АКУСТОЭЛЕКТРО́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ

АКУСТОЭЛЕКТРО́ННОЕ ВЗАИМО­ДЕ́Й­СТВИЕ, взаи­мо­дей­ст­вие аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти в ме­тал­лах и по­лу­про­вод­ни­ках. Обу­слов­лено тем, что при рас­про­стра­не­нии аку­стич. волн в твёр­дом те­ле про­ис­хо­дит де­фор­ма­ция его кри­стал­лич. ре­шёт­ки и воз­ни­ка­ют внут­ри­кри­стал­лич. си­лы, дей­ст­вую­щие на элек­тро­ны. При А. в. про­исхо­дит об­мен энер­ги­ей и им­пуль­сом ме­ж­ду аку­стич. вол­ной и элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти. В ме­тал­лах име­ет ме­сто элек­тро­маг­нит­ный ме­ха­низм А. в., обу­слов­лен­ный дей­ст­ви­ем на элек­тро­ны и ио­ны ре­шёт­ки элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, вы­зван­но­го сме­ще­ни­ем ио­нов под дей­ст­ви­ем аку­стич. вол­ны. Об­щим для всех по­лу­про­вод­ни­ков ме­ха­низ­мом А. в. яв­ля­ет­ся взаи­мо­дей­ст­вие че­рез де­фор­ма­ци­он­ный по­тен­ци­ал, обу­слов­лен­ное из­ме­не­ни­ем ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны под дей­ст­ви­ем де­фор­ма­ции, вы­зы­вае­мой вол­ной. Это при­во­дит к по­яв­ле­нию дей­ст­вую­щей на элек­трон си­лы, про­пор­цио­наль­ной ам­пли­ту­де вол­ны де­фор­ма­ции. Од­но­вре­мен­но воз­ни­ка­ют и дей­ст­вую­щие со сто­ро­ны элек­тро­нов на ре­шёт­ку ло­каль­ные си­лы, про­пор­цио­наль­ные гра­ди­ен­ту кон­цен­тра­ции элек­тро­нов.

Взаимное расположение в пространстве волн электрического потенциала (сплошные кривые) и концентрации электронов (штриховые кривые), сопровождающих акустическую волну в пьезоэлектрическом полупроводник...

Взаи­мо­дей­ст­вие че­рез де­фор­ма­ци­он­ный по­тен­ци­ал ос­лаб­ля­ет­ся по ме­ре умень­ше­ния час­то­ты аку­стич. вол­ны и на час­то­тах ме­нее 1 ГГц ста­но­вит­ся пре­неб­ре­жи­мо ма­лым по срав­не­нию с пье­зо­элек­трич. взаи­мо­дей­ст­ви­ем, ко­то­рое яв­ля­ет­ся осн. ме­ха­низ­мом А. в. в пье­зо­элек­трич. по­лу­про­вод­ни­ках. Де­фор­ма­ция, воз­ни­каю­щая при рас­про­стра­не­нии аку­стич. вол­ны в пье­зо­элек­трич. по­лу­про­вод­ни­ках (напр., CdS, CdSe, GaAs, InSb, Te), со­про­во­ж­да­ет­ся (вслед­ст­вие пря­мо­го пье­зо­элек­три­че­ско­го эф­фек­та) по­яв­ле­ни­ем пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля. Под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля про­ис­хо­дит груп­пи­ров­ка эк­ра­ни­рую­щих его элек­тро­нов, ко­то­рые об­ра­зу­ют вол­ну про­стран­ст­вен­но­го объ­ём­но­го за­ря­да, со­про­во­ж­даю­ще­го аку­стич. вол­ну. Мак­си­му­мы кон­цен­тра­ции в вол­не за­ря­да от­ста­ют по фа­зе от ми­ни­му­мов в вол­не элек­трич. по­тен­циа­ла (рис., а) и на­хо­дят­ся в об­лас­тях, где по­ле вол­ны их ус­ко­ря­ет. В ре­зуль­та­те энер­гия и им­пульс пе­ре­да­ют­ся от вол­ны элек­тро­нам, ко­торые, в свою оче­редь, рас­сеи­ва­ют их, взаи­мо­дей­ст­вуя с ре­шёт­кой. Пе­ре­да­ча час­ти энер­гии аку­стич. вол­ны элек­тро­нам про­во­ди­мо­сти при­во­дит к элек­трон­но­му по­гло­ще­нию зву­ка, а пе­ре­да­ча импуль­са – к воз­ник­но­ве­нию аку­сто­элек­трич. то­ка или эдс (аку­сто­элек­три­че­ско­му эф­фек­ту). Ес­ли к кри­стал­лу при­ло­жить внеш­нее по­сто­ян­ное элек­трич. по­ле, соз­даю­щее дрейф элек­тро­нов в на­прав­ле­нии рас­про­стра­не­ния аку­стич. вол­ны, то при ско­ро­сти дрей­фа, пре­вы­шаю­щей ско­рость зву­ка, мак­си­му­мы кон­цен­тра­ции в вол­не за­ря­да опе­ре­жа­ют по фа­зе ми­ни­му­мы в вол­не элек­трич. по­тен­циа­ла (рис., б) и на­хо­дят­ся в об­лас­тях, где по­ле вол­ны их тор­мо­зит. Элек­тро­ны пе­ре­да­ют аку­стич. вол­не часть энер­гии, по­лу­чен­ной ими от по­ля, вслед­ст­вие че­го про­ис­хо­дит элек­трон­ное уси­ле­ние аку­стич. волн дрей­фую­щи­ми но­си­те­ля­ми за­ря­да. Ре­аль­но дос­тиг­ну­тые ко­эф. уси­ле­ния – де­сят­ки дБ/см на час­то­тах до 10 ГГц.

Элек­трич. по­ле, свя­зан­ное с вол­ной объ­ём­но­го за­ря­да элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, вы­зы­ва­ет (вслед­ст­вие об­рат­но­го пье­зо­эф­фек­та) де­фор­ма­цию кри­стал­ла пье­зо­по­лу­про­вод­ни­ка и со­от­вет­ст­вен­но из­ме­не­ние ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния аку­стич. вол­ны. В ре­зуль­та­те ско­рость рас­про­стра­не­ния аку­стич. вол­ны за­ви­сит от кон­цен­тра­ции и под­виж­но­сти элек­тро­нов в твёр­дом те­ле, а так­же от ско­ро­сти их дрей­фа.

А. в. при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию много­чис­лен­ных акусто­элек­трон­ных, аку­сто­маг­нит­ных и аку­сто­тер­мич. эф­фек­тов (яв­ле­ний, ана­ло­гич­ных эф­фек­там Нерн­ста, Эт­тингс­хау­зе­на, Пель­тье и др.), вы­зы­вае­мых то­ком ув­ле­че­ния но­си­те­лей за­ря­да аку­стической вол­ной (в ча­ст­но­сти, аку­сто­маг­ни­то­элек­три­че­ско­го эф­фек­та).

А. в. име­ет ме­сто и при рас­про­стра­нении по­верх­но­ст­ных аку­стич. волн в пье­зо­элек­трич. по­лу­про­вод­ни­ках и слоис­тых струк­ту­рах, со­стоя­щих из пье­зо­элек­три­ка и гра­ни­ча­ще­го с ним по­лу­про­вод­ни­ка.

При ма­лой ин­тен­сив­но­сти аку­стич. волн по­гло­ще­ние и уси­ле­ние зву­ка, воз­ни­каю­щие вслед­ст­вие А. в., но­сят ли­ней­ный ха­рак­тер, т. е. прак­ти­че­ски не за­ви­сят от ам­пли­ту­ды вол­ны. При уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти аку­стич. вол­ны (обыч­но св. 1 Вт/см²) А. в. про­яв­ля­ет­ся в ви­де та­ких не­ли­ней­ных аку­сто­элек­трон­ных эф­фек­тов, как ге­не­ра­ция акус­тич. гар­мо­ник и суб­гар­мо­ник, воз­ник­но­ве­ние за­ви­си­мо­сти ко­эф. уси­ле­ния и ско­ро­сти аку­стич. волн от их ин­тен­сив­но­сти. Не­ли­ней­ные аку­сто­элек­трон­ные эф­фек­ты мож­но на­блю­дать так­же при взаи­мо­дей­ст­вии встреч­ных аку­стич. волн. В об­лас­ти их взаи­мо­дей­ст­вия воз­ни­ка­ют ло­каль­ные элек­трич. то­ки, про­пор­цио­наль­ные про­из­ве­де­ни­ям кон­цен­тра­ций элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и на­пря­жён­но­стей элек­трич. по­лей, свя­зан­ных с ка­ж­дой из волн в от­дель­но­сти. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ют объ­ём­ные за­ряды и элек­трич. по­ля на сум­мар­ной и раз­но­ст­ной час­то­тах взаи­мо­дей­ст­вую­щих акус­тич. волн.

А. в. ле­жит в ос­но­ве ра­бо­ты аку­сто­элек­трон­ных уст­ройств (см. Аку­сто­элек­тро­ни­ка). Напр., на элек­трон­ном уси­ле­нии аку­стич. волн ос­но­ван прин­цип дей­ст­вия аку­сто­элек­трон­ных уси­ли­те­лей и ге­не­ра­то­ров, а так­же ак­тив­ных аку­стич. ли­ний за­держ­ки. За­ви­си­мость ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния аку­стич. вол­ны от ве­ли­чи­ны элек­трич. по­ля, соз­даю­ще­го дрейф элек­тро­нов, ле­жит в ос­но­ве ра­бо­ты не­ко­то­рых ти­пов аку­сто­элек­трон­ных фа­зов­ра­ща­те­лей и мо­ду­ля­то­ров. Аку­сто­элек­трич. эф­фект ис­поль­зу­ют для де­тек­ти­ро­ва­ния аку­стич. сиг­на­лов. Не­ли­ней­ное взаи­мо­дей­ст­вие встреч­ных волн ис­поль­зу­ет­ся, напр., в аку­сто­элек­трон­ных уст­рой­ст­вах свёрт­ки сиг­на­лов.