ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Акустоэлектрический эффект Нелинейные акустоэлектронные устройства на поверхностных волнах из "Введение в физическую акустику " Выражения (5.9) и (5.10) были впервые получены в работах Хатсона и Уайта [601 и Уайта [6П (см. также обзоры [59, 62, 63]). [c.326] Несколько иной подход к изучению взаимодействия акустических волн со свободными носителями был развит Блёткьером и Куэйтом [64] (см. также [65]), которые исходили из представления о связанных волнах колебаний решетки и пространственного заряда, по аналогии с теорией электромагнитных усилителей бегущей волны. При этом были получены аналогичные результаты. [c.327] Экспериментально эффект усиления звука дрейфом носителей впервые наблюдался в кристалле СёЗ [66], в котором электроны проводимости создавались путем его подсветки ртутной лампой. Дрейфовое напряжение прикладывалось к торцевым плоскостям кристалла посредством омических контактов. При изменении напряженности ускоряющего поля от —200 В/см до 1600 В/см наблюдалось затухание и усиление звука (при 700 В/см), зави- симости которых от Ео были в полуколичественном согласии с расчетами по формуле (5.10). На частоте 45 МГц было получено максимальное усиление около 70 дБ/см (при о=1100 В/см и /й)= = 1,2). Длина образца 0(15 составляла 7 мм. В описанно.м эксперименте во избежание перегрева образца за счет рассеяния свободных электронов на колебаниях решетки (омических потерь), не учтенного в теории, дрейфовое электрическое поле подавалось в виде импульсов длительностью 5 мкс, следующих с большой скважностью, т. е. усилитель мог работать только в импульсном режиме. Другой характерной особенностью было наличие высокого уровня собственных шумов усилителя, генерирующихся вследствие асимметрии уровней усиления и затухания относительно направления распространения волны (рис. 12.15). Эти недостатки снижают ценность описанного устройства как усилителя электрических сигналов. [c.328] Одна из наиболее популярных разновидностей усилителей подобного типа, так называемая система с воздушным зазором 170], представлена на рис. 12.16. [c.329] В 5 мы пренебрегали нелинейным членом пЁ в уравнении для тока (5.6). В результате выражения для коэффициентов электронного поглощения и усиления получились не зависящими от амплитуды звуковой волны. На самом деле подобная зависимость экспериментально наблюдается, например, в ограничении коэффициента усиления при больших интенсивностях звука или в явлении насыщения. Величина дцпЁ, которую обычно называют токовой, а также концентрационной нелинейностью ), ответственна и за описание ряда других эффектов, связанных с нелинейными взаимодействиями волн, в том числе параметрических взаимодействий и акустоэлектрического эффекта. [c.330] Нелинейные теории для акустических волн в пьезополупроводниках развивались многими авторами (см., например, [77—81]). При этом удалось достичь хорошего понимания многочисленных тонких эффектов, сопутствующих процессам усиления, генерации и параметрического взаимодействия звуковых волн. Мы не имеем возможности подробно остановиться на этих интересных, но довольно сложных теориях. Ниже будут обсуждены лишь два простейших нелинейных эффекта — генерация второй гармоники [79, 80, 821 и акустоэлектрический эффект [83]. Несмотря на простоту, эти два эф кта дают представление о нелинейных явлениях в полупроводнике, по крайней мере в тех случаях, когда амплитуды звуковых полей могут считаться малыми. [c.330] Для анализа этих эффектов от системы уравнений (5.1) — (5.6) удобно перейти к системе двух уравнений относительно а и О [82]. [c.330] Детальная теория устройств описанного типа, позволяющая рассчитать константу С в зависимости от различных факторов, была развита в работах [90, 91]. [c.334] Вычисление корреляционных функций, особенно функций автокорреляции, соответствующих С(т)=Л1(т), играет важную роль в процессах оптимальной обработки сигналов (см., например, [П, 92]). При этом в роли функции Л1(т) обычно выступает принимаемый сигнал. [c.335] Простейшими устройствами, осуществляющими операцию (7.5), являются пассивные фильтры различных типов, в том числе и фильтры на ПАВ, описанные в 3 и 4. В таких фильтрах роль функции С(т) выполняет импульсная характеристика фильтра к(—т) = =Л1(т), определяемая выбранной геометрией электродов или рассеивающих неоднородностей. Преимущество конвольвера перед пассивными фильтрами заключается в том, что вследствие возможности оперативного управления видом функции С(т) за счет приложения опорного электрического сигнала он представляет собой адаптивное устройство, нужное для многих приложений. [c.335] Одним из недостатков, препятствующих использованию конвольверов в системах помехоустойчивого радиоприема, является необходимость подачи опорного сигнала одновременно с принимаемым, время прихода которого, вообще говоря, неизвестно ). В принципе эта трудность может быть преодолена за счет использования многоканального приемного устройства, каждый из каналов которого рассчитан на определенное время прихода. Но совершенно ясно, что такой вариант далеко не лучший. Более существенного прогресса здесь удается достичь, используя возможность запоминания акустических сигналов на центрах захвата электронов в полупроводнике [94, 95]. [c.336] Для пояснения принципа запоминания обратимся снова к выражению (7.1), описывающему взаимодействие двух встречных ПАВ, но будем теперь интересоваться током на разностной частоте (U1—(1)2- Электрический потенциал будет при этом определяться выражением типа (7.2), в котором, однако, скобки ((01+0)2) и ((Oi—(О2) поменяются местами. При (0i=(02=(0 это даст постоянный во времени потенциал, который будет промодулирован в пространстве с волновым числом ks=2(ulv=2k. Возникшее постоянное поле создаст на центрах захвата электрический заряд (соответствующий форме электрического сигнала), который при снятии поля, т. е. после прохождения двух ПАВ, будет рассасываться за счет диффузионных процессов. Время запоминания пространственного заряда, или длительность акустической памяти, очевидно, будет определяться временем релаксации заряда для центров захвата в полупроводнике. Типичные времена запоминания колеблются от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд при комнатных температурах [61. Этого вполне достаточно для многих приложений. Дополнительное охлаждение полупроводника позволяет увеличить память до многих часов и даже дней. [c.336] Запомненный сигнал может быть считан в виде ПАВ при подаче на центральный электрод электрического импульса на удвоенной частоте. При этом в обе стороны от центрального электрода будут распространяться две поверхностные волны удвоенной частоты. [c.336] Заметим, что если в качестве считывающих сигналов подавать короткие, дельтаобразные импульсы, то выражение (7.7) будет описывать первоначально запомненный сигнал, а (7.6) — первоначальный сигнал, обращенный во времени. Иными словами, выходные сигналы в этом случае будут представлять собой импульсные характеристики, аналогичные импульсным характеристикам соответствующих пассивных фильтров. [c.337] Конвольвер с памятью, как и любой пассивный фильтр, может обрабатывать принимаемые сигналы независимо от времени их прихода (но, разумеется, в пределах длительности памяти). К сожалению, э ективность таких устройств, использующих два последовательных акта нелинейного взаимодействия, или четырехволновые процессы, пока еще довольно мала. В лучших образцах Пдд составляет 90 дБм. При существенном повышении эффективности можно надеяться, что корреляторы с памятью найдут широкие применения в адаптивных системах помехоустойчивого радиоприема. [c.337] Разумеется, кроме использования в радиофизических системах, нелинейные акустоэлектронные устройства могут применяться и в чисто физических исследованиях свойств кристаллов, особенно полупроводников, например для измерения плотности поверхностных состояний [911 или времен релаксации поверхностного заряда на ловушках [95, 96]. В последнем случае измерение зависимости амплитуды сигнала памяти от времени задержки считывающего импульса, которая, вообще говоря, отличается от экспоненциальной, позволяет оценить энергетическую структуру поверхностных состояний полупроводника. [c.338] Вернуться к основной статье