Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в полупроводниках и металлах. Ультразвуковая волна вызывает смещение атомов кристаллической решетки, что приводит к перераспределению электронов проводимости. Направленное движение этих электронов изменяет картину деформаций и, следовательно, характер распространения акустической волны в кристалле.

В полупроводниках АЭВ определяют два основных механизма. Пьезоэлектрическое взаимодействие - основной механизм АЭВ в пьезополупроводниках (CdS, ZnO, GaAs, InSb, Те и др.). У таких полупроводников отсутствует центр симметрии, а деформация сопровождается появлением электрического поля, и наоборот - электрическое поле вызывает деформацию кристалла. Сильная анизотропия пьезоэффекта приводит к зависимости АЭВ от направления распространения и поляризации УЗ-волны. В ряде центросимметричных кристаллов - сегнетоэлектриков (SbSI, ВаTiO3 др.) - АЭВ возникает за счет эффекта электрострикции (изменение линейных размеров вещества под действием на него электрического поля) и больших внутренних электрических полей.

В металлах АЭВ возникает как результат действия на электроны и ионы решетки электромагнитного поля, вызванного движением ионов.

В кристаллах с выраженным эффектом магнитострикции (явление изменения формы и размеров тела при намагничивании) возможно АЭВ, обусловленное переменным магнитным полем, пропорциональным деформации. Оно характерно для ферромагнитных металлов (никель, кобальт) и сплавов, а также других магнитных материалов и зависит от спонтанной намагниченности и напряженности внешнего магнитного поля.

На опыте АЭВ проявляется либо как эффект увлечения носителей заряда акустической волной, либо в виде зависимости параметров акустической волны (ее скорости, коэффициента поглощения и др.) от концентрации носителей проводимости, величины внешнего электрического и магнитного полей. Кроме того, вследствие АЭВ в проводниках возникает ряд специфических механизмов нелинейности акустических волн, обусловливающих разнообразные нелинейные эффекты.

При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и электронами проводимости. Получая в процессе АЭВ энергию, электроны рассеивают ее при столкновениях с дефектами и тепловыми фононами, обусловливая электронное поглощение ультразвука в металлах. В длинноволновой области (, где k – волновое число звуковой волны, l – длина свободного пробега электронов в металле) коэффициент поглощения  при этом пропорционален времени между соударениями электронов и квадрату частоты звука:

.

В области коротких волн () коэффициент поглощения линейно увеличивается с ростом частоты.

Электронное поглощение ультразвука в полупроводниках - основной механизм поглощения в широком диапазоне температур и частот. В сильном электрическом поле поглощение звука в полупроводниках сменяется его усилением. Внешнее электрическое поле создает направленное движение (дрейф) носителей заряда вдоль направления распространения волны. С ростом напряженности  внешнего поля движение электронов сначала уменьшает коэффициент поглощения, а затем при некоторой скорости дрейфа обращает его в нуль. С дальнейшим ростом напряженности усиление растет линейно, достигает максимума, а затем начинает уменьшаться, поскольку при больших дрейфовых скоростях электроны не успевают эффективно взаимодействовать со звуковой волной (рисунок 1). Усиление ультразвука возможно, если только оно превосходит поглощение, обусловленное решеткой. На опыте наблюдалось усиление ультразвука в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, Те, GaAs, InSb и др.) в диапазоне частот 10-10⁴ МГц при температуpax от гелиевых до комнатных.

Акустоэлектроника – сравнительно новая область электроники, посвященная теории и практике создания устройств, основанных на акустоэлектронном взаимодействии и служащих для преобразования и обработки сигналов. Это могут быть преобразования временные (например, задержка сигналов или изменение их длительности), частотные и фазовые (например, преобразование частоты и спектра, фазовый сдвиг), амплитудные (усиление или модуляция), такие сложные преобразования, как кодирование и декодирование, интегрирование и др.

Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов – электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.
Для возбуждения и приема объемных волн в акустоэлектронике используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц), пленочные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приема ПАВ используются главным образом встречно-штыревые преобразователи (рис. 1, а), представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл.

В качестве звукопроводов для акустоэлектронных устройств применяются монокристаллы диэлектриков, пьезоэлектриков, полупроводников – в зависимости от назначения и характеристик устройства (кварц, сапфир, ниобат лития и др.). Для изменения направления распространения акустического пучка в УЗ-линиях задержки и др. устройствах применяются отражатели: для объемных волн – хорошо отполированные свободные плоские поверхности звуконровода, для ПАВ – решетки с периодом d из металлических или диэлектрических полосок или канавок в звукопроводе, установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне.

Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называют акустоэлектрическим эффектом. Ультразвуковая волна как бы «увлекает» за собой электроны. Ток протекает в направлении распространения звука. На рисунке 1 показан механизм возникновения так называемого продольного акустоэлектрического эффекта. Через пьезополупроводник проходит ультразвуковая волна от электрода 1 к электроду 2 и между электродами 3 и 4 создается ЭДС Еаэ. В германии, кремнии и металлах акустоэлектрический эффект незначителен, но он гораздо сильнее выражен в пъезополупроводниках, к которым относятся, например, сульфид кадмия CdS, сульфид цинка ZnS, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs и некоторые другие вещества. При интенсивности звука 1 Вт/см2 ЭДС достигает нескольких вольт на один сантиметр расстояния между электродами 3 и 4.

 

В системе "пьезоэлектрик-полупроводник" наряду с операцией свертки или корреляции осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустических сигналов; такие устройства называются устройствами акустической памяти. Запоминание акустических сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустических волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустической волны. Перераспределение заряда под действием этого поля создает объемный неоднородный заряд на примесных центрах захвата, который будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Таким образом, время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников. Использование легированного кремния позволяет запоминать акустические сигналы на время в несколько сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей на электрод сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем. Кроме того, в устройствах акустической памяти используют взаимодействие акустического сигнала частоты ω с однородным электрическим полем той же частоты. В результате этого запоминается периодическая структура с периодом, равным длине акустической волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты ω. Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляционную обработку.