)
.
Вследствие пьезоэффекта проходящая по кристаллу упругая волна сопровождается электрическим полем, которое взаимодействует с носителями тока в полупроводнике –
электронами
и
дырками
.
Это приводит к их перераспределению в пространстве и образованию области с повышенной концентрацией носителей – пространственного объёмного заряда. Если при этом к образцу приложено электрическое поле
E>d
,
создающее дрейф объёмного заряда со скоростью большей, чем фазовая скорость упругой волны
с
, то носители тока, обгоняя волну, будут отдавать ей энергию, в результате чего произойдёт усиление ультразвуковой волны. Аналогичный процесс происходит в лампе бегущей волны. В полупроводниках, не обладающих пьезоэффектом, взаимодействие упругой волны с носителями тока осуществляется через деформационный потенциал, т. е. непосредственно через взаимодействие электронов с
фононами
,
которое характеризует изменение энергии электрона в зоне проводимости под действием упругой деформации решётки. Сила, действующая на электрон со стороны деформированной решётки, пропорциональна квадрату частоты волны w, поэтому У. у. в обычных полупроводниках эффективно только на гиперзвуковых частотах w > 10
>9гц
(см.
Гиперзвук
)
.
На малых частотах, когда длина свободного пробега носителей тока l
много меньше длины ультразвуковой волны l,
У. у. обусловлено объёмным зарядом, т. е. сверхзвуковым движением локального «сгустка» носителей тока одного знака, образованного самой волной; если же l/
l>>1 – электроны (или дырки) почти свободны, образование объёмного заряда не происходит и усиление обусловлено когерентным излучением фононов отдельными носителями тока (подобно пучковой неустойчивости в газоразрядной плазме
).
Для У. у. в пьезополупроводящих кристаллах симметрия кристалла и направление распространения упругой волны должны быть такими, чтобы упругая волна с данной поляризацией сопровождалась продольным электрическим полем, т.к. взаимодействие носителей тока в полупроводнике наиболее эффективно с продольной компонентой вектора электрического поля волны. Усиление как продольных, так и поперечных волн может осуществляться в пьезополупроводящих кристаллах CdS, CdTe, Zn0, GaAs, CdSe.
Основная трудность использования У. у. на опыте состоит в чрезмерном нагревании образцов в режиме усиления. Чтобы этого избежать, опыты по У. у. обычно проводят в импульсном режиме, прикладывая к образцу дрейфовое поле только на время ультразвукового импульса. В пьезополупроводниках У. у. может достигать весьма больших значений, при этом становятся существенными нелинейные явления, ограничивающие усиление. Практическое применение У. у. возможно для создания активных ультразвуковых
