Эффект Ганна

1. Эффект Ганна

        Эффект Ганна явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока j в    полупроводнике, у  которого объемная Вольтамперная характеристика имеет N-образный вид (рис. 1). Эффект был обнаружен впервые американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 в двух полупроводниках с электронной проводимостью: арсениде галлия (GaAs) и фосфиде индия (InP). Генерация происходит, когда постоянное напряжение V, приложенное к полупроводниковому образцу длиной l, таково, что электрическое поле Е в образце, равное Е = V/l, заключено в некоторых пределах Е₁ ≤ E (E ₂. E₁ и E₂ ограничивают падающий участок вольтамперной характеристики j (E), на котором дифференциальное сопротивление отрицательно. Колебания тока имеют вид серии импульсов (рис. 2). Частота их повторения обратно пропорциональна длине образца l.         

 Г. э. связан  с тем, что в образце периодически  возникает, перемещается по нему  и исчезает область сильного  электрического поля, которую называют  электрическим доменом. Домен  возникает потому, что однородное  распределение электрического поля  при отрицательном дифференциальном  сопротивлении неустойчиво. Действительно,  пусть в полупроводнике случайно  возникло неоднородное распределение  концентрации электронов в виде  дипольного слоя — в одной  области концентрация электронов  увеличилась, а в другой —  уменьшилась (рис. 3). Между этими заряженными областями возникает дополнительное поле ΔE (как между обкладками заряженного конденсатора). Если оно добавляется к внешнему полю Е и дифференциальное сопротивление образца положительно, т. е. ток растет с ростом поля E, то и ток внутри слоя больше, чем вне его (Δj > 0). Поэтому электроны из области с повышенной плотностью вытекают в большем количестве, чем втекают в неё, в результате чего возникшая неоднородность рассасывается. Если же дифференциальное сопротивление отрицательно (ток уменьшается с ростом поля), то плотность тока меньше там, где поле больше, т. е. внутри слоя. Первоначально возникшая неоднородность не рассасывается, а, напротив, нарастает. Растет и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В конце концов образуется электрический домен, распределение поля и плотности заряда в котором изображены на рис. 4. Поле вне установившегося домена меньше порогового E₁, благодаря чему новые домены не возникают.        

 Так как домен  образован носителями тока —  «свободными» электронами проводимости, то он движется в направлении  их дрейфа со скоростью v, близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен возникает не внутри образца, а у катода. Дойдя до анода, домен исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на всей остальной части образца соответственно растет. Одновременно возрастает ток в образце, т. к. увеличивается поле вне домена; по мере приближения этого поля к пороговому полюE₁ плотность тока приближается к максимальной j_maкc (рис. 1). Когда поле вне домена превышает E₁, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота ν колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: ν =v/l. В этом проявляется существенное отличие Г. э. от генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтамперной характеристикой, например в цепи с туннельным диодом (См. Туннельный диод), где генерация не связана с образованием и движением доменов и частота колебаний определяется ёмкостью и индуктивностью цепи.        

 В GaAs с электронной  проводимостью при комнатной  температуре E₁Ганна эффект3·10³ в/см, скорость доменов v≈ 10⁷ см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний ν = 0,3—2Ггц. Размер домена Ганна эффект 10—20 мкм. Г. э. наблюдался, помимо GaAs и InP, и в др. электронных полупроводниках: Ge, CdTe, ZnSe, InSb, а также в Ge с дырочной проводимостью. Г. э. пользуются для создания генераторов и усилителей диапазона сверхвысоких частот