Усиление ультразвука в полупроводниках (дрейф 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 усиления ультразвука проще всего понять на примере кристалла полупроводника, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, так называемого пьезополупроводника.

Наиболее распространенные материалы для обычных пьезокристаллов (например, кварц) являются диэлектриками. Однако есть и полупроводниковые материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, например сульфид кадмия и окись цинка.

Приложим к двум противоположным граням такого кристалла постоянное электрическое поле. В кристалле при этом начнется дрейф (перемещение) электронов. Если напряженность электрического поля достаточно велика (несколько сотен В/см), то скорость дрейфа электронов превысит скорость распространения звука в данном материале. Электроны, сталкиваясь с фононами, отдают им часть своей энергии, что и приводит к усилению ультразвука.

К одной из граней кристалла присоединим источник ультразвуковых колебаний высокой частоты. Для этого достаточно напылить на грань кристалла тонкий металлический электрод, затем пленку того же CdS или ZnO и второй металлический электрод, и подать на электроды высокочастотное электрическое напряжение (рис. 1). Пленка пьезоэлектрического полупроводника служит преобразователем электрических колебаний в ультразвуковую волну.

Наилучшее преобразование получается при резонансной толщине пленки преобразователя, равной половине длины ультразвуковой волны в материале пленки, поэтому, чем выше частота ультразвука (т.е. чем меньше его длина волны), тем тоньше должен быть преобразователь. Например, в CdS при частоте ультразвука 300 МГц длина ультразвуковой волны равна 0,015 мм. Следовательно, для получения ультразвука частотой 300 МГц необходима пленка CdS толщиной 0,0075 мм. Такой же преобразователь на второй грани кристалла служит для обратного преобразования ультразвука в электрические колебания.

Пройдя по кристаллу, длина которого всего несколько миллиметров, слабая ультразвуковая волна усиливается в десятки тысяч раз. Усиление так велико, что, если даже в кристалл не вводится ультразвуковая волна, на выходе все равно появляется ультразвуковой сигнал шумового характера – это усиливаются всегда существующие в кристалле крайне слабые тепловые колебания решетки.

 

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 ω, поэтому усиление ультразвука в обычных полупроводниках эффективно только на гиперзвуковых частотах ω > 10⁹ Гц.

На малых частотах, когда длина свободного пробега носителей тока l много меньше длины ультразвуковой волны λ, усиление ультразвука обусловлено объёмным зарядом, т. е. сверхзвуковым движением локального "сгустка" носителей тока одного знака, образованного самой волной; если же l/λ>>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 усиления ультразвука в пьезополупроводящих кристаллах симметрия кристалла и направление распространения упругой волны должны быть такими, чтобы упругая волна с данной поляризацией сопровождалась продольным электрическим полем, так как 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 усиления ультразвука на опыте состоит в чрезмерном нагревании образцов в режиме усиления. Чтобы этого избежать, опыты по усилению 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 усиления ультразвука возможно для создания активных ультразвуковых линий задержки, усиления колебаний СВЧ (с использованием двойного акустоэлектрического преобразования), создания гиперзвуковых излучателей и приёмников. Исследование эффекта усиления ультразвука в полупроводниках (особенно в сильном магнитном поле) позволяет оценить и измерить ряд характерных параметров и констант твёрдого тела, в частности исследовать поверхность Ферми.

Исследование распространения и поглощения ультразвука и гиперзвука в твердых телах – один из важнейших методов исследования структуры и свойств этих тел.