Что значит "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 У. у. 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 Ed, 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 У. у. в обычных полупроводниках эффективно только на гиперзвуковых частотах w > 109гц (см. Гиперзвук ).

На малых частотах, когда длина свободного пробега носителей тока l много меньше длины ультразвуковой волны l, У. у. 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 У. у. 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 У. у. на опыте состоит в чрезмерном нагревании образцов в режиме усиления. Чтобы этого избежать, опыты по У. у. обычно проводят в импульсном режиме, прикладывая к образцу дрейфовое поле только на время ультразвукового импульса. В пьезополупроводниках У. у. может достигать весьма больших значений, при этом становятся существенными нелинейные явления, ограничивающие усиление. Практическое применение У. у. возможно для создания активных ультразвуковых линий задержки , усиления колебаний СВЧ (с использованием двойного акустоэлектрического преобразования), создания гиперзвуковых излучателей и приёмников. Исследование эффекта У. у. 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.