Акустические свойства полупроводников (работа 1)

Акустические свойства полупроводников

Реферат выполнил Филенко М.С.

Донецкий политехнический техникум

Кафедра физики

Донецк, 2002

1. Как устроен пьезоэлектрический полупроводник

Мы уже говорили, что в полупроводниках имеет смысл изучать в первую очередь те акустические эффекты, которые обусловлены взаимодействием звука с электронами проводимости. Ведь именно небольшое число электронов проводимости отличает полупроводник от диэлектрика. Типичные концентрации электронов в тех случаях, которые нас будут интересовать, составляют 1011 - 1016 см-3.

Рассмотрим акустические эффекты только в одном типе полупроводников, а именно в пьезоэлектрических полупроводниках. Акустические эффекты в них наиболее ярко выражены, лучше и подробнее всего исследованы.

Пьезоэлектрики - это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла. Поясним это на модели ионной решетки, изображенной на рис. 1,а. На этом рисунке положительные попы закрашены. а отрицательные изображены светлыми кружками. Видно, что если эту решетку подвергнуть однородной деформации, то она не поляризуется (рис. 1,б). Рассмотрим теперь решетку, изображенную на рис, 2,а. Если эту решетку подвергнуть деформации растяжения в направлении, указанном стрелкой, то она поляризуется, поскольку «центры тяжести» положительных и отрицательных ионов при этом сдвигаются друг относительно друга (рис. 2, б, в). Наоборот, если поместить такую решетку в однородное электрическое поле, она деформируется. Деформация кристалла, пропорциональная приложенному электрическому полю, называется прямым пьезоэлектрическим эффектом; возникновение электрической поляризации при деформации — обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект существует в целом ряде полупроводников — CdS, Zn0, GaAs, InSb, Те и др. Большинство опытов, в особенности на первом этапе, было проведено на CdS — этот полупроводник является довольно сильным пьезоэлектриком и в то же время фотопроводником (т. е. изменяет свою проводимость при освещении). Поэтому в нем, как уже говорилось, легко можно отделять электронные эффекты.

Если в пьезоэлектрике распространяется звук, т. е. волна деформации, то она сопровождается электрическими полями, обладающими пространственной и временной периодичностью звуковой волны. Эти поля продольные, т. е. параллельные направлению распространения звука. Можно сказать, что в пьезоэлектриках всякая звуковая волна сопровождается волной продольного электрического поля (мы его будем называть пьезоэлектрическим полем). В качестве оценки напряженности этих полей можно привести следующую цифру: при распространении звука в таком сильном пьезоэлектрике, как CdS, при плотности потока звуковой энергии S порядка 1 Вт/см2 амплитуда напряженности переменного поля может достигать нескольких сотен вольт на сантиметр.

Выясним теперь, как влияет пьезоэлектрический эффект на распространение звука в пьезодиэлектриках. Пусть продольный или поперечный звук распространяется в пьезодиэлектрике вдоль оси симметрии кристалла, которую назовем осью ОХ. Деформация в такой волне характеризуется величиной du/dx, где и{х) — смещение точки кристалла в звуковой волне. В непьезоэлектрическом кристалле при такой деформации возникает упругое напряжение S:

S = λ du/dx

где К — модуль упругости. Это соотношение выражает известный закон Гука. В пьезоэлектрике, как мы видели, при деформации возникает дипольный момент, на который действует электрическое поле Е. В результате при наличии поля Е в пьезоэлектрнке упругое напряжение равно:

S = λ du/dx + βE (1)

где β — так называемый пьезоэлектрический модуль. Кроме того, при деформации в пьезоэлектрике возникает дополнительная поляризация. Соответственно в обычном соотношении, связывающем электрическую индукцию D с напряженностью поля Е (D=εE, где ε — диэлектрическая проницаемость), появляется дополнительный член — 4лβ du/dx.

Для вычисления скорости звука в пьезодиэлектрике достаточно соотношение (1) и соотношение между D и Е подставить в уравнение теории упругости:

ρ d2u/dt2 = ds/dx

(ρ — плотность кристалла) и в уравнение Пуассона dD/dx = 0 (диэлектрик!). В результате несложных преобразований получается величина:

ωd = √ λ ⁄ ρ * (1 + χ)½ , χ = 4πβ²/ελ (2)

Первое слагаемое в выражении для ωd дописывает вклад от близкодействующих упругих сил, которые существуют и в непьезоэлектриках. Второе обусловлено .дополнительными квазиупругими силами, связанными с пьезоэлектрическими полями. Таким образом, роль пьезоэлектрического эффекта определяется величиной χ , которую мы назовем коэффициентом пьезоэлектрической связи. В большинстве известных пьезоэлектрических полупроводников χ не превышает 0,1. Поэтому величину χ можно считать малым параметром теории, что мы и будем делать в дальнейшем. Так, вместо (2) имеем:

ωd = ω0(1 + χ/2), ω0 = √ λ ⁄ ρ

Обратимся теперь к пьезополупроводникам. Как взаимодействуют электроны проводимости с пьезоэлектрическим полем? Предположим сначала, что звук «замер» — создана периодическая в пространстве статистическая деформация:

u(x) = u0 cos qx.

В пьезодиэлектрике из уравнения Пуассона мы сразу бы получили: E = 4πβ du/dx ε. Электрический потенциал поля φ был бы при этом равен (Е = — dφ/dx).

φ0 = 4πβu / ε

А что будет с электронами в полупроводнике? Они перераспределятся в пространстве, стремясь стечь с потенциальных «горбов» и заполнить потенциальные «ямы». При этом уменьшится первоначальный потенциал (φ0, или, как говорят, произойдет его экранирование электронами проводимости. Поэтому первый вопрос, который следует решить: как перераспределяются электроны в поле потенциала и каким образом они его будут экранировать? Для решения этого вопроса следует выяснить, как нужно описывать движение электрона в поле звуковой волны. Это существенно зависит от того, какова величина соотношения между длиной звуковой волны 2л/q и длиной l свободного пробега электронов — какова величина параметра ql. Этот параметр играет центральную роль в теории акустических свойств проводников; при различных его значениях электроны по-разному взаимодействуют со звуком. Обычно в пьезоэлектрических полупроводниках ql «1, поэтому пока ограничимся рассмотрением этого случая. В чистых металлах при низких температурах может выполняться противоположное неравенство. Об этом пойдет речь в следующей главе.

Условие ql «1 означает, что на расстояниях порядка длины звуковой волны электрон успевает много раз столкнуться. В процессе столкновений устанавливается равновесное распределение электронов — электроны лишены индивидуальности, и их можно описывать как объемный заряд, характеризуемый электропроводностью о и коэффициентом диффузии D. В результате плотность тока j можно записать в виде:

j = σ (- dφ/dx) – e D dn/dx

где n — концентрация электронов. В стационарном состоянии плотность тока j в отсутствие внешнего электрического поля должна обращаются в нуль. Потому

n – n0 = - σφ / e D ,

где n0 - равновесная концентрация электронов. Если это выражение подставить в уравнение Пуассона, имеющее в полупроводнике вид:

dD/dx = 4π(n – n0)e ,

и использовать выражение для D, то сразу получим:

φ = φ0 (qR)2 / (1 + ((qR)2) (3)

Здесь - радиус экранирования Дебая — Хюккеля, равный

R = √ εD/4πσ = √ εκΤ/4πe²n0 (4)

(Τ — температура, κ — постоянная Больцмана).

Таким образом видно, что степень экранирования пьезоэлектрнческого потенциала определяется соотношением между длиной волны 2π/q и радиусом экранирования R.. Обычно говорят о дебаевском экранировании, когда речь идет, например, о кулоновском поле иона: поле «голого» заряда 1/r в результате экранирования приобретает вид: 1/r ехр(- r / R ), В данном же случае речь идет об экранировании пространственно-периодического потенциала. При qR «1 устанавливается почти полное экранирование, и φ « φ0. Наоборот при qR »1 перераспределение электронов в пространстве почти не реагирует на коротковолновый звук. Соотношение (3) можно понять еще и следующим образом. В стационарном состоянии имеет место равновесие тока проводимости (вызванного наличием поля) и диффузионного тока (вызванного перераспределением электронов в пространстве). Поэтому электроны перераспределяются тем в большей степени, чем больше отношение электропроводности к коэффициенту диффузии (т. е. чем меньше R при заданной величине q). В свою очередь, чем больше электронов перераспределилось в пространстве, тем более эффективно экранирование затравочного потенциала φ0.

Приведем характерные значения радиуса экранирования в типичных случаях. В CdS при комнатной температуре и n0 = 1012 см-3 R = 5 * 10-4 см: при n0 =1014 см-3 R = 5 * 10-5 см.

Учтем теперь, что бегущая звуковая волна не стоит на месте, а распространяется по кристаллу, создавая электрическое поле, меняющееся в каждой точке кристалла с частотой звука ω². Поэтому возникает вопрос, за какое же время устанавливается статическая картина экранирования, описанная выше. Таким характерным временем является максвелловское время релаксации:

τ = ε/4πσ

Оно обратно пропорционально электропроводности σ, что естественно: ведь именно благодаря процессам электропроводности электроны проводимости могут перераспределяться в пространстве.

Если величина ωτ мала, то за период звука статическое экранирование успевает установиться почти полностью, и картина пространственного распределения электронов мало отличается от той, которая была бы в статическом случае. При этом, как мы видели, потенциал φ отличается от φ0 множителем (qR)2 [1 + (qR)2 ]-1. Такой же множитель должен появиться и в слагаемом, описывающем вклад в скорость звука за счет пьезоэлектрического эффекта:

ω = ω0 [1 + χ (qR)2 /2 (1 + (qR)2 )]

В обратном предельном случае, когда ωτ »1, экранирование не успевает установиться, и скорость звука в полупроводнике равна ωd.

2. Поглощение и усиление звука

При распространении бегущей звуковой волны пространственное распределение электронов стремится следовать за пространственным распределением пьезоэлектрического потенциала. Соответственно переменные пьезоэлектрические поля порождают переменные электронные токи, которые и «подстраивают» распределение электронов к распределению потенциала. При протекании этих токов в проводнике должно выделяться джоулево тепло. В результате при распространении звука механическая энергия звуковой волны переходит в энергию беспорядочного теплового движения, т. е. происходит поглощение звука. Интенсивность поглощаемого звука изменяется по закону:

S (х) =S (0) ехр( - Гх),

где S(0) — интенсивность «на входе» кристалла. Величина Г называется коэффициентом поглощения звука.

Для отношения коэффициента поглощения звука Г к величине его волнового вектора q можно получить следующее выражение:

Г / q = χωτ/((1 + q2R2)2 + (ωτ) 2) (5)

Частотной зависимости этого выражения можно дать следующее наглядное объяснение.

Переменный ток, создаваемый пьезоэлектрическим почтем, вызывает перераспределение свободных зарядов. Перераспределенные заряды, в свою очередь, создают добавочное электрическое поле. Оно, как уже говорилось, направлено противоположно первоначальному электрическому, полю и, следовательно, приводит к уменьшению тока проводимости; τ и есть то время, за которое происходит перераспределение свободных зарядов. При статической деформации заряды перераспределяются и их поле компенсирует (экранирует) пьезоэлектрическое поле. таким образом, что ток становится равным нулю.

Если деформация измеряется с частотой ω, которая гораздо меньше 1/ τ, устанавливается почти полная компенсация. Точнее, поле объемных зарядов в случае переменной деформации, создаваемой звуком, отличается от статического поля на малую величину, пропорциональную ωτ. Поэтому в пьезоэлектрике протекает переменный ток, пропорциональный той же малой величине ωτ. Соответственно коэффициент Г, определяемый квадратом плотности тока, оказывается пропорциональным ω2.

В обратном предельном случае больших ωτ поле объемных зарядов за период звука вообще не успевает возникнуть. Поэтому при ωτ »1 коэффициент пропорциональности между плотностью тока и электрическим полем оказывается вообще независящим от частоты. Не зависит от частоты и коэффициент Г. Член (ωτ) 2 в знаменателе (5) и обеспечивает предельный переход от одного случая к другому. . Наконец, при qR » 1 коэффициент поглощения быстро убывает при увеличении частоты. Это связано с тем (уже отмечавшимся выше) обстоятельством, что звуковая волна, длина которой гораздо меньше радиуса экранирования, почти не вызывает перераспределения заряда даже в статическом случае.

Коэффициент поглощения достигает максимального значения при частоте ωm = ω0/R, т. е. когда длина волны равна 2πR; максимальное значение Гmo коэффициента поглощения равно χ/4R.

Характер частотной зависимости коэффициента поглощения определяется величиной ωmτ. Если ωmτ « 1, то максимум получается сравнительно острым.

В противоположном предельною случае коэффициент поглощения растет пропорционально ω2 вплоть до частот порядка 1/τ, после чего его рост становится очень медленным. Максимум в этом случае оказывается более пологим. При ω » ωm коэффициент поглощения во всех случаях убывает пропорционально ω2. Семейство Г(ω) при разных значениях ωmτ приведено на рис. 3.

Интересно проследить характер зависимости коэффициента поглощения Г от электронной концентрации n0. Обычно проводимость σ пропорциональна n0: σ = е n0μ, где μ - так называемая подвижность электронов. Таким образом, максвелловское время релаксации τ обратно пропорционально n0. Радиус экранирования R, как мы видели, обратно пропорционален √ n0 (см. (4)). Поэтому при малых концентрациях электронов коэффициент Г прямо пропорционален n0, а при больших - обратно пропорционален n0. Существует, таким образом, при любой частоте (о некоторая промежуточная концентрация nw, при которой коэффициент Г максимален.

Оценим коэффициент поглощения Г для какого-нибудь типичного случая. Рассмотрим, например, поперечный звук в CdS, скорость которого ω0 = 1,8 х 105 см/с. Пусть n0 = 5 х 1012 см-3, ω = 3 х 108 с-1, μ = 300 см2/Вс, χ = 0,036, ε = 9,4, Т=300 К. Тогда τ = 3,5 х 10-9 с, R= 1,6 х 10-4 см, q= 1,7 х 103 см-1, и мы получаем, что коэффициент Г составляет около 30 см-1. Это означает, что на расстоянии в 1/30 ~ 0,03 см интенсивность звука затухает в с раз, т. е. теория предсказывает сильное затухание уже при таких малых концентрации и частоте.

А теперь мы переходим, пожалуй, к самому интересному вопросу — анализу влияния электрического поля на поглощение звука. Представим себе, что к пьезоэлектрическому полупроводнику, в котором распространяется звуковая волна, приложено постоянное электрическое поле Е.

Под влиянием постоянного поля Е возмущения электронной концентрации, созданные звуковой волной, движутся со скоростью дрейфа электронов:

V = μE

Чтобы в этом случае найти изменение электронной концентрации под влиянием переменного поля звуковой волны, удобно перейти к движущейся системе координат, скорость которой по отношению к кристаллической решетке равна V. В этой системе можно пользоваться выражениями для распределения электронной концентрации, полученными в отсутствие постоянного электрического поля. Нужно только учесть, что в силу эффекта Доплера частота звука в движущейся системе координат изменяется и оказывается равной ω — qV, где q — волновой вектор звука. В итоге в выражении (5) для отношения Г/q следует произвести замену ω → ω - qV. Это дает:

Г/q = χω(ω – qV)τ/ω0((1 + q2R2) + (ω – qV2)τ2)

В простейшем случае, когда направление распространения звука параллельно дрейфовой скорости, коэффициент поглощения обращается в нуль при V = ω, т. е. когда дрейфовая скорость электронов становится равна скорости звука. При V > ω коэффициент поглощения меняет знак. При Г<0 плотность потока звуковой энергии изменяется по закону:

S(x)=S(0)exp (-Гх) = S(0) ехр (│Г│х).

т. е. поглощение звука сменяется его усилением.

Зависимость коэффициента поглощения от постоянного электрического поля (точнее, от дрейфовой скорости электронов) приведена на рис. 4. Видно, что кривая зависимости Г(V) антисимметрична относительно линии V = ω. Отметим еще одно важное обстоятельство: если при распространении в прямом направлении (направлении дрейфа) звук усиливается, то при распространении в обратном направлении он обязательно затухает. Однако коэффициент поглощения при этом может быть меньше коэффициента усиления при прямом прохождении.

При неизменной дрейфовой скорости V коэффициент усиления как функция частоты достигает максимума при ω = ωm как и в случае поглощения звука. Абсолютный максимум коэффициента усиления по отношению к изменению и частоты и дрейфовой скорости при заданной концентрации равен опять-таки Гmo — максимальному значению коэффициента поглощения.

В чем физическая основа усиления звука? Для того чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим на поглощение звука с несколько иной точки зрения. Можно сказать, что поглощение звука определяется фазовым сдвигом между деформацией решетки ди/дх и пьезоэлектрическим полем Е. В пьезодиэлектрике фазовый сдвиг отсутствует, и пьезоэлектрический эффект не приводит к поглощению звука - он лишь изменяет эффективную жесткость решетки (скорость звука). В пьезополупроводнике пьезоэлектрическое поле отстает по фазе от деформации решетки. Соответствующий сдвиг фаз пропорционален ют; этой же величине пропорционален коэффициент поглощения. При включении электрического поля возмущения концентрации электронов, созданные звуковой волной, дрейфуют со скоростью V. Это приводит к уменьшению сдвига фаз и, следовательно, к уменьшению поглощения. В более сильных электрических полях пьезоэлектрическое поле опережает по фазе деформацию решетки. При этом происходит передача энергии электрического поля звуковой волне — ее интенсивность нарастает. Именно эти процессы математически описываются формулой (6).

До сих пор мы в наших рассуждениях не учитывали поглощения звука кристаллической решеткой. Чтобы его учесть, нужно к выражению для коэффициента электронного поглощения звука добавить коэффициент решеточного поглощения. В результате значение коэффициента поглощения оказывается больше, а коэффициента усиления — меньше, .чем в отсутствие решеточных эффектов. Полный коэффициент усиления обращается в нуль не при каком-нибудь одном, а при двух значениях дрейфовой скорости — Vl и Vll на рис. 4.

Оценим коэффициент усиления в каком-нибудь типичном случае. Обратимся с этой целью к примеру, рассмотренному на стр. 16. При (Vω)/ω)== 0,l мы получаем, что Г~5 см-1. Если увеличить дрейфовую скорость и рассмотреть случай {Vω)/ω = 1, то Г~30 см-1. Это значит, что интенсивность звука возрастает в е раз на расстоянии в 1/30~0,03 см. При дальнейшем возрастании дрейфовой скорости коэффициент усиления начинает убывать.

Приведем в качестве примера экспериментальные зависимости коэффициента поглощения (усиления) от электрическою поля, наблюдавшиеся в кристалле CdS (рис. 5). Как уже говорилось, CdS—фотопроводник. Начало отсчета затухания на рис. 5 соответствует затуханию в неосвещенном образце. При изменении уровня освещенности изменяется проводимость кристалла, а следовательно, и т. Так получены кривые В и С, соответствующие частоте 45 МГц и значениям (от 4,2 и 4,8 соответственно. Кривая А получена на частоте 15 МГц; <от=0,83. Из рисунка видно, что при значении электрического поля ~750 В/см коэффициент поглощения изменяет знак—поглощение сменяется усилением.

Обратим внимание на то, что теория дает очень большие значения коэффициента усиления. Усиление звука в пьезополупроводниках наблюдалось в целом ряде экспериментальных работ. В некоторых случаях существующая теория удовлетворительно описывала данные опыта. Иногда, однако, усиление, наблюдавшееся экспериментально, оказывалось гораздо меньше теоретического. Такое расхождение, возможно, связано с решеточным поглощением звука и некоторыми другими явлениями (которые не учтены в этом простейшем варианте теории).

А может быть, дело здесь в следующем. В простейшей теории, описанной выше, предполагается, что изменение концентрации электронов и электрического поля пропорционально деформации решетки в звуковой волне (линейная теория). При больших амплитудах звуковой волны линейный закон становится неприменимым — в таком случае говорят, что имеют место нелинейные эффекты. В процессе усиления звука его интенсивность может возрасти на много порядков, поэтому такие эффекты могут быть важны. О нелинейных эффектах речь пойдет ниже, и мы увидим, что они могут существенно изменить картину усиления звука.

При приложении к пьезополупроводнику электрического поля изменяется не только поглощение. Изменяя сдвиг фаз между волнами деформации и пьезоэлектрического поля, внешнее электрическое поле изменяет л скорость звука.

Отметим, что скорость звука зависит не только от величины, но и от направления электрического поля по отношению к направлению распространения звука. Соответственно скорости волн, распространяющихся вдоль и навстречу полю, различны. Это обстоятельство полезно иметь в виду; мы вспомним о нем в следующем разделе.

3. Нелинейные эффекты при усилении звука

Теория поглощения и усиления звука, о которой мы рассказали, применима лишь в случае достаточно малых амплитуд, так как она представляет собой линейную теорию. Основные результаты линейной теории, как мы видели, таковы:

1) если на поверхности кристалла создать периодическое упругое смещение, гармонически меняющееся со временем с частотой (о, то в кристалле будет распространяться звуковая волна, упругое смещение в которой будет изменяться по тому же закону;

2) интенсивность звука убывают (или нарастает в пространстве по экспоненциальному закону;

3) скорость звука есть постоянная величина, не зависящая от его амплитуды.

В процессе усиления звука его интенсивность может возрасти на много порядков, так что начинают играть роль нелинейные явления. При этом возникает целый ряд новых эффектов. Происходит генерация второй и более высоких гармоник (а в ряде случаев и субгармоник, частоты которых суть доли частоты м). Интенсивность звука нарастает не экспоненциально, а по более сложному закону. Иными словами, коэффициент усиления начинает зависеть от интенсивности звука.

Наконец, при распространении интенсивного звука в кристалле возникает заметный звукоэлектрический ток. Звукоэлектрический эффект является простейшим нелинейным эффектом и уже давно исследуется теоретически и экспериментально. Мы обсудим этот эффект в специальном разделе.

Нужно сказать, что нелинейные эффекты могут наблюдаться не только при усилении звука. В настоящее время умеют генерировать звук такой интенсивности, .что нелинейные явления могут быть заметны уже в режиме поглощения. При усилении, однако, они проявляются более ярко. Кроме того, учет их при усилении имеет принципиальный характер, так как именно они должны рано или поздно ограничить усиление. Поэтому в данном разделе мы будем обсуждать случай усиления звука.

Если линейная теория усиления звука, которую мы рассматривали выше, сравнительно проста, то нелинейная теория гораздо сложнее. Поэтому здесь мы лишь качественно укажем, какие физические процессы ответственны за нелинейные взаимодействия, и приведем основные результаты нелинейной теории. Следует отметить, что нелинейная теория усиления звука еще далека от своего завершения; существует ряд наблюдавшихся на опыте явлений, которые пока не нашли объяснения. С другой стороны, некоторые предсказания нелинейной теории еще ждут своей экспериментальной проверки.

Вопрос о нелинейных эффектах является чрезвычайно важным и с практической точки зрения, поскольку почти во всех акустоэлектронных системах работающих в режиме усиления, эти эффекты проявляются. Кроме того, изучение нелинейного взаимодействия позволило узнать много нового о неравновесных процессах в полупроводниках. Поэтому в настоящее время исследование нелинейных акустических явлений идет широким фронтом.

Какого происхождения нелинейные взаимодействия в пьезоэлектрических полупроводниках?

В диэлектрике единственный источник таких взаимодействий — нелинейность упругих свойств, которая проявляется в отклонении от закона Гука. Эта нелинейность хорошо изучена. Она, например, приводит к возникновению высших гармоник и может вызвать образование волн с резкими фронтами. Такие волны подобны волнам в воздухе, идущим от области взрыва, и называются ударными.

В пьезоэлектрических полупроводниках обычно гораздо важнее другие нелинейные взаимодействия, связанные с электронами проводимости. Таких взаимодействий можно указать несколько. Известно, что если приложить к полупроводнику электрическое поле, то потечет ток, плотность которого этому полю пропорциональна. Так дело обстоит, если поле не очень велико. Но для сильных полей пропорциональность нарушается. В таких случаях говорят, что наблюдаются отклонения от закона Ома. Поле, в котором начинают проявляться эти отклонения, зависит от температуры, и при низких температурах роль отклонений от закона Ома особенно важна. Однако при комнатной температуре они обычно несущественны. Нас же будет интересовать именно эта область температур, поскольку при комнатных температурах выполнено наибольшее число экспериментов. Поэтому механизма нелинейности, связанного с отклонениями от закона Ома, мы рассматривать не будем.

Существует специфическое нелинейное взаимодействие в полупроводниках с примесными центрами, которые могут захватывать электроны проводимости, играя для них роль своеобразных «ловушек». Оно связано с тем, что в таких полупроводниках отношение концентраций свободных электронов и захваченных в ловушки само зависит от полной электронной концентрации.

Наконец, возможна так называемая концентрационная нелинейность. В ряде интересных случаев главная роль принадлежит именно ей, поэтому о ней имеет смысл рассказать подробнее.

Мы уже говорили, что пьезоэлектрический потенциал, создаваемый звуковой волной, вызывает пространственное перераспределение электронного заряда, так что локальная электронная концентрация n отличается от средней концентрации n0. Вследствие этого и электропроводность в данной точке σ = enμ отличается от средней электропроводности σ = en0μ.. Поскольку n` = n - n0 зависит от амплитуды переменного электрического поля, то возникает нелинейная связь между плотностью переменного тока проводимости j = σE и напряженностью переменного электрического поля Е.

Обсудим качественно, к каким эффектам приводит такая нелинейная связь. Предположим сначала, что интенсивность звука, который мы возбуждаем, достаточно мала (смысл слов «достаточно мала» мы выясним немного позже). Звуковая волна частоты ω распространяется от поверхности в глубь кристалла, затухая или усиливаясь, в зависимости от величины приложенного постоянного электрического поля. Переменное пьезоэлектрическое поле, сопровождающее волну, вызывает пространственное перераспределение электронов. Таким образом, в выражении для плотности тока появляются нелинейные члены. Они содержат вторую и нулевую гармоники. Последняя, т. е. постоянное слагаемое, представляет собой не что иное, как уже знакомый нам звукоэлектрический ток.

Что же касается второй гармоники в токе, то она порождает вторую гармонику в электронной концентрации и, следовательно, в электрическом поле. Последнее же благодаря электромеханической связи играет роль вынужденной силы, которая создает вторую гармонику в упругом смещении.

Каково отношение амплитуд второй и основной гармоник? Эго отношение можно считать мерой нелинейности. Его легко оценить для случаев, когда картина распределения электронов в поле волны мало отличается от статической. Тогда относительное изменение концентрации в поле волны (n - n0)/n0 должно быть порядка eφ/kT. Ведь именно таково отношение глубины «потенциальных ям», созданных звуковой волной, к характерной энергии электрона. Соответственно вынуждающая сила будет ~ χeφ/kT по сравнению с силой, имеющей частоту основной гармоники. Однако важна не только величина силы, но и то, насколько она .попадает «в резонанс» с собственными волнами системы. А именно амплитуда гармоники определяется отношением амплитуды вынуждающей силы χeφ/kT к разности 1/ ω – 1/ ω2, которая тоже порядка χ (ω2 – скорость свободной звуковой волны с частотой 2ω). Аналогичная ситуация возникает при раскачке маятника внешней силой—амплитуда колебаний пропорциональна не просто амплитуде вынуждающей силы, а отношению силы к расстройке относительно частоты собственных колебаний. В результате

u2/u ~ eφ/kT (8)

Таким образом видно, что безразмерным параметром, определяющим роль нелинейных эффектов, является отношение eφ/kT. Оценка (8) применима, пока

u2/u « 1. При таком условии амплитуда второй гармоники сравнительно мала. Амплитуды высших гармонии еще меньше: амплитуда n-й гармоники пропорциональна (eφ/kT)2. Следовательно, форма волны остается почти синусоидальной.

Что же происходит, когда eφ ≥ kT? Форма волны в этом случае заметно отличается от синусоидальной, а амплитуды большого числа высших гармоник имеют тот же порядок, что и основная.

Особенно сильно проявляются нелинейные эффекты при eφ » kT. В этом случае все электроны расположены на дне потенциальных ям, образованных пространственно-периодическим распределением пьезоэлектрического потенциала (рис. 8).

Электрические свойства пьезополупроводника оказываются в таком состоянии резко анизотропными. Средний ток в направлении распространения звука в широком интервале полей не зависит от поля и равен en0ω (все электроны проводимости увлекаются волной). В то же время проводимость полупроводника в поперечном направлении почти не изменяется в присутствии звука.

Рассмотрим теперь основной вопрос, ради которого мы начали обсуждать нелинейные эффекты,— как будет вести себя коэффициент усиления в случае больших звуковых амплитуд.

Согласно линейной теории усиления звука, его амплитуда, как уже говорилось, возрастает беспредельно. Ясно, что реально усиление беспредельным быть не может, так как в конце концов око бы вызвало разрушение кристалла. В действительности, однако, этого обычно не происходит - начиная с некоторого значения амплитуды коэффициент усиления начинает убывать и обращается в нуль. При этом в кристалле образуется так .называемая стационарная волна — периодическая волна несинусоидальной формы, которая распространяется, не усиливаясь и не затухая. . Как правило, одних только электронных эффектов для образования стационарных волн недостаточно. Эти (волны могут возникнуть лишь в результате совместно-то действия решеточного поглощения и электронного усиления. Если при определении значений дрейфового ноля звук малой амплитуды усиливается, значит электронный коэффициент усиления превышает коэффициент решеточного поглощения. Но эти два коэффициента по-разному зависят от амплитуды: в большинстве представляющих интерес случаев электронное усиление убывает, а решеточное поглощение возрастает.

На первый взгляд может показаться, что поскольку мы не учитываем нелинейные упругие свойства кристалла, в теории не должна возникать нелинейность решеточного поглощения. Однако это не так. Решеточное поглощение связано со взаимодействием звуковой волны с тепловыми колебаниями решетки. Его можно описать, вводя в уравнения теории упругости эффективную силу, действующую на решетку. Структура этой силы аналогична структуре силы вязкого трения в жидкости — она пропорциональна третьей производной смещения по координате. В связи с этим основной вклад в решеточное поглощение дают области резкой зависимости смещения от координаты — области вблизи дна потенциальных ям, где электроны сильно взаимодействуют со звуком. С ростом амплитуды звука размер этих областей, как мы уже видели (см. рис. 8), уменьшается — излом становится более резким. Следовательно, решеточное поглощение возрастает. При некоторой амплитуде электронное усиление сравнивается с решеточным поглощением — это и есть амплитуда стационарной волны.

Исследование образования стационарных волн и зависимости их амплитуды от электрического поля и других параметров позволяют ответить на важный вопрос» .какое максимальное усиление звука можно получить описанным путем?.

4. Усиление акустических шумов и связанные с этим явления

Уже в первых опытах по усилению звуковых сигналов наблюдалось также усиление звуковых шумов, т. е. тепловых звуковых флуктуаций, всегда существующих в кристалле.: В ходе эксперимента было видно, как их интенсивность нарастает и в конце концов 'начинает препятствовать усилению полезного сигнала. Таким образом, вначале шумы возникли как паразитный эффект, с которым надо было бороться. Впоследствии, однако, оказалось, что их изучение представляет самостоятельный физический интерес, и немалый. А сейчас, пожалуй, этому вопросу посвящено большее число работ, чем любой другой проблеме, связанной с усилением звука в полупроводниках.

Проблема усиления шумов в пьезополупроводниках очень сложна и к настоящему времени полностью не решена. Поэтому здесь мы обсудим лишь главные особенности усиления шума и основные возникающие вопросы.

Как происходит усиление шума? Мы видели, что вследствие анизотропии пьезоэлектрического взаимодействия и скорости звука коэффициент усиления звука зависит от направления его распространения. Обычно (хотя и не всегда) опыт ставят так, что усиление максимально, когда звук распространяется в направлении дрейфа электронов (звук, распространяющийся под углом, усиливается меньше). Только такую геометрию мы здесь и будем обсуждать.

Мы видели, что коэффициент усиления звука имеет максимум на частоте ω0, которая пропорциональна √ n0

Интенсивность шумов растет по мере удаления от края кристалла. Быстрее всего нарастает интенсивность тех звуковых волн, которые распространяются вдоль направления дрейфа и имеют частоту о),„. Поэтому по мере удаления от края кристалла и угловое и частотное распределения интенсивности шумов обостряются. .Спектр акустических шумов в разных точках кристалла схематически изображен на рис. 12.

Таким образом, шумы усиливаются в очень узком угловом и частотном интервале. Однако в этом интервале общее усиление чрезвычайно велико. Так в одном из опытов оно на длине кристалла составляло 108.

В процессе усиления интенсивность шумов возрастает настолько, что их уже нельзя считать независимы. ми. Возникает состояние, до некоторой степени напоминающее гидродинамическую турбулентность, В этом состоянии движение имеет беспорядочный, хаотический характер, и большую роль играет взаимодействие отдельных шумовых компонент.

Что же происходит в таком состоянии? По какому закону растет интенсивность шумов в пространстве. Да и растет ли она? Каков спектральный состав шу'. мо.в? Есть ли максимум вблизи одной частоты, а если есть, то вблизи какой? И как формируется это состояние, какие взаимодействия играют в нем главную роль?

На большинство этих вопросов сейчас не существует однозначного ответа. Но кое-что все-таки уже известно, и мы об этом сейчас расскажем.

Оказалось, что определяющую роль в формировании акустического турбулентного состояния, как правило, играют коллективные движения электронов полу. проводника. Что же это такое? Хорошо известен один тип таких коллективных движений — плазменные колебания. Это колебания электронной плотности, период которых намного меньше времени свободного пробега электронов проводимости. Между тем со звуковыми шумами могут взаимодействовать только медленные движения с характерным временем, сравнимым с период дом звука (т. е. значительно превышающим время свободного пробега электронов проводимости). Какие это движения?

Представим себе, что в некоторой области полупроводника возник сгусток электронов (электронная концентрация немного превышает среднюю). Этот сгусток будет рассасываться как из-за диффузии электронов так и из-за расталкивания кулоновскими силами. Таким образом, это не колебательное, а периодическое, чисто релаксационное движение. И в полупроводнике возможны процессы, при которых сливаются две акустические волны л возникает не третья волна, а такое быстрозатухающее движение.

Важно, что процессы с участием движений электронной плотности происходят, вообще говоря, чаще других возможных процессов, т. е. именно они преобладают в условиях акустической турбулентности. В результате таких процессов образуется своеобразный «фон» движений электронной концентрации, рождающихся при слиянии усиленных шумовых компонент и ^быстро затухающих. Эти движения изменяют макроскопические (средние) свойства среды и, в частности, коэффициент усиления шумов — возникает добавка к коэффициенту усиления, пропорциональная интенсивности шума. В результате усиление шума становится нелинейным.

Характеристики турбулентного состояния определяются, естественно, свойствами нелинейного коэффициента усиления. Расчеты показывают, что нелинейный .коэффициент усиления имеет максимум на более низкой частоте, чем линейный. В результате спектр шумов в процессе усиления смещается в область более низких частот — взаимодействие шумов через посредство движений электронной концентрации приводит к «перекачке» энергии в эту область. Такая перекачка неоднократно наблюдалась на опыте.

Возникает очень интересный вопрос: а возможна ли ситуация, в которой спектр шумов сужается в процессе усиления? Нельзя ли таким образом получить из усиленного шума когерентный акустический сигнал?

Согласно теории такой режим усиления в принципе возможен, однако при таких условиях, которые на опыте реализовать совсем не просто. Может быть, по этой причине он до сих пор не наблюдался.

Расскажем еще об одном своеобразном проявлении турбулентного состояния. В этом состоянии нередко наблюдаются так называемые акустоэлектрические домены. Это — сгустки акустических шумов (ограниченные в пространстве волновые пакеты), периодически пробегающие по кристаллу. Поскольку такие домены «захватывают» электроны проводимости, при этом наблюдаются осцилляции тока в цепи, в которую включен образец. Таким образом, полупроводник работает как' генератор периодических электрических импульсов.

В целом задача об усилении шумов далеко не проста. К настоящему времени удалось построить лишь теорию так называемой слабой турбулентности, когда интенсивность выросших шумов еще достаточно мала. Уже эта теория имеет весьма сложный вид.

С другой стороны, достигнуты серьезные успехи в экспериментальном изучении акустической турбулентности в полупроводниках. В последние годы появилась экспериментальная техника, очень удобная для исследования поведения шумов. Это — изучение рассеяния света на усиленных акустических шумах. С помощью этой техники удается изучать распределение волн как по направлениям распространения, так и по частотам в любой точке кристалла. Таким образом, можно получить весьма детальные сведения о нарастании акустических шумов. В связи с этим и в нашей стране и за рубежом сейчас ведется очень много работ по изучению поведения звуковых шумов в полупроводниках.

.Состояние, о котором мы сейчас рассказали, является во многих отношениях уникальным, а с теоретической точки зрения — далеко не полностью понятым. Поэтому нам кажется, что дальнейшее его изучение может оказаться исключительно благодарным делом, потому что именно здесь в будущем можно ожидать наиболее интересные находки и открытия.

5. Звукоэлектрический эффект

До сих пор мы говорили о поглощении и усилении звука электронами проводимости. Есть, однако, интересный эффект, о котором уже вкратце упоминалось, связанный с обратным влиянием звуковой волны на электроны, - звукоэлектрический эффект.

Бегущая звуковая волна увлекает за собой электроны проводимости, в результате чего, если замкнуть образец проводником, в' цепи потечет звукоэлектрический ток. Если же образец разомкнут, то на его концах возникнет разность потенциалов, а внутри его — звукоэлектрическое поле Езв. Оценить его можно из следующих соображений.

В процессе поглощения звука электронам, заключенным в единице объема, в единицу времени передается энергия ГS. Импульс, передаваемый при этом электронам, есть ГS/ω. С другой стороны, эта величина должна быть равна силе, действующей на эти электроны со стороны звукоэлектрнческого поля - en0 Езв. В итоге получается следующая оценка:

Езв = ГS/en0ω (9)

Соответственно звукоэлектрический ток равен:

jзв = σ Езв = μГS/ω (10)

Это соотношение легко понять качественно — чем больше поглощение звука, тем больший импульс передается от звука электронам н тем больше электронный ток.

Звукоэлектрический эффект в пьезополупроводниках имеет очень большую величину — при интенсивности звука 0,1 Вт/см2 звукоэлектрическое поле может достигать 15—20 В/см. Поэтому звукоэлектрический эффект может быть использован как весьма чувствительный индикатор наличия звуковых волн в кристалле и измеритель их интенсивности.

Соотношения (9) и (10) остаются справедливыми и во внешнем электрическом поле, когда в полупроводнике наряду со звукоэлектрическим током течет та«же ток проводимости. Поэтому при пороговом значении электрического поля, когда поглощение звука сменяется его усилением, изменяет знак и звукоэлектрическое поле. Такую перемену знака легко понять физически: когда дрейфовая скорость электронов превышает скорость звука, звуковая волна уже не увлекает систему электронов, а тормозит ее как целое. Изменение знака звукоэлектрического эффекта 'неоднократно наблюдалось на опыте.

А что произойдет, если направление, в котором распространяется звук в кристалле, изменить на противоположное? На первый взгляд кажется, что при этом (в отсутствие внешнего электрического поля) изменится лишь знак звукоэлектрического поля Езв. Тут можно рассуждать так: одновременно с изменением направления распространения звука повернем мысленно и сам кристалл на 180°. Повернутый кристалл совпадает с исходным, и по существу ничего не изменилось. Это )рассуждение действительно подходит для полупроводника, кристаллическая решетка которого имеет центр симметрии. Мы же видели, что кристаллические решетки пьезополупроводников не имеют центра симметрией.

Поэтому в них при изменении направления распространения звука на противоположное может изменяться не только знак, но и величина Езв. Иными словами, звукоэлектрический эффект содержит четную и нечетную .части: первая не изменяется при изменении направления распространения звука, а вторая изменяет свой знак. Четный звукоэлектрический эффект также наблюдался на опыте.

Звукоэлектрический эффект проявляется как при распространении звуковых сигналов, так и при усилении шумов. Он играет важную роль в формировании акустоэлектрических доменов, о которых говорилось выше.

Исследования звукоэлектрического эффекта ведутся весьма активно, так как с их помощью можно непосредственно изучать электронные свойства полупроводников.

Заключение

Мы рассмотрели ряд явлений, сопровождающих распространение ультразвука в полупроводниках и металлах. Начав с простых эффектов, мы подошли к сложным проблемам, находящимся на переднем крае современной физики твердого тела. В силу ограниченности объема книги мы не смогли коснуться целого ряда интересных вопросов. Так, мы не рассматривали нелинейных акустических явлений в металлах в магнитном поле, опустили очень интересный вопрос об особенностях распространения звука в сверхпроводниках. Не обсуждался также случай очень высокочастотного и интенсивного звука, приводящего к квантованию движения электронов в поле деформаций звуковой волны. Все эти вопросы в настоящее время изучаются, и в ближайшие годы мы надеемся узнать много нового об акустических свойствах твердых тел.

Можно надеяться, что эта область физики твердого тела будет интенсивно развиваться еще в течение целого ряда лет. А это значит, что, кроме перечисленных, здесь должны возникнуть и новые проблемы, появление которых пока предугадать нельзя, но постановка и решение которых составят основное содержание этой области в ближайшем будущем.