Усиление ультразвука

Определение "Усиление ультразвука" в Большой Советской Энциклопедии

Усиление ультразвука в полупроводниках (дрейфом носителей тока), явление, состоящее в том, что проходящая по кристаллу полупроводника ультразвуковая волна усиливается, когда скорость дрейфа носителей тока в направлении волны превысит фазовую скорость последней. Физическую природу Усиление ультразвука проще всего понять на примере кристалла полупроводника, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, – т. н. пьезополупроводника (см. Пьезоэлектричество). Вследствие пьезоэффекта проходящая по кристаллу упругая волна сопровождается электрическим полем, которое взаимодействует с носителями тока в полупроводнике – электронами и дырками. Это приводит к их перераспределению в пространстве и образованию области с повышенной концентрацией носителей – пространственного объёмного заряда. Если при этом к образцу приложено электрическое поле E_d, создающее дрейф объёмного заряда со скоростью большей, чем фазовая скорость упругой волны с, то носители тока, обгоняя волну, будут отдавать ей энергию, в результате чего произойдёт усиление ультразвуковой волны. Аналогичный процесс происходит в лампе бегущей волны. В полупроводниках, не обладающих пьезоэффектом, взаимодействие упругой волны с носителями тока осуществляется через деформационный потенциал, т. е. непосредственно через взаимодействие электронов с фононами, которое характеризует изменение энергии электрона в зоне проводимости под действием упругой деформации решётки. Сила, действующая на электрон со стороны деформированной решётки, пропорциональна квадрату частоты волны w, поэтому Усиление ультразвука в обычных полупроводниках эффективно только на гиперзвуковых частотах w > 10⁹ гц (см. Гиперзвук).

  На малых частотах, когда длина свободного пробега носителей тока l много меньше длины ультразвуковой волны l, Усиление ультразвука обусловлено объёмным зарядом, т. е. сверхзвуковым движением локального «сгустка» носителей тока одного знака, образованного самой волной; если же l/l>>1 – электроны (или дырки) почти свободны, образование объёмного заряда не происходит и усиление обусловлено когерентным излучением фононов отдельными носителями тока (подобно пучковой неустойчивости в газоразрядной плазме).

  Для Усиление ультразвука в пьезополупроводящих кристаллах симметрия кристалла и направление распространения упругой волны должны быть такими, чтобы упругая волна с данной поляризацией сопровождалась продольным электрическим полем, т.к. взаимодействие носителей тока в полупроводнике наиболее эффективно с продольной компонентой вектора электрического поля волны. Усиление как продольных, так и поперечных волн может осуществляться в пьезополупроводящих кристаллах CdS, CdTe, Zn₀, GaAs, CdSe.

Основная трудность использования Усиление ультразвука на опыте состоит в чрезмерном нагревании образцов в режиме усиления. Чтобы этого избежать, опыты по Усиление ультразвука обычно проводят в импульсном режиме, прикладывая к образцу дрейфовое поле только на время ультразвукового импульса. В пьезополупроводниках Усиление ультразвука может достигать весьма больших значений, при этом становятся существенными нелинейные явления, ограничивающие усиление. Практическое применение Усиление ультразвука возможно для создания активных ультразвуковых линий задержки, усиления колебаний СВЧ (с использованием двойного акустоэлектрического преобразования), создания гиперзвуковых излучателей и приёмников. Исследование эффекта Усиление ультразвука в полупроводниках (особенно в сильном магнитном поле) позволяет оценить и измерить ряд характерных параметров и констант твёрдого тела, в частности исследовать Ферми поверхность.
 
  Лит. см. при ст. Ультразвук.
  В. И. Пустовойт.