Акустоэлектронные эффекты представляют собой класс физических явлений, возникающих при взаимодействии упругих волн (в первую очередь, поверхностных и объемных акустических волн) с заряженными частицами в твердых телах, особенно в полупроводниках и пьезоэлектрических материалах. Эти эффекты лежат в основе широкого круга устройств для обработки сигналов, сенсоров, генераторов и модуляторов.
Ключевым элементом в этих явлениях выступает обратная связь между акустической волной и носителями заряда. Упругая волна, распространяющаяся в пьезоэлектрике, сопровождается электрическим полем, взаимодействующим с электронами и дырками, а те, в свою очередь, воздействуют на само акустическое поле.
Акустическая волна в кристалле вызывает модуляцию плотности вещества, а значит — и модуляцию кристаллического потенциала. Это, в свою очередь, влияет на движение электронов и дырок, особенно в полупроводниковых материалах. Электроны под действием переменного потенциала, вызванного волной, приобретают направленное движение, что может приводить к возникновению тока или изменению сопротивления среды.
При этом, если материал обладает пьезоэлектрическими свойствами, то механическая деформация, сопровождающая акустическую волну, порождает электрическое поле, прямо воздействующее на носителей заряда. Это поле может как ускорять, так и замедлять их, изменяя общую проводимость и характеристики тока в структуре.
Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовывать механическую волну в электрическую и обратно. В случае распространения акустических волн по поверхности пьезоэлектрического кристалла, таких как волны Рэлея или поверхностные акустические волны (ПАВ), к ним прилагается поперечное электрическое поле. Это поле индуцируется собственной волной и может быть использовано для управления движением зарядов в прилегающем полупроводниковом слое.
Особенно важным является то, что скорость распространения акустических волн на несколько порядков ниже, чем скорость распространения электромагнитных волн, что делает их удобными для применения в фильтрации, задержке сигналов и построении компактных аналоговых элементов.
Существенное значение имеет эффект затухания акустических волн под действием электронного газа. Если акустическая волна проходит через проводящий материал, содержащий свободные носители заряда, то энергия волны может передаваться этим носителям, вызывая диссипацию. Это явление называется акустоэлектронным затуханием.
Также наблюдается противоположный эффект: при определенных условиях (например, при наличии внешнего электрического поля, направленного в сторону распространения волны), акустическая волна может усиливаться за счёт инжекции энергии от носителей заряда. Это аналогично механизму усиления волн в лампах бегущей волны.
Величина взаимодействия между акустической волной и электронным газом характеризуется коэффициентом акустоэлектронной связи, зависящим от концентрации носителей, их подвижности, частоты волны, температуры и параметров материала.
Представляют собой устройства, в которых акустическая волна используется для управления параметрами электромагнитного сигнала. Электрическое поле волны изменяет показатель преломления среды (через эффект Пака или Бриллюэна), что приводит к модуляции оптического или СВЧ-сигнала.
Основаны на усилении акустической волны при протекании через нее потока носителей заряда. Такой эффект может быть реализован, например, в структурах типа GaAs, где высокая подвижность носителей способствует эффективному переносу энергии от электрического тока к акустической волне.
Одни из наиболее распространённых применений акустоэлектронных эффектов. Поверхностные акустические волны, возбуждаемые интердигитальными преобразователями, проходят по пьезоэлектрической подложке, при этом взаимодействуют с электронными схемами. За счёт высокой добротности и миниатюрности такие фильтры используются в РЧ и СВЧ-трактах радиоустройств, включая мобильные телефоны, радары и спутниковые системы.
Особое внимание следует уделить взаимодействию акустических волн с дрейфующими носителями заряда. В условиях, когда носители движутся с постоянной скоростью (например, под действием внешнего поля), взаимодействие с акустической волной может стать анизотропным, зависящим от направления распространения волны относительно направления дрейфа.
Если скорость дрейфа приближается к фазовой скорости акустической волны, может возникнуть резонансное усиление. Это явление тесно связано с эффектом Черенкова для акустических волн — если скорость носителя превышает скорость звука в кристалле, может наблюдаться излучение акустических волн, аналогичное оптическому излучению Черенкова.
С переходом к двумерным материалам (например, графену, MoS₂) и квантовым гетероструктурам акустоэлектронные эффекты приобретают новые черты. В таких системах:
Появление акустических солитонов и локализованных мод в наносистемах также открывает перспективы для создания новых типов информационно-обрабатывающих элементов, основанных на акустике.
Теоретическое описание акустоэлектронных эффектов базируется на системной связи:
При этом в расчетах важно учитывать обратное воздействие носителей на акустическую волну, что требует учета нелинейных членов и самосогласованности полей. Для аналитического анализа часто используется метод малых возмущений, позволяющий получить выражения для коэффициентов поглощения, усиления и фазового сдвига волны.
Акустоэлектронные эффекты легли в основу огромного числа технологий, включая:
Современное направление развития — это акустоэлектроника на чипе, интегрирующая все элементы акустоэлектронной схемы на едином кристалле, с возможностью квантового управления и взаимодействия с фотонными или магнонными системами.