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 шу-мов, т. е. тепловых звуковых флуктуаций, всегда суще-ствующих в кристалле.: В ходе эксперимента было видно, как их интенсивность нарастает и в конце концов 'начинает препятствовать усилению полезного сигна-ла. Таким образом, вначале шумы возникли как пара-зитный эффект, с которым надо было бороться. Впо-следствии, однако, оказалось, что их изучение представ-ляет самостоятельный физический интерес, и нема-лый. А сейчас, пожалуй, этому вопросу посвящено боль-шее число работ, чем любой другой проблеме, связан-ной 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 взаимо-действия и скорости звука коэффициент усиления зву-ка зависит от направления его распространения. Обыч-но (хотя и не всегда) опыт ставят так, что усиление максимально, когда звук распространяется в направле-нии 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 щ0, которая пропорциональна v 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 частот-ное 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 интерва-ле общее усиление чрезвычайно велико. Так в одном из опытов оно на длине кристалла составляло 108.
В процессе усиления интенсивность шумов возрас-тает настолько, что их уже нельзя считать независимы. ми. Возникает состояние, до некоторой степени напо-минающее гидродинамическую турбулентность, В этом состоянии движение имеет беспорядочный, хаотический характер, и большую роль играет взаимодействие от-дельных 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 состоя-ние, 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 пра-вило, играют коллективные движения электронов полу. проводника. Что же это такое? Хорошо известен один тип таких коллективных движений -- плазменные коле-бания. Это колебания электронной плотности, период которых намного меньше времени свободного пробега электронов проводимости. Между тем со звуковыми шумами могут взаимодействовать только медленные дви-жения с характерным временем, сравнимым с период дом звука (т. е. значительно превышающим время сво-бодного пробега электронов проводимости). Какие это движения?
Представим себе, что в некоторой области полупроводника возник сгусток электронов (электронная кон-центрация 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 аку-стические волны л возникает не третья волна, а такое быстрозатухающее движение.
Важно, что процессы с участием движений элект-ронной плотности происходят, вообще говоря, чаще других возможных процессов, т. е. именно они преоб-ладают в условиях акустической турбулентности. В ре-зультате 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 ко-эффициенту усиления, пропорциональная интенсив-ности шума. В результате усиление шума становится нелинейным.
Характеристики турбулентного состояния опреде-ляются, естественно, свойствами нелинейного коэффици-ента усиления. Расчеты показывают, что нелинейный .коэффициент усиления имеет максимум на более низ-кой частоте, чем линейный. В результате спектр шумов в процессе усиления смещается в область более низких частот -- взаимодействие шумов через посредство дви-жений электронной концентрации приводит к «пере-качке» энергии в эту область. Такая перекачка неодно-кратно 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 уси-ленного шума когерентный акустический сигнал?
Согласно теории такой режим усиления в прин-ципе 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 проявле-нии турбулентного состояния. В этом состоянии неред-ко наблюдаются так называемые акустоэлектрические домены. Это -- сгустки акустических шумов (ограни-ченные в пространстве волновые пакеты), периодически пробегающие по кристаллу. Поскольку такие домены «захватывают» электроны проводимости, при этом наб-людаются 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 про-ста. 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 турбулент-ности в полупроводниках. В последние годы появилась экспериментальная техника, очень удобная для иссле-дования 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 полу-чить весьма детальные сведения о нарастании акусти-ческих шумов. В связи с этим и в нашей стране и за рубежом сейчас ведется очень много работ по изуче-нию поведения звуковых шумов в полупроводниках.
.Состояние, о котором мы сейчас рассказали, является во многих отношениях уникальным, а с теоретиче-ской 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, одна-ко, интересный эффект, о котором уже вкратце упоми-налось, связанный с обратным влиянием звуковой вол-ны на электроны, - звукоэлектрический эффект.
Бегущая звуковая волна увлекает за собой электро-ны проводимости, в результате чего, если замкнуть об-разец проводником, в' цепи потечет звукоэлектрический ток. Если же образец разомкнут, то на его концах воз-никнет разность потенциалов, а внутри его -- звукоэлектрическое поле Езв. Оценить его можно из следующих соображений.
В процессе поглощения звука электронам, заклю-ченным в единице объема, в единицу времени передается энергия ГS. Импульс, передаваемый при этом электронам, есть ГS/щ. С другой стороны, эта величина должна быть равна силе, действующей на эти элек-троны со стороны звукоэлектрнческого поля - en0 Езв. В итоге получается следующая оценка:
Езв = ГS/en0щ (9)
Соответственно звукоэлектрический ток равен:
jзв = у Езв = мГS/щ (10)
Это соотношение легко понять качественно -- чем больше поглощение звука, тем больший импульс пере-дается 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 эф-фект может быть использован как весьма чувствитель-ный индикатор наличия звуковых волн в кристалле и измеритель их интенсивности.
Соотношения (9) и (10) остаются справедливыми и во внешнем электрическом поле, когда в полупровод-нике наряду со звукоэлектрическим током течет та«же ток проводимости. Поэтому при пороговом значении электрического поля, когда поглощение звука сменяет-ся его усилением, изменяет знак и звукоэлектрическое поле. Такую перемену знака легко понять физически: когда дрейфовая скорость электронов превышает ско-рость звука, звуковая волна уже не увлекает систему электронов, а тормозит ее как целое. Изменение знака звукоэлектрического эффекта 'неоднократно наблюда-лось на опыте.
А что произойдет, если направление, в котором рас-пространяется звук в кристалле, изменить на противо-положное? 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 направ-ления 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 решет-ки 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 наблю-дался на опыте.
Звукоэлектрический эффект проявляется как при распространении звуковых сигналов, так и при усиле-нии шумов. Он играет важную роль в формировании акустоэлектрических доменов, о которых говорилось выше.
Исследования звукоэлектрического эффекта ве-дутся весьма активно, так как с их помощью можно непосредственно изучать электронные свойства полу-проводников.
и металлах. Начав с простых эффектов, мы подошли к сложным проблемам, находящимся на переднем крае современной физики твердого тела. В силу ограничен-ности объема книги мы не смогли коснуться целого ря-да интересных вопросов. Так, мы не рассматривали не-линейных акустических явлений в металлах в магнит-ном поле, опустили очень интересный вопрос об особен-ностях распространения звука в сверхпроводниках. Не обсуждался также случай очень высокочастотного и ин-тенсивного звука, приводящего к квантованию движе-ния 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 твердо-го тела будет интенсивно развиваться еще в течение целого ряда лет. А это значит, что, кроме перечислен-ных, здесь должны возникнуть и новые проблемы, по-явление которых пока предугадать нельзя, но постанов-ка и решение которых составят основное содержание этой области в ближайшем будущем.
Страницы: 1, 2, 3, 4
