Эффект Ганна

После исчезновения домена новый может возникнуть на другой неоднородности. Различное расположение неоднородностей в кристалле определяет различные пролетные времена доменов, есть разный период колебаний. Поэтому для наблюдения эффекта Анна необходимые чистые и очень однородные образцы. В пластиночных образцах домены зарождаются в области повышенного поля вблизи катода, обусловленной неоднородностью уровня легирования, возникающий в процессе изготовления электродов. Важно также, чтобы расстояние между минимумами А и Б зоны проводимости не было достаточно велико, так как для перехода электрона во вторую долину потребуется поле большой напряженности, при котором возможно увеличение концентрации электронов за счет ударной ионизации или туннельного эффекта.

 

 

2  ДИОД ГАННА

 

Диод Ганна  представляет собой полупроводниковый  кристалл без р-n-перехода (рис.7), в котором создано сильное постоянное электрическое поле. Для включения диод имеет два электрода: анод и катод. Должен применяться полупроводник с двумя зонами проводимости, например арсенид галлия. Исследование подобных полупроводников показало, что в этих двух зонах проводимости электроны имеют разную подвижность. В зоне, расположенной выше, т.е. соответствующей более высоким уровням энергии, подвижность электронов меньше.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 –  Диоды Ганна.

 

При отсутствии внешнего поля или при сравнительно слабом поле электроны находятся  в нижней зоне проводимости, они  имеют более высокую подвижность, и поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость. Если увеличивать напряжение, приложенное к полупроводника, то сначала ток возрастает согласно закону Ома, но при некотором напряжении, когда напряженность поля становится достаточно высокой, большая часть электронов переходит в верхнюю зону проводимости и вследствие уменьшения их подвижности в этой зоне сопротивление полупроводника резко увеличивается. Ток уменьшается, и на вольт-амперной характеристике возникает падающий участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивления (рис.8). Дальнейшее увеличение приложенного напряжения снова вызывает примерно пропорциональный рост тока.

 

 

Рисунок 8 –  вольтамперная характеристика диода  Ганна.

 

Вследствие  неизбежных неоднородностей в материале  полупроводника сопротивление под  действием сильного поля повышается в данный момент времени не во всем полупроводнике, а лишь в каком-то одном месте. Область такого повышенного  сопротивления и более сильного поля называют доменом (рис.9).

 

 

Рисунок 9 –  Домен в диоде Ганна.

 

Домен обычно образуется у катода (минус) и не остается на одном месте, а движется с большой скоростью к аноду (плюс). В самом домене скорость электронов меньше, чем на других участках и плотность объемного заряда увеличена, то есть домен представляет собой своеобразный сгусток. В нем сосредоточено более сильное поле, а в другой части полупроводника поле более слабое и скорость электронов выше. Поэтому справа от домена электроны быстрее идут к аноду и возникает область, обедненная электронами. А слева от домена, наоборот, к нему быстрее приходят новые электроны. Этот процесс обусловливает перемещение домена от катода к аноду

Дойдя до анода, домен исчезает, но новый домен  снова возникает у катода, движется к аноду и т.д. Исчезновение доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна, в результате чего появляются колебания тока диода, частота которых при малой длине пути домена (расстояние анод - катод) оказывается в диапазоне СВЧ.

Частота этих колебаний:

 

f = v_дом / L,     (10) 

 

где v_дом – скорость домена, которая составляет для арсенида галлия примерно 10⁷см/с, L - длина полупроводника (обычно единицы микрометров для диодов Ганна).

 

Отсюда видно, что, например, при L = 10мкм частота колебаний

f =10⁷/10^-3 = 10¹⁰ Гц = 10 ГГц.

Важная  особенность диодов Ганна в том, что в отличие от других «работает» весь полупроводник, а не только малая часть его – р-n-переход. Поэтому в диодах Ганна можно допустить большие мощности. В настоящее время эти диоды уже генерируют в непрерывном режиме колебания мощностью, достигающей десятков ватт, а в импульсном режиме - единиц киловатт, при КПД от единиц до десятков процентов. По теоретическим расчетам предполагается, что можно создать диоды Ганна на мощности до сотен киловатт в импульсном режиме при частотах в десятки гигагерц.

 

ВЫВОД

 

В данной работе были рассмотрены, как теоретическая  и так практическая стороны эффекта Ганна. Выяснены причины возникновения участке отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике в диодах Ганна. Подробно рассмотрен процесс возникновения, движение и исчезновение электрической домена, его характеристики. Рассмотрено движение электронов, с одного минимума в другой, при различных значениях приложения поля, - при меньших и больших критического. Определены основные характеристики и особенности диодов Ганна.

В работе главным  образом делался упор на книги  Епифанова Г.И и Шалимовой К.В. как наиболее доступные для понимания, и между тем дающие наиболее полную информацию по исследуемому материалу

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Епифанов Г.И., Мома Ю.О. Твердотельная электроника. – Москва:

Высшая школа, 1986..

2. Шалимова К.В. Физика твердого тела. – Москва: Энергия, 1976.
3. Гуртов В.А., Артамонов А.Н., Ветров А.С. – Твердотельная электро-

ника. – Санкт-Петербург: Издательстельство ПетрГУ, 2000.

4. Жеребцов И.П., Основы электроники. – Ленинград: Энергоатомиздат,   1990.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ  А

Схематическое изображение структуры зон арсенида галлия n-типа в направлении оси <100>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- нижний минимум (А);

2- верхний минимум (Б);

3- зона проводимости

4- валентная зона.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б

N-образная вольтамперная характеристика однородного полупроводника, возникающая под действием сильного поля

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  В

Распределение электрического поля и плотности  электронов вдоль образца в случае стабильного домена сильного поля, движущегося со скоростью v_д

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  Г

Перемещение доменов и возникновение колебаний  тока