Ефект Ганна (стр. 2 из 3)

Простежимо тепер, як міняється щільність струму в напівпровіднику в міру збільшення напруженості поля ε. Доти поки ε виявляється недостатнім, щоб викликати істотний розігрів електронів, всі вони залишаються в нижньому мінімумі й залежністьj=j(ε) описується прямою ОD. Однак у міру росту εвсе більше число електронів здобуває енергію, необхідну для переходу з нижнього мінімуму у верхній. Тому що цей перехід супроводжується падінням рухливості електронів, то він приводить до зменшення густини струму. Однак у міру росту εвсе більше число електронів здобуває енергію, достатню переходу з нижнього мінімуму у верхній. Тому що цей перехід супроводжується падінням рухливості електронів, то він приводить до зменшення густини струму. Тому починаючи з деякої напруженостіε₁наростання струму j зростом εспочатку сповільнюється, а при ε = ε_а повністю зупиняється. При подальшому збільшенні εперехід електронів у верхній мінімум протікає настільки інтенсивно, що j не тільки не зберігається постійним, а падає з ростом ε(ділянка ВМ). Відповідно до цього диференціальна провідність напівпровідника на цій ділянці виявляється величиною негативної: <0. Падіння j з ростом εтриває до напруженості ε_б, при якій переважна більшість електронів переходить у верхній мінімум. Після цього залежність j=j(ε) знову здобуває лінійний характер з кутом нахилу прямій j=j(ε),рівним α_2.

Вольт-амперную характеристику такого типу, що містить ділянку з негативною диференційною провідністю, називаютьN- образною. Вона становить великий інтерес для радіоелектроніки, тому що системи з такою характеристикою можуть бути використані для посилення й генерації електромагнітних коливань і інших цілей.

Розглянемо докладніше механізм такої нестійкості. Нехай до зразка довжиною L прикладена зовнішня напруга. В однорідному напівпровіднику електричне поле приблизно однаково по всій довжині зразка. Але якщо в зразку є локальна неоднорідність із підвищеним опором, то напруженість електричного поля в цьому місці зразка буде трохи вищим. Отже, критичне значення величини ε_кр=ε_а при підвищенні напруженості поля виникне в першу чергу у цьому перетині зразка.

Як тільки напруженість поля в області локальної неоднорідності досягне критичного значення ε_а, має місце перехід електронів у верхню долину Б і у цій області зразка з підвищеною напруженістю поля з'являться важкі електрони. Рухливість електронів у цій частині зразка зменшується і опір її зростає. Це приводить до зростання напруженості поля у цьому місці зразка, що у свою чергу викликає більше інтенсивний перехід електронів у верхню долину. Але так як напруга, прикладена до зразка, не змінюється, то напруженість поля праворуч і ліворуч від цієї області зразка буде спадати. У результаті розподіл електричного поля стане різко неоднорідним і утвориться область сильного електричного поля, що зветься електричним доменом (рис. 3.4, а).

Область важких електронів під дією електричного поля буде переміщюватися уздовж зразка з відносно низькою швидкістю, обумовленою низькою рухливістю важких електронів. Праворуч і ліворуч від зони важких електронів будуть рухатися з великою швидкістю легкі електрони. Ліворуч вони будуть наздоганяти цю зону, і в результаті утвориться область підвищеної концентрації електронів – область негативного об'ємного заряду. Праворуч від цієї зони легкі електрони будуть іти вперед, тому утвориться область, збіднена електронами,— область позитивного об'ємного заряду. Отже, у межах області сильного електричного поля на кривій розподілу концентрації електронів є збіднена ділянка з n<n₀, що відповідає передньому фронту домена, і збагачена ділянка з n>n₀, що відповідає задньому фронту домена (рис. 3.4, б).

Оскільки усередині домена напруженість поля сильно зросла, зростає в ньому й швидкість руху електронів. Поза доменом напруженість поля різко зменшується, тому швидкість руху електронів падає. Через деякий проміжок часу встановиться стаціонарний стан, при якому швидкість руху домена v₀ буде дорівнювати дрейфовій швидкості електронів поза доменом v_в, тобто

v_в = v_д,

або

µ₂ε_д = µ₁ε_в,

тобто стаціонарному стані буде відповідати напруженість поля ε_ду домені й ε_упоза доменом. При цьому стала швидкість руху домена v_дбуде менше максимальної швидкості руху електронів, що вони мають при ε_а.Тому у момент підключення до зразка напруги (через t=t₀) струм буде мати максимальне значення I_макс, обумовлене v_макс. Відразу ж почнеться процес утворення домена, і оскільки цей процес короткочасний, так як постійна часу, пов'язана з міждолиним переходом, порядку 10^-12с, струм дуже швидко спадає до значення I_мін:

I_мін = sen₀v_д,

де s - площа перетину зразка.

Мінімальне значення струму зберігається протягом усього часу руху домена уздовж зразка t₂-t₁ (рис. 3.5). Встановлено, цей час визначається довжиною зразка й швидкістю руху домена:

T = L / v_д.

По досягненні аноду область сильного поля виходить із зразка й струм починає зростати. Як тільки струм у зразку досягне значення I₀, відбувається утворення нового домена й струм спадає до I_min.

У результаті руху домена по кристалу у зовнішньому колі з'являється імпульс струму. Шпаруватість імпульсів струму визначається часом Т проходження домена. При довжині зразка у 50 мкм частота коливань струму повинна становити близько 2 ГГц.

Зразковий вид цих коливань показаний на рис. 3.6. Незважаючи на те що у кристалі можуть бути неоднорідності, на яких можуть формуватися домени, однак у кристалі існує тільки один домен. Інакше кажучи, виникнення домена відбувається тільки на одній із неоднорідностей.

Після зникнення домена новий може виникнути на іншій неоднорідності. Різне розташування неоднорідностей у кристалі визначає різні пролітні часи доменів, тобто різний період коливань. Тому для спостереження ефекту Ганна необхідні чисті й дуже однорідні зразки. У пластинкових зразках домени зароджуються в області підвищеного поля поблизу катода, обумовленою неоднорідністю рівня легування, що виникає у процесі виготовлення електродів. Важливо також, щоб відстань між мінімумами А и Б зони провідності не було досить велике, тому що для переходу електрона у другу долину буде потрібно поле великої напруженості, при якому можливе збільшення концентрації електронів за рахунок ударної іонізації або тунельного ефекту.

4. Діод Ганна, генератори Ганна

Напівпровідниковий прилад, з негативним опором на НВЧ, заснований так ефекті Ганна, який здатен генерувати НВЧ-коливання - діод Ганна.

Ефект Ганна був відкритий у 1963 р американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) у кристалі арсениду галію з електронною провідністю з прикладеним полем Е~ (2..3) кВ/см.

Ефект Ганна полягає у тому, що при досить великій напрузі, прикладеній до напівпровідника, у цьому напівпровіднику виникають НВЧ-коливання. Цей ефект був ретельно досліджений, з'ясовані фізичні процеси, що відбуваються у напівпровідниках при високій напруженості діючого у них електричного поля, і розроблені, отримавши вже достатньо широке розповсюдження, прилади для генерування коливань на НВЧ.

У тому ж році Б. К. Рідлі висловив ідею про те, що доменна нестійкість повинна з'являтися у напівпровідниковому зразку, якщо на його вольт-амперній характеристиці є ділянка з негативною диференційою провідністю N-типу. Такий вид вольт-амперна характеристика буде мати, якщо при збільшенні напруженості поля швидкість носіїв або їхня концентрація зменшуються. Б. К. Рідлі, Т. Б. Уоткінс і С. Хілсум показали, що в арсениді галію і фосфіді індію n-типу швидкість електронів повинна зменшуватися з ростом напруженості електричного поля, коли вона перевищить деяке граничне значення, достатнє для того, щоб обумовити міждолінний перехід електронів з нижньої долини, де їхня рухливість велика, у більше високолежачі долини зони провідності, у яких рухливість електронів різко знижується. У 1964 р. Н. Кремер указав, що всі основні закономірності ефекту Ганна можуть бути пояснені на основі механізму Рідлі – Уоткінса – Кволийсума.

Діод Ганна являє собою напівпровідниковий кристал без п- р-переходу (рис. 4.1), у якому створене сильне постійне електричне поле. Для включення діод має два електроди: анод і катод. Повинен застосовуватися напівпровідник із двома зонами провідності, наприклад арсенід галію. Дослідження подібних напівпровідників показало, що у цих двох зонах провідності електрони мають різну рухливість. У зоні, розташованої вище, тобто відповідної більше високим рівням енергії, рухливість електронів менше.