Акустоэлектрический эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Акустоэлектрический эффект - появление в проводнике постоянного тока в замкнутой цепи (т. н. акустоэлектрич. тока) или электрич. напряжения на концах разомкнутого проводника (т. н. акустоэдс) при распространении в нём акустич. волны. А. э. был предсказан Р. Парментером (1953) и впервые обнаружен Г. Вайнрайхом и X. Дж. Уайтом (1957). А. э. возникает из-за увлечения носителей тока акустич. волной вследствие акустоэлектронного взаимодействия, при к-ром часть импульса, переносимого волной, передаётся электронам проводимости, в результате чего на них действует ср. сила, направленная в сторону распространения волны. В соответствии с этим А. э. меняет знак при изменении направления волны на противоположное. А. э.- одно из проявлений нелинейных эффектов в акустике (см. Нелинейная акустика; )он аналогичен др. эффектам увлечения, напр. акустич. ветру (см. Акустические течения).

Передача импульса от волны электронам сопровождается поглощением звуковой энергии, поэтому действующая на электрон сила пропорциональна коэф. электронного поглощения звука

и интенсивности акустич. волны I. Плоская волна, интенсивность к-рой при прохождении слоя толщиной

уменьшается за счёт электронного поглощения на величину

, передаёт в среду механич. импульс

, приходящийся на

электронов слоя (

- скорость звука,

- концентрация свободных электронов). Следовательно, на отд. электрон действует ср. сила

Под действием этой силы появляется акустоэлектрич. ток, плотность к-рого

(

- подвижность электронов) определяется соотношением

(соотношение Вайнрайха). В случае произвольных акустич. полей выражение для акустоэлектрич. тока получается как среднее по времени значение произведения переменной концентрации свободных носителей

, возникающих под действием акустич. полей в проводнике, и их переменной скорости

Возникновение А. э. может быть объяснено с позиций квантовой механики, если рассматривать акустич. волну с частотой

и волновым вектором k как поток когерентных фононов ,каждый из к-рых несёт энергию

и импульс

При поглощении фонона электрон получает дополнит. скорость, в результате чего появляется электрич. ток (2).

Для наблюдения А. э. измеряют либо ток в проводнике, в к-ром внеш. 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):

где L - длина проводника, I₀ - интенсивность звука на входе образца,

- коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение

, так и решёточное

- проводимость образца.

Величина А. э., так же как и значение электронного поглощения звука, зависит от частоты УЗ. А. э. максимален, когда длина волны оказывается одного порядка с радиусом дебаевского экранирования для свободных электронов. Акустоэдс существенно меняется с изменением а и имеет максимум в области значений

, где электронное поглощение звука также максимально (рис. 2). Такие зависимости наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в к-рых значит. изменения проводимости происходят при изменении освещённости.

Рис. 1. Схемы измерений: а -акустоэлектрического тока

, б-акустоэдс

; 1 - кристалл пьезополупроводника, 2 - излучающий УЗ-преобразователь,3 - металлические электроды.

Рис. 2. Зависимость акустоэдс

от проводимости кристалла при различных интенсивно-стях УЗ: I₁< I₂ < I₃.

А. э. экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросиммет-ричных полупроводниковых кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значит. А. э. (на 5-6 порядков больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.). За счёт сильного пьезоэлектрич. взаимодействия электронов проводимости с акустич. волной на частотах (0,5-1)*10⁹с^-1в образцах длиной ок. 1 см возникает акустоэдс ~неск. вольт при интенсивности звука ~1Вт/см².

Особый характер носит А. э. в полупроводниках, помещённых в сильное электрич. поле Е, где коэф. электронного поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей

. При сверхзвуковой скорости дрейфа

коэф.

меняет знак и вместо поглощения звуковой волны происходит её усиление. При этом акустоэдс также меняет знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости. Ср. сила, действующая на электрон, направлена в сторону, противоположную направлению распространения

волны, так что воздействие УЗ уменьшает электрич. ток в образце - акустоэлектрич. ток вычитается из тока проводимости.

Рис. 3. а-рост интенсивности I фононов (1) и перераспределение электрического поля (2) вдоль длины кристалла L при генерации фононов в пьезополупроводнике (

- начальное значение напряжённости поля в кристалле, а

-пороговое, выше к-рого происходит генерация фононов); б -отклонение тока от омического значения.

В сильных электрич. полях А. э. имеет место даже в отсутствие внеш. волны, из-за того что в полупроводнике происходят генерация и усиление фононов внутри конуса углов

вокруг направления дрейфа носителей, для к-рых

- акустич. 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 электрич. поля в образце (рис. 3, а) (образуется т. н. акустоэлектрич. домен) и падению полного тока в нём (рис. 3, б). На опыте этот эффект обычно наблюдается по отклонению электрич. тока через образец от его омич. значения

, где U - приложенное к образцу напряжение.

Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может происходить преимущественно вдоль к--л. направления т, не совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов

(рис. 4), поэтому акустоэлектрич. сила, действующая на носители, будет иметь составляющую

, перпендикулярную дрейфовой скорости.

Рис. 4. Схемы возникновения поперечной акустоэдс

: а - при несимметричной относительно дрейфа носителей генерации фононов; б- при распространении поверхностной акустической волны по пьезоэлектрику, в структуре пьезоэлектрик - полупроводник; 1 - полупроводник, 2 - излучатель УЗ, 3-электроды, с которых

снимается.

В этом случае наблюдается разность потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрич. полю (рис. 4, а),- возникает поперечный А. э. Кроме того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов приводит за счёт А. э. к появлению в кристалле вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного перпендикулярно как скорости дрейфа u_d, так и направлению преимущественной генерации фононов т.

Значит. А. э. наблюдается при распространении поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На опыте А. э. обычно наблюдается в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрич. поле, возникающее в пьезо-электрике за счёт пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в приповерх-ностном слое.

Поскольку движение носителей происходит как параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре наблюдается как продольный, так и поперечный А. э. (рис. 4, б). Продольный акустоэлектрич. ток неоднороден по сечению полупроводника: он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что приводит к появлению вихревых токов и возникновению магн. момента. Поперечная компонента акустоэлектрич. тока обусловливает появление поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления распространения поверхностной акустич. волны на противоположное. А. э. применяется для измерения интенсивности УЗ-излучения, частотных характеристик УЗ-преобразователей, а также для исследования электрич. свойств полупроводников: измерения подвижности носителей тока, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.

Литература по акустоэлектрическому эффекту

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.