10. Акустоэлектрический эффект.

Акустоэлектрический эффект – возникновение постоянного тока или ЭДС в проводящей среде (металл, полупроводник) под действием бегущей ультразвуковой волны. Появление тока связано с передачей импульса ( и соответственно энергии) от когерентного потока фононов (ультразвуковой волны) электронам проводимости, что приводит к направленному движению носителей заряда (электрическому току) в направлении распространения звука.

Фонон – квант энергии звуковой волны. Квантовые свойства звуковых волн в кристалле проявляются в том, что существует наименьшая порция энергии колебаний кристалла с данной частотой.

Каждый фонон, взаимодействующий с электроном передает ему импульс ђ/С ( и С – круговая частота и скорость звука соответственно, ђ=h/2 где h - постоянная планка). При этом электрон получает дополнительную скорость _e= ђ/Сm в направлении распространения звука (m – масса электрона) и возникает электрический ток, плотность которого:

Jae = en_e_e=(en_e ђ)/(mc) (1)

где e – заряд электрона, n_e – число электронов в единице объема.

Рисунок - Схема измерений акустоэлектрического тока. 1- кристалл CdS; 2 – металлические электроды; 3 – звукопроводы; 4 – излучающие преобразователи; 5- приемные преобразователи.

Акустоэлектрический эффект используется в основном для измерения мощности ультразвукового сигнала.

Если учесть, что =_c/m - подвижность электронов ( _с - время между столкновениями), а I= ђn_фС – интенсивность звуковой волны (n_{ф –} число фононов в единице объема), то из (1) получается универсальное соотношение для акустоэлектрического тока ( соотношение Вайнрайха):

Jae=(_eI)/С

где _e – коэфф. электронного поглощения УЗ в проводящей среде.

Если электрическая цепь разомкнута, то акустическая волна на тех же электродах вызывает появление акустоэлектрической разности потенциалов, напряженность поля которой равна:

Eae= =

Рисунок - Схема измерения акустоэлектрической ЭДС.

При использовании пьезополупроводников типа CdS, CdSe величина Eae возрастает в 5-6 раз. При смене направления распространения звука акустоэдс меняет свой знак.

Рисунок - Зависимость акустоэлектрического напряжения Uae от проводимости кристалла для различных интенсивностей звука: I₁>I₂>I₃

Линейная зависимость Jae и Uae от I позволяет применять акустоэлектрический эффект для измерения интенсивности звука. (изготовление датчиков).

Рисунок - Зависимость акустоэлектрического напряжения Uae от интенсивности звука I при различных проводимостях: ₁<₂

Линейность сохраняется на начальном участке кривой.

Акустоэлектрический эффект находит применение для акустических измерений интенсивности УЗ в твердых телах, частотных характеристик УЗ-ых преобразователей, для исследования электрических свойств полупроводниковых кристаллов и т.д.