Акустические свойства полупроводников

Страница: 7/11

В пьезоэлектрических полупроводниках обычно го­раздо важнее другие нелинейные взаимодействия, свя­занные с электронами проводимости. Таких взаимодей­ствий можно указать несколько. Известно, что если приложить к полупроводнику электрическое поле, то потечет ток, плотность которого этому полю пропорциональна. Так дело обстоит, ес­ли поле не очень велико. Но для сильных полей про­порциональность нарушается. В таких случаях гово­рят, что наблюдаются отклонения от закона Ома. Поле, в котором начинают проявляться эти отклонения, зави­сит от температуры, и при низких температурах роль отклонений от закона Ома особенно важна. Однако при комнатной температуре они обычно несущественны. Нас же будет интересовать именно эта область темпе­ратур, поскольку при комнатных температурах выпол­нено наибольшее число экспериментов. Поэтому меха­низма нелинейности, связанного с отклонениями от за­кона Ома, мы рассматривать не будем.

Существует специфическое нелинейное взаимодействие в полупроводниках с примесными центрами, которые могут захватывать электроны проводимости, играя для них роль своеобразных «ловушек». Оно свя­зано с тем, что в таких полупроводниках отношение концентраций свободных электронов и захваченных в ловушки само зависит от полной электронной концент­рации.

Наконец, возможна так называемая концентраци­онная нелинейность. В ряде интересных случаев глав­ная роль принадлежит именно ей, поэтому о ней имеет смысл рассказать подробнее.

Мы уже говорили, что пьезоэлектрический потенци­ал, создаваемый звуковой волной, вызывает простран­ственное перераспределение электронного заряда, так что локальная электронная концентрация n отличает­ся от средней концентрации n0. Вследствие этого и электропроводность в данной точке σ = enμ отличается от средней электропроводности σ = en0μ Поскольку n` = n - n0 зависит от амплитуды переменного электри­ческого поля, то возникает нелинейная связь между плотностью переменного тока проводимости j = σE и напряженностью переменного электрического поля Е.

Обсудим качественно, к каким эффектам приводит такая нелинейная связь. Предположим сначала, что интенсивность звука, который мы возбуждаем, доста­точно мала (смысл слов «достаточно мала» мы выяс­ним немного позже). Звуковая волна частоты ω распро­страняется от поверхности в глубь кристалла, затухая или усиливаясь, в зависимости от величины приложен­ного постоянного электрического поля. Переменное пьезоэлектрическое поле, сопровождающее волну, вы­зывает пространственное перераспределение электро­нов. Таким образом, в выражении для плотности тока появляются нелинейные члены. Они содержат вторую и нулевую гармоники. Последняя, т. е. постоянное сла­гаемое, представляет собой не что иное, как уже зна­комый нам звукоэлектрический ток.

Что же касается второй гармоники в токе, то она порождает вторую гармонику в электронной концент­рации и, следовательно, в электрическом поле. Послед­нее же благодаря электромеханической связи играет роль вынужденной силы, которая создает вторую гармонику в упругом смещении.

Каково отношение амплитуд второй и основной гар­моник? Эго отношение можно считать мерой нелинейности. Его легко оценить для случаев, когда картина распределения электронов в поле волны мало отли­чается от статической. Тогда относительное изменение концентрации в поле волны (n - n0)/n0 должно быть по­рядка eφ/kT. Ведь именно таково отношение глубины «потенциальных ям», созданных звуковой волной, к характерной энергии электрона. Соответственно вынуж­дающая сила будет ~ χeφ/kT по сравнению с силой, имеющей частоту основной гармоники. Однако важна не только величина силы, но и то, насколько она .попадает «в резонанс» с собственными волнами систе­мы. А именно амплитуда гармоники определяется отно­шением амплитуды вынуждающей силы χeφ/kT к раз­ности 1/ ω – 1/ ω2, которая тоже порядка χ (ω2 – скорость свободной звуковой волны с частотой 2ω). Аналогичная ситуация возникает при раскачке маятника внешней си­лой—амплитуда колебаний пропорциональна не про­сто амплитуде вынуждающей силы, а отношению силы к расстройке относительно частоты собственных коле­баний. В результате

Реферат опубликован: 31/12/2008