До сих пор мы говорили о поглощении и усилении звука электронами проводимости. Есть, однако, интересный эффект, о котором уже вкратце упоминалось, связанный с обратным влиянием звуковой волны на электроны, - звукоэлектрический эффект.
Бегущая звуковая волна увлекает за собой электроны проводимости, в результате чего, если замкнуть образец проводником, в' цепи потечет звукоэлектрический ток. Если же образец разомкнут, то на его концах возникнет разность потенциалов, а внутри его — звукоэлектрическое поле Езв. Оценить его можно из следующих соображений.
В процессе поглощения звука электронам, заключенным в единице объема, в единицу времени передается энергия ГS. Импульс, передаваемый при этом электронам, есть ГS/ω. С другой стороны, эта величина должна быть равна силе, действующей на эти электроны со стороны звукоэлектрнческого поля - en0 Езв. В итоге получается следующая оценка:
Езв = ГS/en0ω (9)
Соответственно звукоэлектрический ток равен:
jзв = σ Езв = μГS/ω (10)
Это соотношение легко понять качественно — чем больше поглощение звука, тем больший импульс передается от звука электронам н тем больше электронный ток.
Звукоэлектрический эффект в пьезополупроводниках имеет очень большую величину — при интенсивности звука 0,1 Вт/см2 звукоэлектрическое поле может достигать 15—20 В/см. Поэтому звукоэлектрический эффект может быть использован как весьма чувствительный индикатор наличия звуковых волн в кристалле и измеритель их интенсивности.
Соотношения (9) и (10) остаются справедливыми и во внешнем электрическом поле, когда в полупроводнике наряду со звукоэлектрическим током течет та«же ток проводимости. Поэтому при пороговом значении электрического поля, когда поглощение звука сменяется его усилением, изменяет знак и звукоэлектрическое поле. Такую перемену знака легко понять физически: когда дрейфовая скорость электронов превышает скорость звука, звуковая волна уже не увлекает систему электронов, а тормозит ее как целое. Изменение знака звукоэлектрического эффекта 'неоднократно наблюдалось на опыте.
А что произойдет, если направление, в котором распространяется звук в кристалле, изменить на противоположное? На первый взгляд кажется, что при этом (в отсутствие внешнего электрического поля) изменится лишь знак звукоэлектрического поля Езв. Тут можно рассуждать так: одновременно с изменением направления распространения звука повернем мысленно и сам кристалл на 180°. Повернутый кристалл совпадает с исходным, и по существу ничего не изменилось. Это)рассуждение действительно подходит для полупроводника, кристаллическая решетка которого имеет центр симметрии. Мы же видели, что кристаллические решетки пьезополупроводников не имеют центра симметрией.
Поэтому в них при изменении направления распространения звука на противоположное может изменяться не только знак, но и величина Езв. Иными словами, звукоэлектрический эффект содержит четную и нечетную.части: первая не изменяется при изменении направления распространения звука, а вторая изменяет свой знак. Четный звукоэлектрический эффект также наблюдался на опыте.
Звукоэлектрический эффект проявляется как при распространении звуковых сигналов, так и при усилении шумов. Он играет важную роль в формировании акустоэлектрических доменов, о которых говорилось выше.
Исследования звукоэлектрического эффекта ведутся весьма активно, так как с их помощью можно непосредственно изучать электронные свойства полупроводников.
Заключение
Мы рассмотрели ряд явлений, сопровождающих распространение ультразвука в полупроводниках
и металлах. Начав с простых эффектов, мы подошли к сложным проблемам, находящимся на переднем крае современной физики твердого тела. В силу ограниченности объема книги мы не смогли коснуться целого ряда интересных вопросов. Так, мы не рассматривали нелинейных акустических явлений в металлах в магнитном поле, опустили очень интересный вопрос об особенностях распространения звука в сверхпроводниках. Не обсуждался также случай очень высокочастотного и интенсивного звука, приводящего к квантованию движения электронов в поле деформаций звуковой волны. Все эти вопросы в настоящее время изучаются, и в ближайшие годы мы надеемся узнать много нового об акустических свойствах твердых тел.
Можно надеяться, что эта область физики твердого тела будет интенсивно развиваться еще в течение целого ряда лет. А это значит, что, кроме перечисленных, здесь должны возникнуть и новые проблемы, появление которых пока предугадать нельзя, но постановка и решение которых составят основное содержание этой области в ближайшем будущем.