7.4.2. Эффект Ганна.

В 1963 году Ганн, изучая поведение арсенида галия в области сильных полей обнаружил явление, заключающееся в возникновении колебаний тока с частотой 10⁹..10¹⁰ Гц при приложении к кристаллу постоянного электрического поля. Это явление называют эффектом Ганна.

Многие полупроводники, в том числе и арсенид галия (GaAs), имеют достаточно сложную зонную структуру. Нарисуем зонную структуру для арсенида галия. Т.е зона проводимости при К = 0 имеет второй минимум Б, который расположен выше А на 0,36 эВ. В этих минимумах эффективные массы электронов различны. В минимуме , т.е. электроны «лёгкие», а в минимуме , т.е. электроны «тяжёлые». Подвижность лёгких электронов на порядок больше подвижности тяжёлых:

Изменение подвижности носителей в сильных полях связано с переходом электронов из минимума А в минимум Б. В слабых полях электроны в термодинамическом равновесии с решёткой. Так как энергия электронов в обычных условиях много меньше расстояний между минимумами , то практически все электроны занимают уровни в минимуме А. Плотность тока в этом случае:

С ростом поля ε энергия электронов повышается, и при некотором ε_кр становится возможным переход из А в Б, где подвижность ниже. Плотность тока при этом падает:

В результате получаем такую зависимость:

Рассмотрим механизм неустойчивости, приводящим к высокочастотным осцилляциям тока на примере опыта Ганна. Пусть к полупроводнику длинной L приложено внешнее напряжение. Если полупроводник однороден, то электрическое поле в образце тоже однородно, но любой реальный кристалл имеет неоднородности. Эти приводит к тому, что в этом месте образца напряжённость поля имеет повышенное значение. При увеличении напряжённости внешнего поля критическое значение здесь достигается раньше, чем в остальной части образца. Из-за этого, в области неоднородности начинаются переходы из минимума А в минимум Б, т.е. появляются тяжёлые электроны. Подвижность здесь уменьшается, а сопротивление дополнительно возрастает. Это приводит к увеличению напряжённости поля в месте неоднородности и более интенсивному переходу электронов в минимум Б. Поле в образце становится резко неоднородным.

Такая зона с сильным электрическим полем называется электрическим доменом.

Этот домен под действием поля перемещается вдоль образца. Он разрушается, когда достигает границы образца.

Пусть внешнее напряжение прикладывается к образцу в момент времени t₀. При этом возникает ток, имеющий некоторое максимальное значение . Сразу же на одной из неоднородностей начинает образовываться домен, причём очень быстро. Сила тока резко уменьшается до , определяемого скоростью движения домена. Это значение тока сохраняется до тех пор, пока домен не разрушится на границе. Время движения домена

где L – длинна образца, v_d – скорость домена.

Сила тока снова резко возрастает до , снова образуется домен и ток уменьшается. Так возникают колебания тока, частота которой определяется длинной образца.

7.4.3. Ударная ионизация

При полях, напряжённость которых больше 10⁷ В/м электроны проводимости приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. В результате ионизации образуются пары «электрон-дырка», которые ускоряются полем до высоких энергий, и так же могут ионизовать атомы. Таким образом, концентрация свободных носителей лавинообразно возрастает.

Этот процесс и называется ударной ионизацией.