Акустоэлектрический эффект

Акустоэлектрический эффект был предсказан теоретически американским физиком Р. Парментером в 1952 году^[2] и позднее Л. Гуревичем^[3]. Экспериментально обнаружен в 1957 году Г. Вайнрайхом и X. Дж. Уайтом в германии^[4] и независимо от них Сасаки и Ёсидой^[5].

Известно, что при взаимодействии акустических волн и электронов проводимости при одновременном распространении в твёрдых телах (металлах и полупроводниках) акустической волны возникает акустоэлектронное взаимодействие, приводящее к деформациям кристаллической решётки твёрдого тела^[6]. Деформация кристалла приводит к появлению внутрикристаллических сил, действующих на электроны кристалла, в результате чего возникает обмен энергиями и импульсами между акустической волной в кристалле и электронами проводимости^[7]. Наиболее сильно этот эффект проявляется в кристаллах без центра инверсии. В полупроводниках воздействие акустической волны приводит к изменению ширины запрещённой зоны вследствие вызываемой ею деформации кристаллической решётки полупроводника. На свободные электроны в полупроводнике начинает действовать сила, пропорциональная величине амплитуды волны деформации^[8]. Возникший градиент концентрации электронов своим полем начинает воздействовать на кристаллическую решётку полупроводника. Если полупроводник одновременно является пьезоэлектриком (например, ${\displaystyle {{\ce {CdS}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {CdSe}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {GaAs}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {InSb}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {Te}}}}$ и другие), то вследствие пьезоэлектрического эффекта в таких полупроводниках-пьезоэлектриках возникает переменное электрическое поле, под действием которого осуществляется перегруппировка свободных электронов в кристалле.

Распределение максимумов концентрации свободных электронов таково, что они отстают от минимумов волн электрического потенциала, что приводит к ускорению их полем волны. Энергия и импульс волны передаётся свободным электронам, которые теряют их при взаимодействии с кристаллической решёткой полупроводника. Таким образом, в полупроводнике электроны поглощают часть энергии акустической волны, что приводит к уменьшению её интенсивности, а передача импульса от волны к электронам вызывает ток, называемый акустоэлектрическим током (или эдс, в случае незамкнутого полупроводника). Внешнее постоянное электрическое поле, приложенное к такой системе, вызывает дрейф электронов, сонаправленный акустической волне. Если скорость дрейфа электронов больше скорости распространения акустической волны в полупроводнике, максимумы концентрации могут опередить минимумы периодического электрического потенциала, и поле волны начнёт их тормозить, в результате чего уже электроны начнут передавать часть своей энергии акустической волне. На основании этого эффекта созданы усилители акустических колебаний.

В результате акустоэлектрического эффекта в пьезоэлектриках-полупроводниках могут возникать акустоэлектрические домены.

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

Акустоэлектронное взаимодействие лежит в основе работы многих акустоэлектронных устройств, например, акустоэлектронных фазовращателей и модуляторов. Акустоэлектрический эффект используется для обнаружения акустических сигналов.

В металлах происходит взаимодействие электромагнитного поля на электроны и ионы решётки как результат воздействия акустической волны на решётку, вызывающий смещение ионов решётки из положения равновесия.

Наряду с акустоэлектрическим эффектом в полупроводниках и системах пьезоэлектрик-полупроводник часто возникает акустоэлектромагнитный эффект.