Акустоэлектрический эффект

Акустоэлектри́ческий эффе́кт, возникновение электрического напряжения на концах разомкнутого проводника (акустоэдс) или появление постоянного тока в замкнутом проводнике (акустоэлектрический ток) вследствие увлечения свободных носителей заряда распространяющейся в проводнике акустической волной. Акустоэлектрический эффект предсказан американским физиком Р. Парментером (1953) и впервые обнаружен американскими физиками Г. Вайнрайхом и Г. Дж. Уайтом (1957). Акустоэлектрический эффект обусловлен передачей части импульса, переносимого волной, свободным носителям заряда вследствие акустоэлектронного взаимодействия. Знак акустоэлектрического эффекта соответствует знаку увлекаемых волной носителей заряда. Акустоэлектрический эффект – нечётный, т. к. он меняет знак при изменении направления волны на противоположное. Акустоэлектрический эффект является нелинейным: величина локальной плотности акустоэлектрического тока ${\displaystyle {j_{\text{аэ}}}}$ пропорциональна произведению линейных по деформации амплитуд волны концентрации свободных носителей заряда и волны электрического поля, сопровождающих акустическую волну. Локальная плотность акустоэлектрического тока ${\displaystyle {j_{\text{аэ}}}}$ пропорциональна коэффициенту электронного поглощения звука ${\displaystyle \alpha _{e}}$ и интенсивности акустической волны ${\displaystyle {W}}$ (соотношение Вайнрайха):

${\displaystyle {j_{\text{аэ}}=\alpha _{e}W\mu /v_{s}},}$ (1)

где ${\displaystyle {v_{s}}}$ – скорость звука, ${\displaystyle \mu }$ – подвижность носителей заряда.

Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и полупроводниковых кристаллах, имеющих центр симметрии (например, ${\displaystyle {\text{Ge}}}$ и ${\displaystyle {\text{Si}}}$), акустоэлектрический эффект невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Существенно больший акустоэлектрический эффект имеет место в пьезополупроводниках (например, ${\displaystyle {\text{CdS}}}$, ${\displaystyle {\text{CdSe}}}$, ${\displaystyle {\text{ZnO}}}$). При интенсивности звука порядка 1 Вт/см² на частотах порядка десятков МГц в образцах длиной около 1 см акустоэдс оказывается порядка нескольких вольт.

В полупроводниках, помещённых в сильное электрическое поле, коэффициент электронного поглощения звука зависит от скорости дрейфа ${\displaystyle {v_{d}}}$ свободных носителей заряда. При сверхзвуковой скорости дрейфа ${\displaystyle {(v_{d}>v_{s})}}$ коэффициент ${\displaystyle \alpha _{e}}$ меняет знак и поглощение акустических волн сменяется их усилением. Акустоэлектрический ток также меняет знак и вычитается из тока проводимости. Следствием этого является изменение наклона вольт-амперной характеристики.

Акустоэлектрический эффект имеет место и при распространении поверхностных акустических волн в полупроводниках и слоистых структурах «пьезоэлектрик – полупроводник». Сопровождающее волну переменное электрическое поле вызывает токи и перераспределение свободных носителей заряда в приповерхностном слое полупроводника. При этом движение носителей происходит как вдоль границы раздела, так и перпендикулярно к ней, вызывая в структуре как продольный, так и поперечный акустоэлектрический эффект. Поперечный акустоэлектрический эффект чётный: он не меняет знак при изменении направления распространения волны на противоположное.

Вследствие относительно слабой зависимости величины акустоэлектрического эффекта от частоты акустической волны он используется при создании широкополосных квадратичных и линейных акустоэлектрических детекторов. Акустоэлектрический эффект применяется также для измерения интенсивности акустических волн и измерения частотных характеристик электроакустических преобразователей.