Эффект Ганна
Эффе́кт Га́нна — явление возникновения осцилляций тока (~ 109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 году на арсениде галлия, затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.
Физика явления
Эффект Ганна может возникнуть в полупроводнике, в котором в зоне Бриллюэна имеется более одного минимума энергии и нашёл объяснение в рамках теории Ридли — Уоткинса — Хилсума. На рисунке показаны основной минимум, которым определяется ширина запрещённой зоны, и побочный минимум, смещённый на конечный волновой вектор от нуля зоны, имеющий большее расстояние до потолка валентной зоны, чем основной минимум, как например в GaAs, InAs. В полупроводниках, зона проводимости которых имеет более одного минимума энергии, электрон с волновым вектором соответствующим одному из минимумов, при рассеянии может оказаться в состоянии с волновым вектором принадлежащим другому минимуму. В результате такого рассеяния будет иметь место переброс электронов из одного минимума зоны проводимости в другой. Такой вид рассеяния получил название междолинного.
Рассмотрим энергетическую структуру GaAs n-типа в направлении [100]. Возможны переходы из минимума А с состоянием в минимум Б с состоянием . Минимумы А и Б разделены энергетическим интервалом Шаблон:Nobr. Вблизи минимумов закон дисперсии можно представить в виде параболического с разной кривизной для долин А и Б. Отсюда, эффективные массы электронов в них также различны и равны и соответственно. Подвижность лёгких электронов выше, чем подвижность тяжелых электронов Плотность состояний в верхней долине примерно в 70 раз выше, чем в нижней.
При малых внешних полях электроны находятся в термодинамическом равновесии с решеткой и, поскольку при обычных температурах электроны в основном занимают энергетические состояния вблизи минимума А. Плотность тока
определяется концентрацией лёгких электронов и их подвижностью. В этом случае концентрация электронов Плотность тока будет линейно возрастать с ростом напряжённости поля до некоторого критического значения
По мере возрастания средняя энергия и скорость электронов повышается, и при становится возможным переход электронов в долину Б. Тогда суммарная концентрация электронов будет Таким образом, с ростом напряженности от до некоторого значения будет иметь место уменьшение подвижности электронов, а следовательно, уменьшение и на вольт-амперной характеристике появится падающий участок. При дальнейшем росте () все электроны перейдут в минимум Б, и снова установится линейная ВАХ.
Опыт Ганна
Рассмотрим образец длиной Шаблон:Math, к которому приложено внешнее напряжение. В однородном полупроводнике электрическое поле примерно одинаково по всей длине образца. Но если в образце имеется локальная неоднородность с повышенным сопротивлением, то напряжённость поля в этом месте образца будет выше, следовательно при увеличении напряжённости внешнего поля критическое значение возникнет в первую очередь в этом сечении. Это означает накопление в этой области (а не во всем кристалле) тяжёлых электронов и снижение их подвижности, а значит и повышение сопротивления в этой области. Образовавшаяся зона с высоким содержанием тяжёлых электронов называется электрическим доменом.
Под действием приложенного поля домен начинает перемещаться вдоль образца со скоростью Шаблон:Nobr. Слева и справа от электронного домена будут двигаться лёгкие электроны с более высокой скоростью, чем тяжёлые. Слева они будут нагонять домен и образовывать область повышенной концентрации электронов (область отрицательного заряда), а справа лёгкие электроны будут уходить вперёд, образуя область, обеднённую электронами (область положительного заряда). При неизменном напряжении установится динамическое равновесие между скоростями электронов внутри и вне домена. При достижении доменом конца образца (анода), домен разрушается, ток возрастает, происходит образование нового домена, и процесс повторяется заново.
Несмотря на то, что в кристалле может быть несколько неоднородностей, всегда существует только один домен. Так как после исчезновения электрического домена новый домен может возникнуть на другой неоднородности, для наблюдения и использования эффекта Ганна нужны очень чистые и однородные образцы.
Очевидной областью применения эффекта Ганна является изготовление микроволновых генераторов, называемых диодами Ганна. Если длина образца составляет Шаблон:Nobr, а скорость домена см/с, то частота осцилляций имеет величину порядка:
- Гц = 1 ГГц.
Диод Ганна
Шаблон:Главная Диод Ганна — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника.