Нелинейные эффекты в упругой среде

С повышением интенсивности звуковой волны все большую роль начинают играть нелинейные эффекты, искажающие ее форму, ограничивающие рост ее интенсивности при усилении или уменьшающие ее затухание. В проводящих средах, помимо обычного решеточного ангармонизма, существует специфический механизм нелинейности, связанный с захватом электронов проводимости в минимумы потенциальной энергии электрического поля, сопровождающего акустическую волну {т. н. электронная акустическая нелинейность). В полупроводниках такой механизм нелинейности становится существенным при интенсивностях ультразвука, значительно меньших тех, при которых сказывается ангармонизм решетки, характерный для диэлектриков. Захват электронов электрическим полем волны приводит к различным эффектам в зависимости от соотношения между длиной звуковой волны и длиной свободного пробега электрона.

       Величина акустоэлектрического эффекта, так же как и значение электронного поглощения звука, зависит от частоты УЗ. Акустоэлектрический эффект максимален, когда длина волны оказывается одного порядка с радиусом дебаевского экранирования для свободных электронов. Акустоэдс существенно меняется с изменением и имеет максимум в области значений , где электронное поглощение звука также максимально. Такие зависимости наблюдаются в фотопроводящих полупроводниках, в которых значительные изменения проводимости происходят при изменении освещенности.

Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниковых кристаллах, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значительный акустоэлектрический эффект (на 5 - 6 порядков больший, чем в Ge) наблюдается в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.). За счет сильного пьезоэлектрического взаимодействия электронов проводимости с акустической волной на частотах и образцах длиной около 1 см возникает акустоэдс нескольких вольт при интенсивности звука 1 Вт/см².

Особый характер носит акустоэлектрический эффект в полупроводниках, помещенных в сильное электрическое поле E, где коэффициент электронного поглощения УЗ зависит от скорости дрейфа носителей . При сверхзвуковой скорости дрейфа () коэффициент меняет знак и вместо поглощения звуковой волны происходит ее усиление. При этом акустоэдс также меняет знак: звуковая волна уже не увлекает, а тормозит электроны проводимости. Средняя сила, действующая на электрон, направлена в сторону, противоположную направлению распространения волны, так что воздействие УЗ уменьшает электрический ток в образце - акустоэлектрический ток вычитается из тока проводимости.

В сильных электрических полях акустоэлектрический эффект имеет место даже в отсутствие внешней волны, из-за того что в полупроводнике происходит генерация и усиление фононов внутри конуса углов вокруг направления дрейфа носителей, для которых v_dcos q > v_{s ­}– акустический аналог Черенкова-Вавилова излучения. Сила, действующая на носители со стороны нарастающего фононного потока, имеет направление, противоположное дрейфу носителей. В результате происходит их эффективное торможение, приводящее к неоднородному перераспределению электрического поля в образце (образуется т. н. акустоэлектрический домен) и падению полного тока в нем. На опыте этот эффект обычно наблюдается но отклонению электрического тока через образец от его омического значения , где U - приложенное к образцу напряжение.

Из-за анизотропии акустоэлектронного взаимодействия генерация фононов может происходить преимущественно вдоль какого-либо направления , не совпадающего с направлением дрейфовой скорости электронов , поэтому акустоэлектрическая сила, действующая на носители, будет иметь составляющую n, перпендикулярную дрейфовой скорости. В этом случае наблюдается разность потенциалов в направлении, перпендикулярном приложенному электрическому полю (рис. 4, а),- возникает поперечный акустоэлектрический эффект. Кроме того, неоднородное по сечению кристалла распределение усиливаемых фононов приводит за счет акустоэлектрического эффекта к появлению в кристалле вихревого тока, а следовательно, и магнитного момента, направленного перпендикулярно как скорости дрейфа , так и направлению преимущественной генерации фононов .

Значительный акустоэлектрический эффект наблюдается при распространении поверхностной акустической волны по поверхности проводящего кристалла. На опыте акустоэлектрический эффект обычно наблюдается в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник. Переменное электрическое поле, возникающее в пьезоэлектрике за счет пьезоэффекта и сопровождающее волну, проникает в полупроводник и вызывает токи и перераспределение свободных носителей в приповерхностном слое. Поскольку движение носителей происходит как параллельно границе раздела, так и перпендикулярно к ней, то в структуре наблюдается как продольный, так и поперечный акустоэлектрический эффект. Продольный акустоэлектрический ток неоднороден по сечению полупроводника: он максимален у поверхности и убывает, осциллируя, в глубь его, что приводит к появлению вихревых токов и возникновению магнитного момента. Поперечная компонента акустоэлектрического тока обусловливает появление поперечной акустоэдс, не меняющей знака при изменении направления распространения поверхностной акустической волны на противоположное.