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 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.

Физические основы электронной микроскопии Электронный микроскоп

Углеродные нанотрубки

Эффект плазмон-экситонного взаимодействия

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

Вернуться в оглавление: Физические явления