АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

(АЭВ), вз-ствие УЗ волн (с частотой =107—1013 Гц) с эл-нами проводимости в металлах и ПП; обусловлено изменением внутрикристаллического поля, при деформации решётки кристалла под действием распространяющейся УЗ волны. АЭВ явл. частным случаем электрон-фонопного взаимодействия. При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ волной и эл-нами проводимости: передача энергии УЗ волны эл-нам проводимости приводит к дополнит. электронному поглощению звука, а передача импульса — к акустоэлектрическому эффекту. Кроме того перераспределение энергии в результате АЭВ выражается в изменении теплоёмкости, теплопроводности и электросопротивления кристаллов. АЭВ приводит также к дисперсии УЗ, генерации акустич. гармоник, усилению УЗ и др.

В зависимости от типа кристалла различают неск. механизмов АЭВ. Ионное взаимодействие — в ионных кристаллах акустич. волна смещает ионы из положения равновесия, в результате чего возникает ионный ток, вызывающий электрич. поле, действующее на эл-ны проводимости. Такое вз-ствие наблюдается в металлах. Потенциал-деформационное взаимодействие, обусловленное изменением зонной структуры (ширины запрещённой зоны) под действием УЗ волны, в результате чего появляются области пониж. и повыш. плотности зарядов, между к-рыми возникает электрич. поле, действующее на эл-н проводимости. Такое вз-ствие наблюдается в ряде полупроводников (Ge, Si и др.) и полуметаллов (Bi, Sb, As). Пьезоэлектрическое взаимодействие, возникающее в пъезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnS, ZnO, InSb, GaAs и др.) и обусловленное тем, что их деформация сопровождается появлением электрич. поля и, наоборот, электрич. поле вызывает деформацию кристалла. Имеют место и др. механизмы АЭВ.

Электрич. поля, возникающие в кристалле, вызывают электронные токи, к-рые в свою очередь приводят к появлению новых эл.-магн. полей, уменьшающих силу воздействия акустич. волны на эл-ны проводимости, т. е. эти токи экранируют АЭВ. Поэтому результирующая сила, действующая на эл-н, зависит от электропроводности 0 кристалла и частоты УЗ. Экранирование — релаксац. процесс, поэтому эффекты, с ним связанные, характеризуются отношением частоты УЗ к релаксац. частоте wc= s/e (e — диэлектрич. проницаемость). При рассмотрении АЭВ следует также учитывать дебаевское экранирование, обусловленное поляризацией среды, т. е. разделением зарядов, уменьшающих результирующее электрич. поле, к-рое характеризуется отношением длины волны УЗ l к дебаевскому радиусу экранирования rд.

В зависимости от соотношения частоты УЗ и частоты столкновений v эл-нов и от соотношения длины волны УЗ и длины свободного пробега эл-нов lе выделяют три характерные области частот для АЭВ: 1) ДВ область (w/v<1, lе/l<1), где УЗ волна модулирует распределение эл-нов; здесь процессы описываются ур-ниями гидродинамики, поэтому эта область часто наз. гидродинамической; 2) квант. область частот (w/v>1, lе/l>1), в к-рой АЭВ можно рассматривать как вз-ствие эл-нов и фононов; 3) промежуточная область частот (w/v>1; le/x<1).

Передача энергии УЗ волны эл-нам проводимости приводит к т. н. электронному поглощению УЗ и разогреву электронного газа. Величина электронного поглощения зависит от механизма АЭВ, частоты УЗ, концентрации эл-нов и темп-ры кристалла. В металлах и ПП электронное поглощение изучается при низких темп-рах. Наиболее заметен этот эффект в пьезоэлектриках, где электронное поглощение достигает неск. десятков дБ/см при комнатных темп-pax на частотах 10—100 МГц.

При комнатных темп-pax в металлах и обычных ПП поглощение УЗ, вызванное АЭВ, незначительно по сравнению с другими видами поглощения, напр. с решёточным (фононным). Однако при темп-pax жидкого гелия вклад электронного поглощения заметно возрастает. При переходе металла в сверхпроводящее состояние электронное поглощение резко уменьшается, т. к. уменьшается вз-ствие эл-нов проводимости с крист. решёткой. Магн. поле искривляет траектории эл-нов в металлах, что сказывается на хар-ре АЭВ и приводит к ряду особенностей электронного поглощения УЗ (магнитоакустич. резонанс, квант. осцилляции и т. п.).

В гидродинамич. области частот в пьезополупроводниках при wc=w наблюдается максимум электронного поглощения и сильная дисперсия УЗ, а фазовые скорости меняются от значения с0 в проводящем кристалле до c0(l+K2/2) в диэлектрике (К — коэфф. электромеханич. связи, c0 — скорость УЗ в отсутствии вз-ствия).

При распространении УЗ волны в пьезополупроводнике происходит передача импульса УЗ волны эл-нам проводимости, что приводит к появлению т. н. акустоэлектрич. тока (см. АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ). Если к этому кристаллу приложено, кроме того, внешнее постоянное электрич. поле Е, создающее дрейф эл-нов в направлении распространения УЗ, то АЭВ существенно зависит от соотношения скорости дрейфа vд и скорости звука с. При скорости дрейфа носителей заряда vДc эл-ны отдают свою кинетич. энергию УЗ волне, и её амплитуда возрастает — происходит усиление УЗ. Коэфф. усиления УЗ достигает неск. десятков дБ. Однако практич. применение этого эффекта ограничивается тепловым режимом (перегрев кристалла в непрерывном режиме) и шумами усилителя УЗ. Использование для усиления УЗ поверхностных акустических волн (ПАВ) позволяет осуществить непрерывный режим усиления, предотвратить самовозбуждение и уменьшить шумы усилителя. АЭВ приводит к ряду нелинейных акустич. эффектов, к-рые особенно заметны в пьезополупроводниках: к генерации акустич. гармоник и встречному вз-ствию УЗ волн, к-рое позволяет осуществлять свёртку, корреляцию и обращение во времени УЗ импульсов, что находит применение в устройствах акустоэлектроники. АЭВ объясняет эффект акустоэлектрического (фононного) «эха» и акустич. «памяти». Неоднородное электрич. поле с частотой (0=0, возникающее при встречном вз-ствии УЗ волн, приводит к перераспределению зарядов на примесных центрах, что позволяет записать и запомнить УЗ сигнал. Электрич. или УЗ импульс, приложенный к кристаллу, через нек-рое время считывает записанную информацию. Подобные эффекты для ПАВ наблюдаются в слоистых структурах пьезоэлектрик — ПП и находят применение в акустоэлектронике.