ГАННА ЭФФЕКТ

ГАННА ЭФФЕКТ явление генерации высокочастотных колебаний электрич. тока
j в полупроводнике, у к-рого объёмная вольтамперная характеристика имеет
N-образный вид (рис. 1). Эффект был обнаружен впервые амер. 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 электрич. поле Е в образце, равное Е = V/l, заключено в
нек-рых пределах
ограничивают падающий участок
вольт-амперной характеристики j (Е), на к-ром дифференциальное сопротивление
отрицательно. Колебания тока имеют вид серии импульсов (рис. 2). Частота
их повторения обратно пропорциональна длине образца l.

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

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

Г. э. связан с тем, что в
образце периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область
сильного электрич. поля, к-рую наз. электрическим доменом. Домен возникает
потому, что однородное распределение электрич. 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
(как между обкладками заряженного конденсатора). Если оно добавляется к
внешнему полю Е и дифференциальное сопротивление образца положительно,
т. е. ток растёт с ростом поля Е, то и ток внутри слоя больше,
чем вне его

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

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. Растёт и падение
напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение
на образце задано). В конце концов образуется электрич. домен, распределение
поля и плотности заряда в к-ром изображены на рис. 4. Поле вне установившегося
домена меньше порогового Eвозникают.

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 растёт. Одновременно возрастает
ток в образце, т. к. увеличивается поле вне домена; по мере приближения
этого поля к пороговому полю Eк максимальной jЕи процесс повторяется. Частота v колебаний тока равна обратной величине
времени прохождения домена через образец: v = v/l. В этом проявляется существенное
отличие Г. э. от генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтампер-ной
характеристикой, напр, 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 темп-ре E

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я