51
тельно, не зависит от механизма рассеяния носителей и слабо зависит от темп-ры.
Особый характер имеет акустич. поглощение в металлах, помещ╦нных в постоянное магн. поле. В магн. поле траектории электронов искривляются, и в достаточно сильных нолях, для к-рых циклотронная частота (uf-f≈eB/mc (В ≈ магн. индукция, с ≈ скорость света) зпачительно превосходит частоту соударений 1/т (ш/ут>1), движение приобретает периодич. характер. Траектории такого движения определяются топологией поверхности Ферми, В общем случае коэф. поглощения имеет тот же порядок, что и в отсутствие поля. Однако, когда на характерном размере траектории электрона (диаметр орбиты для замкнутых траекторий или пространств, период для открытых) укладывается целое число длин волн, поглощение сильно возрастает. В результате возникает осцилляц. зависимость коэф, поглощения от частоты или магн. поля: взаимодействие волны с электронами на замкнутых траекториях определяет геометрические осцилляции^ а на открытых траекториях ≈ магнитоакусмический резонанс. При низких темп-pax в сильных магн. полях (Аш^>А71) возникают квантовые осцилляции ≈ периодич. зависимость коэф. поглощения УЗ от величины ИВ (рнс. 1), обусловленная квантованием движения электронов в магн. поле (см. Квантовые осцилляции в магнитном поле). По своему происхождению квантовые осцилляции поглощения УЗ аналогичны Шубникоеа ≈ де Хааза эффекту. Наконец, при огс>1 возможно наблюдение акустич. циклотронного резонанса.
10
I^WHWtoM**»^^^^^
3^567 8 9
рис. 1- Гигантские квантовые осцилляции коэффициента поглощения ультразвука в цинке на частоте 220 МГц при
О
4 Гс 6
IB т; к
Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента продольных звуковых волн в свинце на частоте 50 МГц: з ≈ в сверх проводящем состоянии; 2 ≈ при разрушении сверхпроводимости магнитным полем.
Акустич. поглощение в сверхпроводниках происходит только из-за взаимодействия акустич. волны с «нормальными» электронами; сверхпроводящие электроны в поглощении звука не участвуют. Поскольку с уменьшением темп-ры число «нормальных» электронов уменьшается, то при темп-ре Г<ГС (Гс ≈ темп-pa перехода в сверхпроводящее состояние) коэф, поглощения звука падает, стремясь к нулю при TWO (рис. 2, кривая 1),
Электронное поглощение УЗ в полупроводниках ≈ осн. механизм поглощения в широком диапазоне темп-р и частот. Н(*к. механизмов АЭВ, наличие разл. типов носителей и примесных пеитров, возможность изменения концентрации и подвижности, влияние электрич. и магн. полей приводят к сложной картине акустич. поглощения в полупроводниках. В пьезополупроводниках пьезоэлектрич, механизм АЭВ преобладает над всеми другими при темп-pax вплоть до комнатных и в диапазоне частот вплоть до десятков Гц и да╦т осн. вклад в поглощение по сравнению с др. механизмами диссипации акустич. энергии. Для комнатных темп-р, когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны коэф. поглощения имеет вид
_ яга J* шт-
г
где А"8≈4л2р2/с0рг;1 ≈ коэффициент электромеханической связи.
При низких темп-pax, когда &2*>1, коэф. поглощения
╦
8
v
Д
не зависит от времени между соударениями т, а следовательно, слабо зависит от темп-ры. В обоих случаях с увеличением частоты поглощение раст╦т и коэф. а, достигает максимума, равного амакс^-^2о>/2^0, при СО=Р,/ГД (рис. 3, кривая 7), а затем убывает вследствие кулоновского экранирования. Последнее определяет и зависимость коэфф. поглощения от концентрации носителей ип: он сначала раст╦т пропорционально п└, а затем, проходя через максимум, падает как 1/п└. При всех разумных концентрациях носителей поглощение УЗ в пьезополупроводниках значительно эффективнее при А^<1, т. е. в области комнатных темп-р.
Значит, электронное поглощение, обусловленное АЭВ через деформац. потенциал, наблюдается в многодолинных полупроводниках (Ge, Si) и полуметаллах (Bi), где энергия электрона имеет неск. минимумов (долин), расположенных в разл. точках зоны Бриллюэ-на. При определ. направлении распространения волны на электроны, принадлежащие двум разным минимумам, вследствие АЭВ будут действовать силы, равные по
я 1,
0,8
0.6
0,4 0,2
е/а
макс
1,0
0,5
Рис. 3, Зависимости электрон ного коэффициента поглоще ния (I) ультразвука а? и из менения скорости звука
от величины (1>г... м
Рис. 4. Зависимость электронного коэффициента усиления ультразвука Ve от дрейфовой скорости электронов Vj.
величине, но противоположные по направлению. Тогда неоднородный объ╦мный заряд не образуется и экранирование оказывается слабым. Коэф. поглощения в этом случае монотонно раст╦т с увеличением гс0 и в кристаллах с высокой концентрацией достигает значит, величины.
В сильных магн. полях при низких темп-pax в вырожденных полупроводниках и полуметаллах наблюдаются те же резонансные осцилляц. зависимости, что и в металлах. В невырожденных полупроводниках возможно наблюдение только акустич. циклотронного резонанса.
Электронная дисперсии скорости звука наиболее значительна в пьезополупроводниках, где она достигает неск. процентов. Дисперсия носит релаксац. характер: на НЧ электроны почти полностью экранируют пьезоэлектрич. поля и скорость звука равна значении) vS9t определяемому только упругими свойствами кристалла. На больших частотах (йтд>1) влияние электронов незначительно и скорость звука равна е╦ значению в пьезодиэлектрике vs= =*>ыУ~1-)-К* (рис, 3, кривая 2),
Усиление УЗ в полупроводниках возникает, когда имеется направленное движение (дрейф) носителей заряда вдоль распространения волны. Дрейф созда╦тся внеш. электрич, полем. С ростом поля движение электронов сначала уменьшает коэф. поглощения (рис. 4), а затем при скорости дрейфа rd, равной yj, обращает его в нуль. При сверхзвуковом
Ш
О
ас л:
О
а
ш
с;
О
и
57
")
}
