«Ганна эффект»

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 полю E₁плотность 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—2 Ггц. 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 (см. Генерирование электрических колебаний).

Лит.: «Solid State Communications», 1963, v. 1, №4, p. 88-91: Гани Дж., Эффект Ганна, «Успехи физических наук», 1966, т. 89. в. 1, с. 147; Волков А. ф., Коган Ш. М., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, там же, 1968, т. 96, в, 4, с. 633; Левинштейн М. Е., Эффект Ганна, «Зарубежная радиоэлектроника», 1968, № 10, с. 64; Левинштейн М. Е., Шур М. С., Приборы на основе эффекта Ганна, там же, 1970, в. 9, с. 58.

А. Ф. Волков, Ш. М. Коган.

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 ρ (пунктир) в электрическом домене.

ГАННА эффект - генерация высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольт-амперной характеристикой. Ганна эффект связан с периодическим появлением в кристалле и перемещением по нему области сильного электрического поля, которая называется доменом Ганна. частота колебаний обратно пропорциональна длине образца. В кристалле GaAs длиной 50-30 мкм частота колебаний ~0,3-2 ГГц. Используется в генераторах и усилителях сверхвысокой частоты. Открыт Дж. Ганном в 1963.

ГАННА ЭФФЕКТ

генерация ВЧ колебаний электрич. тока в полупроводнике с N-образнои вольт-амперной характеристикой (рис. 1). Г. э. обнаружен амер. физиком Дж. Ганном (J. Gunn; 1963) в кристалле GaAs с электронной проводимостью. Генерация возникает, если пост. напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что ср. электрич. поле Е в образце равно: Е=U/l, что соответствует падающему участку вольт-амперной хар-ки Е1-Е2, на к-ром дифф. сопротивление отрицательно (рис. 1). Колебания тока имеют вид периодич. последовательности импульсов (рис. 2), частота их повторения обратно пропорц. напряжённости электрич. поля Е.

.

Рис. 1. N-образная вольт-амперная хар-ка: Е — электрич. поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; j — плотность тока.

Т. э. наблюдается гл. обр. в двухдолинных ПП, зона проводимости к-рых состоит из одной ниж. долины и неск. верх. долин (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). Подвижность эл-нов в верх. долинах значительно меньше, чем в ниж. долине. В сильных электрич. полях происходит разогрев эл-нов (см. ГОРЯЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ), и часть эл-нов переходит из ниж. долины в верхние, вследствие чего ср. подвижность эл-нов и, следовательно, электропроводность уменьшаются. Это приводит к уменьшению плотности тока j с ростом Е в полях Е>Е1.

Г. э. вызван тем, что в образце периодически появляется, перемещается по нему и исчезает область сильного электрич. поля, наз. доменом Ганна. Домен возникает в результате того, что

.

Рис. 2. Форма колебаний тока при эффекте Ганна.

однородное распределение электрич. поля при объёмном отрицат. дифф. сопротивлении неустойчиво. Действительно, если в ПП случайно возникает неоднородное распределение концентрации эл-нов в виде дипольного слоя, то между заряж. областями создаётся дополнит. поле DE (рис. 3).

.

Рис. 3. Развитие электрич. домена. Эл-ны движутся слева направо, против поля.

Если область повыш. концентрации эл-нов находится ближе к катоду, то DE добавляется к внеш. полю, так что поле внутри дипольного слоя становится больше, чем вне его. Если при этом дифф. сопротивление образца положительно, т. е. ток растёт с ростом поля, то ток и внутри слоя больше, чем вне его (Dj>0). Поэтому, напр., из области с повыш. плотностью эл-нов они вытекают в большем кол-ве, чем втекают, в результате чего неоднородность рассасывается. Если же дифф. сопротивление отрицательное (ток уменьшается с ростом поля), то ток меньше там, где Е больше, т. е. внутри слоя, и неоднородность не рассасывается, а нарастает. Растёт и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В результате образуется электрич. домен (рис. 4). Вне домена Е<Е1 (рис. 1), благодаря чему новые домены не образуются. Устойчивое состояние образца — состояние с одним доменом.

.

Рис. 4. Распределение электрич. поля Е (сплошная кривая) и объёмного заряда о (пунктирная кривая) в домене Ганна.

Т. к. домен образован эл-нами проводимости, он движется в направлении их дрейфа со скоростью v, близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен возникает вблизи катода и, дойдя до анода, исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на остальной части образца соотв. растёт. Одновременно возрастает ток в образце, т. к. увеличивается поле вне домена. По мере приближения поля к E1 ток j приближается к jмакс. Когда вне домена Е>Е1, у катода начинает формироваться новый домен, ток уменьшается и процесс повторяется. Частота колебаний тока f=v/l.

В GaAs с электронной проводимостью при комнатной темп-ре Е1=3
• 103В/см, v=107 см/с и при l= 50—300мкм, f=0,3—2 ГГц. Размер домена =10—20 мкм. Г. э. наблюдается помимо GaAs и InP также в электронных ПП CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью. Г. э. используется для создания генераторов и усилителей СВЧ.

Га́нна эффе́кт

генерация высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольтамперной характеристикой. Ганна эффект связан с периодическим появлением в кристалле и перемещением по нему области сильного электрического поля, которая называется доменом Ганна. Частота колебаний обратно пропорциональна длине образца. В кристалле GaAs длиной 50—30 мкм частота колебаний 0,3—2 ГГц. Используется в генераторах и усилителях СВЧ. Открыт Дж. Ганном в 1963.

* * *

ГАННА ЭФФЕКТ

ГА́ННА ЭФФЕ́КТ, генерация высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике(см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) с N-образной вольт-амперной характеристикой. Ганна эффект связан с периодическим появлением в кристалле и перемещением по нему области сильного электрического поля, которая называется доменом Ганна. Частота колебаний обратно пропорциональна длине образца. В кристалле GaAs длиной 50—30 мкм частота колебаний ГАННА ЭФФЕКТ0,3—2 ГГц. Используется в генераторах и усилителях сверхвысокой частоты. Открыт Дж. Ганном в 1963.

возникновение ВЧ колебаний электрич. тока в ПП образце с N-образной вольтамперной характеристикой (см. рис.) под действием сильного пост. электрич. поля (напряжённостью ~ 10⁵ В/м). Г. э. связан с периодич. появлением в однородном ПП кристалле и перемещением по нему области сильного электрич. поля - электрич. домена, наз. доменом Ганна. Образование электрич. доменов обусловлено нарастанием к.-л. неоднородности в распределении электрич. поля (напр., локальной флуктуации плотности заряда, возникшей в результате неоднородного легирования) в среде с отрицат. дифференц. проводимостью. Частота ВЧ колебаний обратно пропорциональна длине образца. Так, в кристалле арсенида галлия GaAs длиной 50 - 30 мкм частота колебаний ~ 0,3 - 2 ГГц. Используется в генераторах и усилителях СВЧ. См. также Ганна диод.

К ст. Ганна эффект. N-образная вольтамперная характеристика: Е напряжённость электрического поля, создаваемого приложенной разностью потенциалов U (Е = U/l, где l - длина образца); j - плотность тока

генерация высокочастотных колебаний электрич. тока в полупроводнике с N-образной вольт-амперной характеристикой (рис.). Г. э. связан с периодич. появлением в кристалле и перемещением по нему области сильного электрич. поля, к-рая наз. доменом Ганна. Частота колебаний обратно пропорциональна длине образца. В кристалле GaAs длиной 50-30 мкм частота колебаний 0,3-2 ГТц. Используется в генераторах и усилителях СВЧ. Открыт Дж. Ганном в 1963.

Вольт-амперная характеристика: Е - электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; j - плотность тока.