УСИЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ И СВЯЗАННЫЕ С ЭТИМ ЯВЛЕНИЯ

Уже в первых опытах по усилению звуковых сигналов наблюдалось также усиление звуковых шу­мов, т. е. тепловых звуковых флуктуаций, всегда суще­ствующих в кристалле.: В ходе эксперимента было видно, как их интенсивность нарастает и в конце концов 'начинает препятствовать усилению полезного сигна­ла. Таким образом, вначале шумы возникли как пара­зитный эффект, с которым надо было бороться. Впо­следствии, однако, оказалось, что их изучение представ­ляет самостоятельный физический интерес, и нема­лый. А сейчас, пожалуй, этому вопросу посвящено боль­шее число работ, чем любой другой проблеме, связан­ной с усилением звука в полупроводниках.

Проблема усиления шумов в пьезополупроводниках очень сложна и к настоящему времени полностью не решена. Поэтому здесь мы обсудим лишь главные особенности усиления шума и основные возникающие вопросы.

Как происходит усиление шума? Мы видели, что вследствие анизотропии пьезоэлектрического взаимо­действия и скорости звука коэффициент усиления зву­ка зависит от направления его распространения. Обыч­но (хотя и не всегда) опыт ставят так, что усиление максимально, когда звук распространяется в направле­нии дрейфа электронов (звук, распространяющийся под углом, усиливается меньше). Только такую геометрию мы здесь и будем обсуждать.

Мы видели, что коэффициент усиления звука имеет максимум на частоте ω₀, которая пропорциональна √ n₀

Интенсивность шумов растет по мере удаления от края кристалла. Быстрее всего нарастает интенсивность тех звуковых волн, которые распространяются вдоль направления дрейфа и имеют частоту о),„. Поэтому по мере удаления от края кристалла и угловое и частот­ное распределения интенсивности шумов обостряются..Спектр акустических шумов в разных точках кристалла схематически изображен на рис. 12.

Таким образом, шумы усиливаются в очень узком угловом и частотном интервале. Однако в этом интерва­ле общее усиление чрезвычайно велико. Так в одном из опытов оно на длине кристалла составляло 10⁸.

В процессе усиления интенсивность шумов возрас­тает настолько, что их уже нельзя считать независимы. ми. Возникает состояние, до некоторой степени напо­минающее гидродинамическую турбулентность, В этом состоянии движение имеет беспорядочный, хаотический характер, и большую роль играет взаимодействие от­дельных шумовых компонент.

Что же происходит в таком состоянии? По какому закону растет интенсивность шумов в пространстве. Да и растет ли она? Каков спектральный состав шу'. мо.в? Есть ли максимум вблизи одной частоты, а если есть, то вблизи какой? И как формируется это состоя­ние, какие взаимодействия играют в нем главную роль?

На большинство этих вопросов сейчас не существует однозначного ответа. Но кое-что все-таки уже известно, и мы об этом сейчас расскажем.

Оказалось, что определяющую роль в формировании акустического турбулентного состояния, как пра­вило, играют коллективные движения электронов полу. проводника. Что же это такое? Хорошо известен один тип таких коллективных движений — плазменные коле­бания. Это колебания электронной плотности, период которых намного меньше времени свободного пробега электронов проводимости. Между тем со звуковыми шумами могут взаимодействовать только медленные дви­жения с характерным временем, сравнимым с период дом звука (т. е. значительно превышающим время сво­бодного пробега электронов проводимости). Какие это движения?

Представим себе, что в некоторой области полупроводника возник сгусток электронов (электронная кон­центрация немного превышает среднюю). Этот сгусток будет рассасываться как из-за диффузии электронов так и из-за расталкивания кулоновскими силами. Таким образом, это не колебательное, а периодическое, чисто релаксационное движение. И в полупроводнике возможны процессы, при которых сливаются две аку­стические волны л возникает не третья волна, а такое быстрозатухающее движение.

Важно, что процессы с участием движений элект­ронной плотности происходят, вообще говоря, чаще других возможных процессов, т. е. именно они преоб­ладают в условиях акустической турбулентности. В ре­зультате таких процессов образуется своеобразный «фон» движений электронной концентрации, рождающихся при слиянии усиленных шумовых компонент и ^быстро затухающих. Эти движения изменяют макроскопические (средние) свойства среды и, в частности, коэффициент усиления шумов — возникает добавка к ко­эффициенту усиления, пропорциональная интенсив­ности шума. В результате усиление шума становится нелинейным.

Характеристики турбулентного состояния опреде­ляются, естественно, свойствами нелинейного коэффици­ента усиления. Расчеты показывают, что нелинейный.коэффициент усиления имеет максимум на более низ­кой частоте, чем линейный. В результате спектр шумов в процессе усиления смещается в область более низких частот — взаимодействие шумов через посредство дви­жений электронной концентрации приводит к «пере­качке» энергии в эту область. Такая перекачка неодно­кратно наблюдалась на опыте.

Возникает очень интересный вопрос: а возможна ли ситуация, в которой спектр шумов сужается в процессе усиления? Нельзя ли таким образом получить из уси­ленного шума когерентный акустический сигнал?

Согласно теории такой режим усиления в прин­ципе возможен, однако при таких условиях, которые на опыте реализовать совсем не просто. Может быть, по этой причине он до сих пор не наблюдался.

Расскажем еще об одном своеобразном проявле­нии турбулентного состояния. В этом состоянии неред­ко наблюдаются так называемые акустоэлектрические домены. Это — сгустки акустических шумов (ограни­ченные в пространстве волновые пакеты), периодически пробегающие по кристаллу. Поскольку такие домены «захватывают» электроны проводимости, при этом наб­людаются осцилляции тока в цепи, в которую включен

образец. Таким образом, полупроводник работает как' генератор периодических электрических импульсов.

В целом задача об усилении шумов далеко не про­ста. К настоящему времени удалось построить лишь теорию так называемой слабой турбулентности, когда интенсивность выросших шумов еще достаточно мала. Уже эта теория имеет весьма сложный вид.

С другой стороны, достигнуты серьезные успехи в экспериментальном изучении акустической турбулент­ности в полупроводниках. В последние годы появилась экспериментальная техника, очень удобная для иссле­дования поведения шумов. Это — изучение рассеяния света на усиленных акустических шумах. С помощью этой техники удается изучать распределение волн как по направлениям распространения, так и по частотам в любой точке кристалла. Таким образом, можно полу­чить весьма детальные сведения о нарастании акусти­ческих шумов. В связи с этим и в нашей стране и за рубежом сейчас ведется очень много работ по изуче­нию поведения звуковых шумов в полупроводниках.

.Состояние, о котором мы сейчас рассказали, является во многих отношениях уникальным, а с теоретиче­ской точки зрения — далеко не полностью понятым. Поэтому нам кажется, что дальнейшее его изучение может оказаться исключительно благодарным делом, потому что именно здесь в будущем можно ожидать наиболее интересные находки и открытия.