Реферат: Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами

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.

1 —задающий генератор запускающий схему и вырабатывающий импульсы синхронизации 2—генератор импульсов прямоугольной формы с синусоидальным заполнением 3 —усилитель, 4—осциллоскоп, 5 —генератор импульсов дрейфового поля 6 — кристаллический образец 7 — гребенчатые излучатель и приемник релеевских вопи, 8—дрейфовые электроды

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 s 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 e_ш /e₀ , ε_ш — ЭДС развиваемая шумовым сигналом на приемнике;
ε ₀ — некоторый постоянный уровень (ЭДС темнового сигнала поперечных волн в образце 1).

Рис. 3.20. Зависимость уровня шумового сигнала при усилении релеевских (а) и поперечных (б) воли от дрейфового поля в образце 1 Рис. 3.21. Зависимость уровня шумового сигнала при усилении рэлеевских (a) и поперечных (б) волн от дрейфового поля в образце 2 (9--s=3,5·10-5 Ом-1 ·См-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 a_e и интенсивности акустической волны I. Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной Dx: уменьшается за счет электронного поглощения на величину a_e IDx, передает в среду механический импульс

a_e IDx/u_s , приходящийся на n_e Dx электронов слоя (v _s - скорость звука. n_e - концентрация свободных электронов). Следовательно, на отдельный электрон действует средняя сила

(1)

Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность которого J_ac =mn_e F(m - подвижность электронов) определяется соотношением

J_ac =ma_e I/u_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.

J_ac =e<> (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):

, (4)
где L - длина проводника. I ₀ - интенсивность звука на входе образца, a = a_e +a₀ – коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение a_e так н решеточное a_o , s- 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 (kl_e <<1), коэффициент поглощения имеет вид

,
где K² =4p² b² /e₀ rv_s ² коэффициент электромеханической связи.

На высоких частотах, r_д =Öe₀ v_e /4pe n₀ (r_д – радиус Дебая-Хюккеля, v_e - 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 e(w,k) раз меньше (e- диэлектрическая проницаемость кристалла; w 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.

Взаимосвязь силы акустоэлектронного взаимодействия и частоты колебаний. (F2(n) – зависимостm для полупроводникового материала с меньшим значением концентрации собственных носителей).

Эффект увлечения обнаруживается в виде тока или ЭДС. Плотность тока может быть записана в виде:

, где е, m*,<t> - 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.