Акустоэлектрические усилители

Акустическая волна, распространяющаяся в пьезокристаллах с определенной скоростью, сопровождается деформа­цией материала.

При распространении упругой волны по кристаллу возни­кающая деформация порождает электрическое поле вслед­ствие пьезоэлектрического эффекта. Упругая волна жестко связа­на с электрическим полем, т. е. одновременно существуют и упругая и электрическая волны.

При наличии носителей тока в пьезополупроводнике возникает акустоэлектрический ток (пояснить).

Характерной особенностью акустоэлектрического тока, вы­званного ПАВ, является его зависимость от расстояния до поверхности образца (поскольку интенсивность звука уменьшается по мере удаления от по­верхности, то аналогично ведет себя и акустоэлектрический ток).

Неоднородность распределения интенсивности звука приводит к возникновению вдоль поверх­ности образца кругового тока (рис. 7, а).

Рисунок – Акустоэлектрический ток, возбуждаемый ПАВ в массивном пьезополупроводнике (а) и в слоистой системе.

Поверхностная волна подобно некоторому «ветру» ув­лекает в основном носители, находящиеся вблизи поверхности образца. Эта аналогия становится еще более наглядной, когда акустоэлектрический ток порождается в полупроводнике, прилегающем к диэлектрику с поверхностной волной (случай многослойной структуры).

Рассмотрим влияние внешнего электрического поля Е₀ такого направления, чтобы носители заряда двигались в ту же сторону, что и волна. В зависимости от величины электрического поля возможны три случая.

Рисунок – Зависимость электронного поглощения (усиления) от величины тянущего поля

1. Скорость дрейфа носителей меньше скорости звука ( ). Носители заряда отстают от упругой волны, и волна затрачивает энергию на ускорение элек­тронов. Электронное затухание возрастает.

2. Скорость дрейфа носителей равна скорости звука. В этом случае носители заряда двигаются с той же скоростью, что и упругая волна ( ), и, следовательно, относительно нее неподвижны, т. е. электронное затухание обращается в нуль.

3. Скорость дрейфа носителей больше скорости звука ( ). Теперь скорость носителей заряда больше скорости звука, они «нагоняют» волну. Таким образом, при ( ) звуковая волна усиливается за счет энергии, передаваемой ей носите­лями, ускоренными внешним полем E₀.

Т.о. используя эти явления можно создавать усилители.

Если изменить направление внешнего поля, т. е. заста­вить носители дрейфовать навстречу упругой волне, то при любом значении поля звук затухает.

Поверхностная волна усиливается аналогично объемной волне. Электрическое поле, возбуждаемое поверхностной акустической волной, существует не только в объеме пьезоэлектрика, но и вне его. Если вблизи такой поверхности расположить полупроводник, то пьезоэлектрическое поле звуковой волны будет проникать в него. Период и скорость поля определяется длиной волны и скоростью ПАВ. Если к полупроводнику приложить тянущее поле и ускорить его носители до скорости ( ), то будет наблюдаться усиление звука. В слоистой системе усиление достигается как при наличии воздушного зазора между средами, так и при акустическом контакте между ними.

Усилители ПАВ можно классифицировать следующим образом.

Рисунок - Структуры усилителей ПАВ

Монолитные усилители (рис. а) — распространение акустической волны и дрейф носителей происходят в одном материале (пьезополупроводнике). Монолитный усилитель пол­ностью подобен усилителю объемных волн. Многослойные усилители (рис. б—г) — дрейф носителей происходит в од­ном материале (слое), а ПАВ возбуждается в другом материа­ле (подложке), примыкающем к первому. В зависимости от толщины используемого слоя полупроводника различают пле­ночные (рис. в, г) и массивные (рис. б) многослойные усилители, каждый из которых можно выполнить как с меха­нической (акустической) связью (рис. г), так и без нее (уси­литель с воздушным зазором, рис. б, в).