Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram


Эффект Ганна

<== предыдущая статья | следующая статья ==>

 

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 году в двух полупроводниках с электронной проводимостью: арсениде галлия (GaAs) и фосфиде индия (InP).

Генерация происходит тогда, 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 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.

Эффект Ганна 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.

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 (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 (Dj > 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 полю E1 плотность тока приближается к максимальной jmaкc (рис. 1). Когда поле вне домена превышает E1, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота n колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: n = v/l. В этом проявляется существенное отличие эффекта Ганна 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 и частота колебаний определяется ёмкостью и индуктивностью цепи.

В GaAs с электронной проводимостью при комнатной температуре E1~в/см, скорость доменов v " см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний n = 0,3—2 Ггц. Размер домена ~ 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.

Рис. 1. N-oбразная вольтамперная характеристика, Е — электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов V, j — плотность тока.

Рис. 2. Форма колебаний тока в случае эффекта Ганна.

Рис. 3. Развитие электрического домена. Электроны движутся слева направо, против поля Е.

Рис. 4. Распределение электрического поля Е (сплошная кривая) и объёмного заряда r (пунктир) в электрическом домене.

Внешнее проявление эффекта состоит в генерации периодических колебаний тока в некоторых кристаллах (арсенид галлия, фосфид индия и др.) при превышении напряженность электрического поля в кристалле некоторого критического значения. Период возникающих колебаний определяется временем пролета электронов от катода к аноду. Эффект был открыт Дж. Ганном. В 1965г. появились первые генераторы на основе диода Ганна.

Эффект Ганна – это объемный эффект, генерация колебаний тока происходит по всему объему кристалла, а не в узкой области p-п перехода. Поэтому возможно достижение весьма больших мощностей СВЧ - колебаний при довольно миниатюрных размерах СВЧ - генераторов (рабочие частоты генераторов Ганна ). Сейчас созданы генераторы Ганна, обеспечивающие мощность до нескольких киловатт в импульсном режиме и нескольких ватт в непрерывном режиме.

Физические механизм эффекта Ганна может быть объяснен на основе зонной теории твердого тела. Величина критической напряженности электрического поля зависит от магнитного поля; в некоторых случаях изменение величины эффекта или полное прекращение генерации СВЧ - колебаний может быть вызвано собственным магнитным полем тока, протекающим через прибор.

На основе этого эффекта разработан ряд весьма полезных приборов. Это paзличного рода генераторы и усилители СВЧ излучений, стабилизаторы тока, быстродействующие логические схемы. Был разработан, например, объемный нейристор-прибор, моделирующей поведение нервного волокна.

Основное применение приборов Ганна - системы массовой видеотелефонной и телефонной связи, а также блоки ЭВМ.

 

<== предыдущая статья | следующая статья ==>





 

Читайте также:

Пьезокварцевые иммуносенсоры

Сборка молекул из отдельных деталей

Инкапсулированные рецепторы иннервируются

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике

Обработка информации в переключательных ядрах и проводящих путях сенсорной системы. Латеральное торможение.

Эффект плазмон-экситонного взаимодействия

Компрессоры импульсов

Примеры устройств на основе МЭМС прмышленного исполнения

Наноэлектроника

Литература

Физические основы электронной микроскопии Электронный микроскоп

Зрительные ощущения

Вернуться в оглавление: Физические явления

Просмотров: 1973

 
 

© studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам. Ваш ip: 54.158.109.89