48. Эффект Ганна. Отрицательная дифференциальная проводимость. Физические принципы работы диодов Ганна.

ГАННА ЭФФЕКТ - генерация высокочастотных колебаний электрич. тока в полупроводниках с N-образной объёмной вольтамперной характеристикой. Генерация возникает, если пост.напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что ср. электрич. поле в образце E=U/I соответствует падающему участку вольтамперной характеристики (зависимости плотности тока j от напряжённости электрич. поля E), на к-ром дифференц. сопротивлениеdE/dj отрицательно. Колебания тока имеют вид периодич. последовательности импульсов, их частота увеличивается с уменьшением l (в достаточно длинных образцах как l^-1). Г. э. наблюдается гл. обр. в т. н. многодолинных полупроводниках, зона проводимости к-рых состоит из одной ниж. долины и одной или неск. верх. долин. Подвижность электронов в верх. долинах значительно меньше, чем в ниж. долине. В сильных электрич. полях происходит разогрев электронов (см. Горячие электроны)и часть электронов переходит из ниж. долины в верхние, вследствие чего ср. подвижность носителей заряда и электропроводность падают. Это приводит к падению плотности тока с ростом E в полях, превышающих нек-рое критич. поле Е_кр. Г. э. вызван тем, что в образце в режиме пост. напряжения периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрич. поля, наз. электрич. доменом или доменом Ганна. Домен возникает потому, что однородное распределение электрич. поля вдоль образца неустойчиво в том случае, когда объёмное дифференц. сопротивление отрицательно. Г. э. наблюдается помимо GaAs и InP также в др. полупроводниках с электронной проводимостью: InSb, CdTe, Ge, In_xGa_1-xAs, GaSb_xAs_1-x, Ga_xIn_1-xSb, GaAs_xP₁__х и др., а также в одноосно-деформированном Ge с дырочной проводимостью. Г. э. используется для создания генераторов и усилителей СВЧ.

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, свойство некоторых нелинейных элементов электрических цепей, выражающееся в уменьшении падения напряжения на них при увеличении протекающего тока (или наоборот; см., напр., Туннельный диод). с точки зрения радиотехники такие элементы являются активными, позволяющими трансформировать энергию источника питания в незатухающие колебания. Такие элементы можно также использовать в схемах переключения. Понятие О. д. с. используют при рассмотрении устойчивости разл. радиотехн. цепей. О. д. с. может компенсировать нек-рую часть потерь в электрич. цепи, если его абс. величина меньше активного сопротивления; в противоположном случае состояние становится неустойчивым, возможен переход в др. состояние устойчивого равновесия (переключение) или возникновение колебаний (генерация). В однородном образце полупроводника в области существования. Примеры элементов с О. д. с. : 1) Электронно-дырочный переход в вырожденных полупроводниках (туннельный диод)имеет вольт-амперную характеристику N-типа. Включение его в цепь приводит к возникновению в цепи неустойчивости и генерации колебаний. Амплитуда и частотный спектр колебаний определяются параметрами внеш. цепи и нелинейностью вольт-амперной характеристики с О. д. с. Наличие участка с О. д. с. позволяет использовать туннельный диод в качестве быстродействующего переключателя.  2) Полупроводники типа GaAs или InP в сильных электрич. полях позволяют реализовать характеристику N-типа в объёме материала за счёт зависимости подвижности электронов от напряжённости электрич. поля (Ганна эффект ).В сильном электрич. поле образец становится неустойчивым, переходит в резко неоднородное состояние - разбивается на области (домены) слабого и сильного поля. Рождение (на катоде), движение по образцу и исчезновение домена (на аноде) сопровождаются колебаниями тока во внеш. цепи, частота к-рых в простейшем случае определяется длиной образца L и скоростью v дрейфа электронов в поле (  ~ v/L)и может достигать ~ 100 ГГц.  3) В транзисторных и ламповых генераторах электромагнитных колебаний транзистор (лампа) вместе с цепью положительной обратной связи (и источником питания) играет роль О. д. с., соединённого последовательно с сопротивлением контура, что эквивалентно поступлению энергии в контур. Если абс. величина действующего О. д. с. превышает активные потери, происходит самовозбуждение генератора, стационарные колебания соответствуют состоянию, когда активные потери полностью компенсируются за счёт О. д. с.

ДИОД   ГАННА  - это однородный кристалл, изготовленный из некоторого полупроводника, чаще всего - арсенида галлия. На торцах кристалла нанесены металлические контакты.  Диод   Ганна  -- это полупроводниковый прибор с двумя электродами, не содержащий p-n-переходов, т.е. все его свойства полностью определяются собственными свойствами применяемого полупроводникового материала, а не эффектами, возникающими в местах соединения различных полупроводников. Принцип  действия  диода   Ганна  основан на одноименном эффекте. Суть эффекта  Ганна  заключается в возникновении отрицательной дифференциальной проводимости в однородных полупроводниках под действием сильного поля. Возникновению отрицательной дифференциальной проводимости соответствует участок вольтамперной характеристики, где на графике при определенных значениях напряжения, сила тока падает. Чаще всего это происходит под действием сильного электрического поля. Такой скачок кривой можно объяснить тем, что до определенного момента времени дрейфовая скорость электронов растет с увеличением напряженности электрического поля. Однако, достигнув некоторого значения, она начинает уменьшаться. Возникает двойной движущийся к аноду слой зарядов, который будут стремиться догнать электроны, находящиеся возле катода. Такой слой зарядов называется доменом, а значение напряжения, при котором он возникает - пороговым. Стоит отметить, что в момент возникновения домена, ток в диоде достигает максимального значения. Однако к концу формирования домена, его значение уменьшается до минимального. Далее домен разрушается (по мере достижения анода), и ток вновь достигает максимального значения. Это сопровождается возникновением нового домена в области, близкой к катоду и процесс циклично повторяется. Частота этого процесса обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника. Именно в результате описанного эффекта осуществляется преобразование тока источника напряжения в электрические колебания сверхвысокой частоты. Итак, важнейшим условием возникновения домена является скачок напряженности, повлекший за собой возникновение дипольного слоя, частично лишенного свободных носителей. Зарождающееся внутри домена поле может обладать значительно большим значением, чем поле в кристалле.