_ev_s$. (1)

Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность которого $J_{ae}=\mu n_eF$ ($\mu$ - подвижность электронов) определяется соотношением
$J_{ae}=\mu\alpha_eI/v_s$ (2)

(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустических полей выражение для акустоэлектрического тока получается как среднее по времени значение произведения переменной концентрации свободных носителей $\tilde n$, возникающих под действием акустических полей в проводнике, и их переменной скорости $\tilde v$.
$J_{ae}=e\langle\tilde n\tilde v\rangle$(3)

(e - заряд электрона).

Возникновение акустоэлектрического эффекта может быть объяснено с позиций квантовой механики, если рассматривать акустическую волну с частотой $\omega$ и волновым вектором $\vec k$ как поток когерентных фононов, каждый из которых несет энергию $\hbar\omega$ и импульс $\hbar\vec k$. При поглощении фонона электрон получает дополнительную скорость, н результате чего появляется электрический ток (2).

Для наблюдения акустоэлектрического эффекта измеряют либо ток в проводнике, в котором внешним 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):
$U_{ae}={\displaystyle 1\over\displaystyle e}\int\limits_0^L F(x)dx={\displaystyle\alpha_e \mu I_0\over\displaystyle \alpha\sigma v_s}(1-e^{-\alpha L})$,(4)

где L - длина проводника. I0 - интенсивность звука на входе образца, $\alpha=\alpha_e+\alpha_0$ - коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение $\alpha_e$ так н решеточное $\alpha_0$, $\sigma$ - проводимость образца.

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 существенно меняется с изменением $\sigma$ и имеет максимум в области значений $\sigma_m$, где электронное поглощение звука также максимально (рис. 2). Такие зависимости наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в которых значительные изменения проводимости происходят при изменении освещенности.

Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниковых кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значительный акустоэлектрический эффект (на 5 - 6 порядков больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.). За счет сильного пьезоэлектрического взаимодействия электронов проводимости с акустической волной на частотах $(0,5 - 1)10^9с^{-1}$ и образцах длиной около 1 см возникает акустоэдс $\sim$ нескольких вольт при интенсивности звука $\sim$ 1 Вт/см2.

Особый характер носит акустоэлектрический эффект в полупроводниках, помещенных в сильное электрическое поле E, где коэффициент электронного поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей $v_d=\mu E$. При сверхзвуковой скорости дрейфа ($v_d\gt v_s$) коэффициент $\alpha_e$ меняет знак и вместо поглощения звуковой волны происходит ее усиление. При этом акустоэдс также меняет знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости. Средняя сила, действующая на электрон, направлена в сторону, противоположную направлению распространения волны, так что воздействие УЗ уменьшает электрический ток в образце - акустоэлектрический ток вычитается из тока проводимости.

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 $\theta$ вокруг направления дрейфа носителей, для которых $v_d\cos\theta\gt v_s$ - акустический 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 электрического поля в образце (рис. 3, а) (образуется т. н. акустоэлектрический домен) и падению полного тока в нем (рис. 3, б). На опыте этот эффект обычно наблюдается но отклонению электрического тока через образец от его омического значения $J_0=\sigma UL$, где U - приложенное к образцу напряжение.

Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может происходить преимущественно вдоль какого-либо направления $\vec m$, не совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов $v_d$ (рис. 4), поэтому акустоэлектрическая сила, действующая на носители, будет иметь составляющую F_\bot, перпендикулярную дрейфовой скорости. В этом случае наблюдается разность потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю (рис. 4, а),- возникает поперечный акустоэлектрический эффект. Кроме того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов приводит за счет акустоэлектрического эффекта к появлению в кристалле вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного перпендикулярно как скорости дрейфа $v_d$, так и направлению преимущественной генерации фононов $\vec m$.

Значительный акустоэлектрический эффект наблюдается при распространении поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На опыте акустоэлектрический эффект обычно наблюдается в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрическое поле, возникающее в пьезоэлектрике за счет пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в приповерхностном слое. Поскольку движение носителей происходит как параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре наблюдается как продольный, так и поперечный акустоэлектрический эффект (рис. 4, 6). Продольный акустоэлектрический ток неоднороден по сечению полупроводника: он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что приводит к появлению вихревых токов и возникновению магнитного момента. Поперечная компонента акустоэлектрического тока обусловливает появление поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления распространения поверхностной акустической волны на противоположное.

Акустоэлектрический эффект применяется для измерения интенсивности УЗ-излучения, частотных характеристик УЗ-преобразователей, а также для исследования электрических свойств полупроводников: измерения подвижности носителей тока, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования