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.