Fonction mémoire acoustique dans les semiconducteurs piézoélectriques. Interprétation acoustoélectrique

We present an acoustoelectric interpretation of the experiments on storage of acoustic signals in piezoelectric semiconductors. The storage action is due to the modification of the rate of occupation of the bound states of the forbidden band by a continuous but space-periodic current which gives rise to an inhomogeneous distribution of free carriers. We develop a simple model valid for an n-type semiconductor which consists essentially of a trapping level of electrons, a recombination centre and a quasi instantaneous thermalisation of the neighbouring states of the valence band. This model leads us to conclude that the experiments on storage of acoustic signals bring in two time constants, the larger of which is, without exception, proportional to the resistivity of the sample and whose measurement allows one to attain the capture cross-sections of the bound states. We show quantitatively that the time-constants of 10-1 s, observed in CdS, are compatible only with capture cross-sections equal or smaller than 10-18 cm 2.Nous présentons une interprétation acoustoélectrique des expériences de mémorisation de signaux acoustiques dans des semiconducteurs piézoélectriques. La fonction mémoire est due à la modification des taux d'occupation des états liés de la bande interdite par un courant continu dans le temps et périodique dans l'espace qui engendre une répartition inhomogène des porteurs libres. Nous développons un modèle simple valable pour un semiconducteur de type N qui fait intervenir essentiellement un niveau piège à électrons, un centre de recombinaison et une thermalisation quasi instantanée des états voisins de la bande de valence. Les conclusions essentielles auxquelles conduit ce modèle sont que les expériences de mémorisation de signaux acoustiques font intervenir 2 constantes de temps dont la plus grande est, sauf exception, proportionnelle à la résistivité de l'échantillon et dont la mesure permet d'atteindre les sections de capture des états liés. On montre quantitativement que les constantes de temps de 10-1 s observées dans le CdS ne sont compatibles qu'avec des sections de capture au plus égales à 10-18 cm2

Filtres optiques à couplage de modes polarisés

We describe the operating principles of optical filters using energie transfert between coupled orthogonally polarised electromagnetic waves. This phenomenon was previously demonstrated in Wurtzite type materials and is also shown to occur in piezo-birefringent zinc-blende crystals. This gives some evidence that the coupling does exist in many materials and manifests at the wavelength were the cancelation of the birefringence allows phase matching. This extends the spectral range of the applications from the UV, ∼ 1 000 Å, to the near infra-red. Some experimental results have exhibited band-pass and cut-band features at fixed or continuously tunable frequencies. In Wurtzite type materials, CdS, CdSxSe 1-x and Zn1-xCd xS, the natural birefringence is strongly dispersive near the isotropic point and the selectivity is very high : Δλ ∼ 5 Å at 77 K and 300 K, while the rejection ratio is in the order of 103. The effective transmission in the band pass region can be as large as 80 % at 77 K but it reduces to 20 % at room temperature due to residual absorption near the fundamental edge. With materials of the zinc-blende symmetry, such as ZnTe, the main difference is that the magnitude of the piezo-birefringence is weak and this increases the band-with Δλ to ∼ 100 Å. However, in this case, the bandwith can be varied between roughly 20 Å to 150 Å by adjusting the magnitude of the applied stress. Finally we investigate the potential of the application of a CdS cut-band filter, with a rejection ratio as large as 75 db, in Raman spectroscopy.Nous décrivons le principe de fonctionnement de filtres optiques fonctionnant par transfert d'énergie entre deux modes électromagnétiques couplés polarisés à angle droit. Nous montrons que ce phénomène existe non seulement dans des matériaux à structure Wurtzite mais aussi dans des matériaux à structure zinc-blende. Ceci démontre que le couplage n'est pas spécifique à une classe cristalline et étend le domaine potentiel d'applications de l'ultra-violet, ∼ 1 000 Å, au proche infrarouge. Les matériaux à structure Wurtzite et à forte dispersion de biréfringence tels CdS, CdSxSe1- x et Zn1-xCdxS donnent des structures passe-bande ou coupe-bande extrêmement sélectives, Δλ ∼ 5 à 10 Å avec des taux de réjection hors-bande de l'ordre de 103. La fréquence d'accord est soit fixe soit continuement accordable depuis 4 300 Å jusqu'à 7 100 Å. Le facteur de transmission en bande passante atteint 80 % à 77 K mais est réduit à 20 % à 300 K par l'absorption résiduelle au voisinage du seuil d'absorption fondamentale. Dans les matériaux à structure zinc-blende, tel ZnTe, l'amplitude de la biréfringence induite par compression est faible ce qui donne une largeur de bande de l'ordre de 100 Å. Cette largeur de bande peut toutefois être modifiée entre quelque 20 et 150 Å en ajustant la valeur de la contrainte. A titre d'illustration nous terminons cet article par l'examen des performances limites d'une structure coupe-bande à CdS, dont le taux de réjection atteint 75 db, susceptible d'être utilisée dans une application du type spectroscopie Raman

Caractérisation du piège à électrons responsable des échos acoustiques holographiques dans le CdS photoconducteur

We present results of holographic écho experiments in photoconducting CdS crystals, ρ ≃104 Ω . cm, carried out in the temperature range 180 K-350 K, with SAW pulses in the 100 MHz range and peak powers around 1 dBm. These results corroborate the idea that, in piezoelectric semiconductors with a large conduction electron density, the holographic space charge pattern is due to the local change of the electron exchange kinetics between electron-traps and the conduction band. The temperature dependence of the relaxation time of the stored interference pattern allows us to obtain the activation energy, Ec— Et ≃ 100 meV, and the capture cross-section, S ≃ 10-23 cm2, of the involved electron trap. Identical values are also found by studying the temperature variation of the photoresistance transients in the same sample. These last transients are shown to be governed by the same relaxation processes as the acoustic memory. To perform this experiment we have initiated a Deep Level Transient Spectroscopy method which does not require a depleted region, as does the usual capacitance method, and is applicable to high resistivity materials.Nous présentons les résultats d'expériences d'échos holographiques réalisées sur des monocristaux de CdS photoconducteur, ρ ≃ 104 Ω . cm, entre 180 K et 350 K. Les impulsions acoustiques utilisées sont dans la gamme des 100 MHz avec des puissances de l'ordre du dBm. Ces résultats confirment que dans ce matériau à forte concentration de porteurs l'inscription de l'hologramme est due à une modification spatialement périodique de l'état de charge d'un niveau piège par altération des cinétiques d'échange d'électrons avec la bande de conduction. L'étude des variations avec la température du temps de stockage permet d'atteindre l'énergie d'activation du piège impliqué, Ec - Et ≃ 100 meV et sa section de capture S ≃ 10-23 cm2. Ce résultat est confirmé par une étude des transitoires de photoconductivité qui relèvent du même mécanisme de relaxation. Pour ce faire, nous avons mis au point une technique de spectroscopie des niveaux profonds qui, contrairement aux méthodes capacitives, ne nécessite plus la présence d'une zone dépeuplée et est donc applicable à des matériaux massifs de forte résistivité

AMPLIFICATION DE L'ONDE DE BLEUSTEIN-GULYAEV DANS LE CdS PHOTOCONDUCTEUR

L'étude expérimentale de l'amplification acoustoélectrique de l'onde de Bleustein- Gulyaev dans le CdS photoconducteur met en évidence une variation importante du seuil d'amplification en fonction de la longueur d'onde photoexcitatrice. En vue d'expliquer ce phénomène certainement lié aux profondeurs de pénétration de l'onde mécanique et de la lumière, des expériences analogues ont été réalisées sur les mêmes échantillons en mode de Rayleigh. La comparaison des résultats semble montrer que le piégeage des porteurs est à l'origine de ce phénomène. Ces résultats ont permis la réalisation d'un amplificateur bas voltage et d'un dispositif non linéaire.Experimental study on acoustoelectric amplification of Bleustein-Gulyaev waves in photoconducting CdS shows a large variation of the amplification threshold versus photoexciting wavelength. To explain this phenomenon, probably caused by the penetration depths of the mechanical wave and of the light, analogous experiments have been carried out on the same samples with Rayleigh mode. The comparison of these results seems to show that the carrier trapping drives this phenomenon. After these results we have been able to realise a low voltage amplifier and a non linear device

ÉTUDE PAR DIFFRACTION BRILLOUIN DES DOMAINES ACOUSTOÉLECTRIQUES DANS LE SULFURE DE CADMIUM

L'amplification électroacoustique du bruit thermique dans le sulfure de cadmium semi-conducteur est responsable des phénomènes de saturation du courant liés à l'existence d'un domaine de haute résistivité. L'analyse spectrale de ce dernier par diffraction Brillouin permet de connaître les bandes de fréquence amplifiées et de déterminer les variations du coefficient d'amplification pour chacune d'entre elles. On peut en outre interpréter les changements de polarisation de la lumière diffractée ainsi que le glissement en fréquence lié à la variation de conductivité au cours de la propagation du domaine.The acoustoelectric amplification of the thermal background in semiconducting cadmium sulfide is responsible of the current saturation when a high resistivity domain occurs. The spectral analysis of this domain by Brillouin diffraction may allow us : to measure the acoustic gains for every frequency, to interprete the polarization change of the scattering light, to correlate the frequency shifting to the conductivity variations