Приборы с акустическим переносом заряда

1. Техническое описание

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, представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл. На основе перечисленных элементов создаются различные акустоэлектронные устройства. К линейным пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания и телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала. Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром. Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в полупроводниках и металлах. Смещение атомов решетки, вызванное УЗ-волной, приводит к изменению внутрикристаллических полей, что сказывается на распределении и характере движения электронов проводимости. В свою очередь перераспределение электронов и их направленное движение изменяют картину деформаций, а следовательно, и характер распространения акустической волны в кристалле.

При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и электронами проводимости. Передача энергии от волны к электронам приводит к дополнительному электронному поглощению УЗ, а передача импульса - к акустоэлектрическому эффекту. Когда в проводнике имеет место направленное движение электронов со сверхзвуковой скоростью, они отдают часть энергии своего направленного движения волне, в результате чего возникает усиление УЗ. Кроме того, вследствие АЭВ в проводниках возникает ряд специфических механизмов нелинейности акустических волн, обусловливающих разнообразные нелинейные эффекты.

AЭВ представляет собой взаимодействие электронов с колебаниями длинноволновой части акустического спектра (hn<<kT, где Т - температуpa, n- частота колебаний), при описании которых кристалл рассматривается как упругий континуум, а колебания решетки - как волны упругой деформации. В пределе высоких частот АЭВ эквивалентно электронно-фононному взаимодействию.

2. Физические механизмы действующие в эффекте

Поглощение лазерного излучения в твердом теле и последующая релаксация фотовозбуждения приводят к деформации кристаллической решетки, что проявляется в виде упругих волн распространяющихся из области фотовозбуждения. При этом возбуждение акустических волн в среде возможно за счет различных механизмов. Их можно разделить на два класса - линейный и квадратичный по амплитуде электромагнитного поля. Линейные по полю механизмы - пьезоэлектрический и пьезомагнитный - приводят к возбуждению звука той же частоты, что и электромагнитная волна. При этих механизмах происходит фактически в квазистационарном поле. Поэтому при воздействии лазерного излучения на вещество возбуждение звука происходит за счет квадратично-нелинейных по полю эффектов: электро- и магнитострикции, теплового эффекта и деформационного механизма. В этом случае акустические колебания возбуждаются не на частоте световой волны, а на частоте модуляции интенсивности, которая уже попадает в акустический диапазон. Фактически электрострикция может быть существенна только в прозрачных средах и на высоких ультразвуковых частотах. В области звуковых и ультразвуковых частот основным механизмом возбуждения звука является тепловой. Исключения из этого правила возможны в тех случаях, когда поглощенная световая энергия преобразуется в тепловую не сразу либо не полностью. Длительная задержка между моментом поглощения света и моментом, когда поглощенная энергия полностью преобразуется в тепловое движение среды, может реализоваться если энергии оптических квантов достаточно для отрыва валентных электронов от атомов. Это связано с тем, что рождающийся свободный электрон может длительное время не возвращаться в равновесное состояние. Отрыв электронов приводит к изменению сил взаимодействия между атомами. В случае твердых тел это должно повлечь за собой изменение плотности вещества, совершенно не связанное с его нагревом. Такой механизм оптической генерации звука называется деформационным. При использовании лазеров видимого и инфракрасного диапазонов длин волн данный механизм оптико-акустического эффекта может играть важную роль в полупроводниковых материалах. Числовые оценки показывают, что в таких полупроводниках как Ge, Si, GaAs деформационный механизм на порядок эффективнее, чем тепловой. Однако в общем случае насыщение роста концентрации фотовозбужденных носителей может приводить к существенному преобладанию теплового механизма. Уровень акустического сигнала пропорционален переменной части светового потока. Поскольку лазеры импульсного действия позволяют получать существенно более высокие интенсивности света, чем лазеры непрерывного действия является типичным возбуждение широкого акустического спектра- звуковых видеоимпульсов. В конечном итоге рассмотренные выше механизмы приводят к генерации продольных и поперечных волн. В продольной волне, или волне сжатия-разряжения смещение частиц происходит вдоль волнового вектора. Распространение такой волны сопровождается изменением расстояния между частицами среды и, как следствие, локальным изменением плотности среды. Существование поперечных волн в твердом теле обусловлено деформацией сдвига, т.е. деформацией кристалла без изменения объема. Следует отметить, что для ограниченной среды уравнения движения должны рассматриваться совместно с граничными условиями для механических и электрических величин. В частности, для свободной поверхности граничное условие заключается в отсутствии механических напряжений. Граничным условием для вектора электрической индукции является непрерывность его нормальных составляющих в отсутствии поверхностных зарядов.

Поверхностные акустические волны (ПАВ), упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ. ПАВ бывают двух типов: с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц среды расположен в плоскости, перпендикулярной к границе (вертикальная плоскость), и с горизонтальной поляризацией, у которых вектор смещения частиц среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.

Простейшим и наиболее часто встречающимся на практике ПАВ с вертикальной поляризацией являются Рэлея волны, распространяющиеся вдоль границе твердого тела с вакуумом или достаточно разряженной газовой средой. Фазовая скорость волн Рэлея c_R=0,9 c_t ;где c_t – фазовая скорость плоской поперечной волны. В простом случае изотропного твердого тела эта

Y

волна содержит продольную и поперечную компоненты, сдвинутые по фазе на p/2 и лежащие

q

uX

в плоскости, определяемой волновым вектором и нормалью к поверхности. Таким образом, в общем

X

uZ

случае рэлеевская волна является эллиптически поляризованной. Толщина слоя вещества, приводимого в движение волной Рэлея составляет

Рис.1. Система координат к вопросу о распространении рэлеевской волны.

величину порядка длины волны l.

Вдоль границы двух твердых сред, плотности и модули которых не сильно различаются, плотности и модули упругости которых не сильно различаются, может распространяться ПАВ Стоунли, состоящая как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Фазовая скорость волн Стоунли меньше с_l и c_t в обеих граничных средах.

Кроме ПАВ рэлеевского типа, существую волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява), которые могут распространятся на границе твердого полупространства с твердым слоем. Это волны поперечные. Их фазовая скорость заключена в пределах между фазовыми скоростями поперечных волн в слое и полупространстве. Волны Лява распространяются с дисперсией; при малых толщах слоя их фазовая скорость стремиться к скорости c_t в полупространстве.

На границах кристаллов могут существовать все те же типы ПАВ, что и в изотропных твердых телах. Только движение частиц в волнах усложняется. Так, на некоторых плоскостях кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Волны Лява подобно волнам Рэлея могут существовать на свободной поверхности (без твердого слоя); это т. н. электрозвуковые волны. Наряду с обычными волнами Рэлея, в некоторых образцах кристаллов вдоль свободной границы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию в глубь кристалла (псевдорэлеевская волна). Наконец, в пьезополупроводниковом кристалле возможно воздействие ПАВ с электронами проводимости, приводящее к усилению этих волн.

0

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: волны Лэмба и сдвиговые нормальные волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая перпендикулярна граням пластины. По характеру распределения смещений относительно средней плоскости пластины волны Лэмба делятся на симметричные и антисимметричные. Частный случай симметричной волны Лэмба - продольная волна в пластине, а антисимметричной - изгибная волна. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. Простейший вид такой волны - нормальная волна нулевого порядка, в которой смещения одинаковы во всех точках поперечного сечения пластины.

На поверхности полубесконечной пьезоэлектрической среды возможно распространение поперечной поверхностной волны, поляризованной параллельно поверхности, и с глубиной проникновения тем меньшей, чем сильнее пьезоэлектрические свойства среды. Это так называемые акустоэлектрические волны или волны Гуляева-Блюштейна. По сравнению с рэлеевскими волнами, глубина проникновения волны Гуляева-Блюштейна вглубь образца существенно больше и может превышать величину 100l. Для существования поверхностной акустоэлектрической волны кроме выполнения механических и электрических граничных условий должны быть выполнены условия определенного расположения элементов симметрии кристалла относительно саггитальной плоскости. Обнаружено, что с ростом жидкости скорость волны увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Величина положительного изменения скорости волны растет с уменьшением диэлектрической проницаемости жидкости varepsilon^lq и может достигать 6% для ниобата калия при varepsilon^lq=2.5. Показано, что существует критическое значение локализации волны, при превышении которого аномальный резистоакустический эффект в такой структуре исчезает.

2

1

В системе полупространство-слой чисто механическое возмущение границы приводит к образованию сдвиговой волны Лява. Волны Лява находят некоторое применение на практике в лабораторных исследованиях. В теории эти волны часто используют в качестве простейшей модели поверхностных волн, так как расчеты для волн Лява существенно проще, чем для волн Рэлея. Так же следует отметить случай, когда на поверхности имеются неровности. Приповерхностная жесткость в такой системе меньше за счет наличия канавок, что приводит к образованию сдвиговых поверхностных волн (СПВ). Скорость волны в приповерхностной области уменьшается, так как волна как бы обегает выступы, проходя при этом больший путь. В данной работе проводится исследование распространения рэлеевской волны по поверхности твердого тела, которая имеет как случайные неоднородности (шероховатая поверхность) так и искусственные дефекты представляющие из себя наноразмерную периодическую структуру.

При описании волн Рэлея , распространяющихся вдоль границы изотропного упругого полупространства смещение удобно выражать через скалярный j и векторный потенциалы:

 (1)

причем такое представление возможно при любой пространственной структуре волновых полей и соответствует разделению волны на волну сжатия (j) и волну сдвига (). Уравнения для j и  независимы и записываются в виде:

 , ,  (2)

где D-оператор Лапласа, сl и ct -скорости продольной и поперечной акустических волн соответственно. При распространении волны вдоль оси x (рис.1) и векторе смещения, лежащем в плоскости xz, векторный потенциал имеет одну компоненту , отличную от нуля. При этом смещения и даются формулами:

 , . (3)

Используя эти выражения и закон Гука для изотропного тела, можно записать отличные от нуля компоненты тензора напряжений:

,

,

, (4)

,

где и  -постоянные Ламе, причем ,

( -плотность упругого тела).

Решения уравнений (2), описывающие поверхностную акустическую волну, имеют вид:

 , (5)

,

где и - частота и волновое число волны,  и  - амплитуды двух компонент волны, и  -коэффициенты, описывающие спадание волн сжатия и сдвига в глубь поверхности.

Из условия существования ненулевых решений получается уравнение Рэлея

 . (6)

Амплитуды потенциалов и  можно представить в виде:

, (7)

u0i

u0i

.  (8)

h

	C1/
					C3
		а)
					Рис.3.

n

C2

2a

X

Характер рассеяния ПАВ на периодически расположенных системах неоднородностей определяется интерференцией волн, рассеянных на отдельных элементах системы, и, значит существенно зависит от соотношения между периодом структуры и длиной волны. В рамках борновского приближения можно считать, что падающая на структуру волна в области расположения неоднородностей не удовлетворяет граничным условиям, и в этих областях возникают напряжения, порождающие рассеянные волновые поля. Эти сторонние напряжения можно представить в виде набора гармоник с волновыми числами (- волновое число падающей волны, - волновое число периодической структуры, -период структуры, -волновое число гармоник напряжений, создаваемых на поверхности, ( ). Если одна из гармоник поверхностных напряжений имеет волновое число, равное или близкое к волновому числу одной из собственных волн системы, происходит интенсивное (резонансное) возбуждение соответствующей волны. Пусть длина волны больше удвоенного периода структуры ( >, < ). В этом случае поверхностные напряжения расположены слишком часто (или, что то же самое, волновые числа ,  и т.д. слишком велики по модулю) и не могут возбуждать волн в системе. Гармоники напряжений с волновыми числами вызывают приповерхностные колебания, амплитуда которых много меньше амплитуды ПАВ, если возмущение поверхности мало. Учет этих колебаний приводит лишь к небольшому изменению скорости волны Рэлея. При уменьшении длины волны первая пространственная гармоника поверхностных напряжений совпадает по модулю с волновым числом ПАВ, бегущей в противоположном направлении: , . При этом интенсивно генерируется отраженная волна.