3.2.6. Ганновские приборы
В полупроводниковой континуальной среде с //-образной объемной вольтамперной характеристикой возникает генерация высокочастотных колебаний электрического тока, представляющая собой эффект Ганна. Генерируется динамическая неоднородность в виде электрического домена, которая называется доменом Ганна (Рисунок - 3.28).
Если к торцам кристалла GaAs n-типа длиной l, обладающего W-образной ВАХ, приложить напряжение U такое, что Екр < U/l < Епор, то возникают локальные флуктуации плотности заряда (Рисунок - 3.28, а). Эта флуктуация величиной Х\, Х2 расположена на падающем участке ВАХ в области отрицательной дифференциальной проводимости (Рисунок - 3.28, б, в).
Напряженность поля вследствие флуктуации возрастает на величину Д£, а плотность тока j в области X, <Х<Х2 окажется ниже, чем вне области. Электроны, движущиеся против сил поля, начинают скапливаться вблизи Х{ и образовывать отрицательный заряд. На координате Х2 остается некомпенсированный положительный заряд (Рисунок - 3.28, е). Образуется электростатический домен, обедненный свободными электронами.
Под воздействием электрического поля домен перемещается в континуальной среде от катода к аноду со скоростью дрейфа электронов VДР (105—107 м/с). На аноде происходит рекомбинация электронов или их детектирование. Динамическая неоднородность распадается, вызывая импульс тока во внешней цепи. Форма импульса тока приведена на Рисунок - 3.31, г. Одновременно у катода зарождается новая динамическая неоднородность в виде домена и процесс повторяется. Размер домена составляет Ах= 10 -s- 20 мкм. Специфичность эффекта Ганна состоит в том, что преобразование мощности постоянного тока происходит во всем объеме среды, а не в узкой области, например, р—n-переходе. Поэтому генераторы на основе эффекта Ганна имеют значительную мощность.
На основе эффекта Ганна разработаны конструкции процессоров и памяти. Рассмотрим некоторые из них.
Управление импульсами тока может производиться функцией, являющейся произведением профиля легирования среды на площадь поперечного сечения образца. По существу эта функция определяет заряд электростатического домена. В этом случае легко генерировать колебания тока сложной формы, придавая соответствующую форму образцу (Рисунок 3.29, а).
Форму колебаний можно задавать также с помощью профиля металлического контакта на поверхности образца, описываемого заданной функцией f{X). В этом случае процессор произведет преобразование функции координат ДА) во временную функцию J{t).
Металлический электрод изолируется от образца диэлектрической пленкой (Рисунок - 3.29, б). На основе прибора Ганна, неудачно названного диодом, можно реализовать устройства логики, используя два его состояния: омическое (без домена) и с доменом сильного поля. В диод Ганна вводится устройство управления в виде затворов Шоттки, которые расположены перпендикулярно направлению тока. В таком приборе можно стимулировать или подавлять ганновский домен, а значит формировать нужную логическую функцию.
Рисунок 3.28. Устройство на доменах Ганна (а), ВАХ (б), распределение поля в полупроводнике (в) и форма импульсов генерации (г)
Диоды Ганна могут быть использованы в устройствах памяти высокого быстродействия (~ 1010 с). Как правило, как элементы памяти, так и ЗУ реализуются на диодах Ганна, объединенных в устройство на основе различных схемотехнических решений, и особого интереса для практической электроники не представляют.