Материаловедение

Акустоэлектрические материалы

Акустоэлектрическими материалами называются электропроводящие материалы, у которых проявляется акустоэлектрический эффект – явление, заключающееся в появлении в проводнике постоянного электрического тока в замкнутой цепи или электрического напряжения (электродвижущей силы – ЭДС) на концах разомкнутого проводника при распространении в нём бегущей ультразвуковой (УЗ) волны.

Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутрикристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что электрические поля, созданные положительными и отрицательными ионами в промежутках между атомами кристаллической решетки, являются некомпенсированными. При взаимодействии ультразвуковой волны с электронами проводимости каждый фотон, взаимодействующий с электроном, передаёт ему импульс hw/c (h – постоянная Планка, w и с – частота и скорость звука соответственно). При этом электрон получает дополнительную скорость ∆v = hw/cm в направлении распространения звука (m – масса электрона) и возникает акустоэлектрический ток, плотность которого

где е – заряд электрона;

nе – число электронов проводимости в единице объёма.

Акустоэлектрический эффект был предсказан американским физиком Р. Парментером в 1953 г. и впервые обнаружен американскими физиками Г. Вайнрайхом и X. Дж. Уайтом в 1957 г.

Экспериментально акустоэлектрический эффект наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниках, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значительный эффект имеет место в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.).

Механизм возникновения акустоэлектрического эффекта поясняется на рис. 11. Через пьезополупроводниковый кристалл с металлическими электродами, перпендикулярными направлению распространения звука, проходит ультразвуковая волна и если электрическая цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрическая разность потенциалов (акусто-ЭДС) Еаэ. Если же цепь замкнута, то протекает акустоэлектрический ток.

Рис. 11. Схема возникновения продольного акустоэлектрического эффекта: 1 – пьезополупроводниковый кристалл; 2, 3 – электроды; 4 – звукопроводы; 5, 6 – излучающий и приёмный электроакустические преобразователи

Акустоэлектрический эффект может возникать как во всем объеме звукопровода, так и в поверхностном слое – при прохождении поверхностных акустических волн (ПАВ).

Приборы на основе акустоэлектрического эффекта применяются для измерения интенсивности ультразвука в твердых телах, частотных характеристик ультразвуковых преобразователей, структуры звукового поля, а также для исследования электрических свойств полупроводников (измерения подвижности носителей, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.). Они также используются для преобразования и обработки сигналов (задержка сигналов во времени или изменение их длительности, частотные и фазовые преобразования, усиление и модуляция амплитуды, кодирование, декодирование, интегрирование и т.д.). На их основе создаются пассивные (линии задержки, фильтры) и активные (усилители, генераторы, модуляторы) элементы электронных устройств.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *