Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: реферат на тему русские, решебник класс по математике
| Добавил(а) на сайт: Jasamanov.

Усиление ультразвука возможно, если только оно превосходит поглощение, обусловленное решеткой. На опыте наблюдалось усиление ультразвука в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, Те, GaAs, InSb и др.) в диапазоне частот
10-104 МГц при температуpax от гелиевых до комнатных. Значения экспериментально наблюдаемых инкрементов составляют 20-80 дБ/см. При низких температурах наблюдалось также усиление ультразвука в неполярных полупроводниках (Ge) и полуметаллах (Bi).

Опыты приводились на образцах 1 и 2 кристаллов CdS. Образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов со следующими размерами ll вдоль осей x, у, z (z — гексагональная ось): lx = 52,0, lv = 11.52, lz = 11,55 мм (образец
1); lx = 28,4. lv = 12,11, lz — 12,15 мм (образец 2). Образцы были желтого цвета, прозрачные.

Их электропроводность а менялась в зависимости от освещения в пределах

( = 10-10–10-2 Ом-1 ·см-1.

Эффективная дрейфовая подвижность ( = 140 см-с-1-В-1.

Рэлеевские волны распространялись в плоскостях ху кристаллов, а поперечные
— вдоль осей у с направлением смещений частиц в волне параллельно осям z.
Поверхности ху образцов были хорошо обработаны.
Коэффициенты усиления (затухания) измерялись в импульсном режиме на частоте
~ 30 МГц при длительности импульсов 2—3 мкс для рэлеевских волн и 1—2 мкс для поперечных волн. На рис. 3.17 приведена схема эксперимента. Дрейфовые электроды, служащие для создания в поверхностном слое кристалла постоянного электрического поля Е0, наносились на плоскость ху путем напыления индия и представляли собой две параллельные полоски шириной 1,5 мм, находящиеся на расстоянии 7 мм друг от друга. Кристалл освещался ртутной лампой ДРШ-500, причем засвечивалась только узкая полоска (поверхностный слой 0.5 мм) между электродами. Остальная часть кристалла была закрыта непрозрачным экраном.
Такое освещение позволяло локализовать электроны проводимости кристалла
(созданные светом) в поверхностном слое между дрейфовыми электродами и этим достигнуть постоянства напряженности Е0 по координате х (в пределах 10%).
Для развязки импульсов дрейфового поля п импульсов с частотой заполнения 30
МГц. подаваемых на излучатель через коаксиальный кабель, использовались индуктивность L и емкости С.
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.

[pic][pic]
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 ( 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 (ш/(0, ?ш — ЭДС развиваемая шумовым сигналом на приемнике;

? 0— некоторый постоянный уровень (ЭДС темнового сигнала поперечных волн в образце 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 (e и интенсивности акустической волны I.
Плоская волна, интенсивность которой при прохождении слоя толщиной (x: уменьшается за счет электронного поглощения на величину (eI(x, передает в среду механический импульс
(eI(x/(s, приходящийся на ne(x электронов слоя (vs - скорость звука. ne - концентрация свободных электронов). Следовательно, на отдельный электрон действует средняя сила
[pic] (1)

Под действием этой силы появляется акустоэлектрический ток, плотность которого Jac=(neF(( - подвижность электронов) определяется соотношением
Jac=((eI/(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.
Jac=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):
[pic], (4)

где L - длина проводника. I0 - интенсивность звука на входе образца, a = ae+a0 – коэффициент поглощения звука, учитывающий как электронное поглощение ae так н решеточное ao, (- 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 (kle