ганна эффект

ГАННА ЭФФЕКТ - генерация высокочастотных колебаний электрич. тока в полупроводниках с N-образной объёмной вольтамперной характеристикой (рис. 1).

Рис. 1. N-образная вольтамперная характеристика j(E). Пунктиром изображена ветвь, к-рая не наблюдается в типичных полупроводниках, где возникает эффект Ганна.

Обнаружен в 1963 Дж. Б. Ганном (J. В. Gunn) в GaAs и InP с электронной проводимостью. Генерация возникает, если пост. напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что ср. электрич. поле в образце E=U/I соответствует падающему участку вольтамперной характеристики (зависимости плотности тока j от напряжённости электрич. поля E), на к-ром дифференц. сопротивление dE/dj отрицательно (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление ).Колебания тока имеют вид периодич. последовательности импульсов (рис. 2), их частота увеличивается с уменьшением l (в достаточно длинных образцах как l^-1, см. ниже).

Г. э. наблюдается гл. обр. в т. н. многодолинных полупроводниках, зона проводимости к-рых состоит из одной ниж. долины и одной или неск. верх. долин. Подвижность электронов в верх. долинах значительно меньше, чем в ниж. долине. В сильных электрич. полях происходит разогрев электронов (см. Горячие электроны)и часть электронов переходит из ниж. долины в верхние, вследствие чего ср. подвижность носителей заряда и электропроводность падают. Это приводит к падению плотности тока с ростом E в полях, превышающих нек-рое критич. поле Е_кр.

Г. э. вызван тем, что в образце в режиме пост. напряжения периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрич. поля, наз. электрич. доменом или доменом Ганна. Домен возникает потому, что однородное распределение электрич. поля вдоль образца неустойчиво в том случае, когда объёмное дифференц. сопротивление отрицательно. Действительно, пусть в полупроводнике случайно возникло неоднородное распределение концентрации электронов в виде дипольного слоя: в одной области концентрация увеличилась, а в другой - ниже по течению электронов - уменьшилась (рис. 3). Между этими заряженными областями возникает дополнит. электрич. поле (как между обкладками конденсатора), к-рое добавляется к внешнему, так что поле внутри дипольного слоя больше, чем вне его. Если дифференц. сопротивление положительно, т. е. ток растёт с ростом поля, то и ток внутри слоя больше, чем вне его. Поэтому, напр., из области с повышенной плотностью электронов они вытекают в большем кол-ве, чем втекают, в результате чего возникшая случайно неоднородность рассасывается. Если же дифференц. сопротивление отрицательное (ток падает с ростом поля), то плотность тока меньше там, где поле больше, т. е. внутри слоя. Первоначально возникшая неоднородность не рассасывается, а, напротив, нарастает. Растёт и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В конце концов образуется стационарный электрич. домен, движущийся с пост. скоростью. T. к. домен образован электронами проводимости, он движется в направлении их дрейфа со скоростью , близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. На переднем фронте домена - обеднённый (электронами) слой, на заднем - обогащённый слой (рис. 4). Вне домена электрич. поле меньше критич. поля , благодаря чему новые домены не образуются. Устойчивое состояние образца - состояние с одним доменом.

Рис. 2. Форма колебаний тока j (t) в случае эффекта Ганна.

Рис. 3. Разделение зарядов при развитии неустойчивости и образовании домена. Электроны движутся против поля Е.

Рис. 4. Распределение электрического поля E (сплошная кривая) и плотности заряда (пунктир) в домене Ганна, движущемся слева направо в полупроводнике р-типа.

Обычно домен возникает вблизи катода и, дойдя до анода, исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на остальной части образца соответственно растёт. Вместе с увеличением поля вне домена растёт и ток в образце. По мере приближения этого поля к Е_кр плотность тока j приближается к j_кр (рис. 1). Когда поле вне домена становится больше Е_кр, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота колебаний тока в длинных образцах, когда временем формирования домена можно пренебречь, , в отличие от генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтамперной характеристикой, например в цепи с туннельным диодом, где генерация не связана с образованием и движением доменов, а частота колебаний определяется ёмкостью и индуктивностью цепи (см. Генератор электромагнитных колебаний).

Характерное время нарастания возмущений, приводящих к образованию домена, равно т. н. максвелловскому времени , где - диэлектрич. проницаемость кристалла, дифференциальная проводимость , п - концентрация носителей заряда, дифференц. подвижность носителей , е - заряд электрона. В коротком образце стационарный домен может вообще не сформироваться. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, росту домена препятствует диффузия электронов: домен образуется, если , где D - коэф. диффузии электронов. Во-вторых, домен при нарастании "сносится" в направлении потока осн. носителей заряда. Поэтому стационарный домен успеет сформироваться, если . Это условие обычно жёстче предыдущего. Его можно переписать в виде т. н. критерия Крёмера: . T. о., движение стационарных доменов может наблюдаться в достаточно длинных образцах с достаточно высокой концентрацией носителей заряда. В более коротких образцах, длина которых меньше размера домена, тоже возникают колебания тока, вызываемые колебаниями плотности объёмного заряда, которые можно рассматривать как движение неполностью сформировавшихся доменов Ганна.

В GaAs n-типа поле Е_кр~3*10³ В/см, скорость v~10⁷ см/с, размер домена неск. мкм, поле в нём 40-200 кВ/см, наименьшая величина произведения nl (она соответствует макс. величине при нек-ром поле E>E_кр)равна ~3*10¹¹ см^-2. При I=1 мм - 5 мкм частота колебаний тока f=0,1-20 ГГц.

Г. э. наблюдается помимо GaAs и InP также в др. полупроводниках с электронной проводимостью: InSb, CdTe, Ge, In_xGa_1-xAs, GaSb_xAs_1-x, Ga_xIn_1-xSb, GaAs_xP₁__х и др., а также в одноосно-деформированном Ge с дырочной проводимостью. Г. э. используется для создания генераторов и усилителей СВЧ (см. Ганна диод).

Лит.: Ганн Дж., Эффект Ганна, [пер. с англ.], "УФН", 1966, т. 89, с. 147; Волков А.Ф., Коган Ш. M., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, там же, 1968, т. 96, с. 633; Левинштейн М. E., Пожелаю. К., Шур M. С., Эффект Ганна, M., 1975. А. Ф. Волков, Ш. M. Коган.

   <<      Предметный указатель      >>