Утворення доменів

• Розглянемо зразок довжиною l, до якого 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 поля в цьому місці зразка буде вищою, отже при збільшенні напруженості зовнішнього поля критичне значення E_пор виникне в першу чергу в цьому перерізі. Це означає накопичення в цій області (а не в усьому кристалі) важких електронів і зниження їх рухливості, а значить і підвищення опору. Новоутворена зона з високим вмістом важких електронів називається електричним доменом. Під дією прикладеного поля домен починає переміщатися уздовж зразка зі швидкістю υ ~ 10⁶ м/с. Ліворуч і праворуч від електронного домену рухатимуться легкі електрони з більш високою швидкістю, ніж важкі. Зліва вони будуть наганяти домен і утворювати область підвищеної концентрації електронів (область негативного заряду), а праворуч легкі електрони будуть іти вперед, утворюючи область, збіднену електронами (область позитивного заряду).

При незмінній напрузі встановиться динамічна рівновага між швидкостями електронів усередині і поза домену. При досягненні доменом кінця зразка (анода), домен руйнується, струм зростає, відбувається утворення нового домену, і процес повторюється заново. Незважаючи на те, що в кристалі може бути кілька неоднорідностей, завжди існує тільки один домен. Оскільки після зникнення електричного домену новий домен може виникнути на іншій неоднорідності, для спостереження і використання ефекту Ганна потрібні дуже чисті та однорідні зразки. Утворення домену у напівпровіднику

Режим прольоту

• Режим роботи діода Ганна на ефекті міждолинного переходу електронів, при якому виконується нерівність

n₀l > 10¹² см^-2,

де l довжина зразка;

називається режимом прольоту. Для його реалізації необхідно включити діод в паралельне резонансне коло, наприклад, в НВЧ - генератор з високою добротністю, налаштований на пролітну частоту (f = υ_Д l). В прольотному режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески, якщо довжина зразка значно перевищує ширину домену (Рис.). Для отримання форми коливань струму, близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Ширину домену можна збільшити, зменшуючи концентрацію електронів (n₀) в зразку.

Залежність струму від часу при роботі діода Ганна в прольотному режимі

Умова реалізації генерації

• При роботі діода в резонаторі до нього крім постійного зовнішнього зміщення виявляється прикладеним також НВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливань струму, що протікає через діод. Припустимо, що НВЧ - поле змінюється в часі за гармонічним законом, а резонатор налаштований на частоту вищу пролітної (f > υ_Дl). Тоді при достатньо великій амплітуді НВЧ - поля дипольний домен в зразку може розсмоктатися не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і СВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б меншою E_пор, а тривалість напівперіоду була б більшою часу релаксації Максвелла τ_М, що відповідає позитивній рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так:

f^--1>εε₀/en₀µ або n₀/f > εε₀/eµ

Для GaAs і InP n₀/f > 10⁴ с/см³. Отримана нерівність є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен «позитивний» напівперіод СВЧ - поля в діоді E > E_пор і у катода зароджується домен, а в кожен «негативний» напівперіод він розсмоктується на шляху до анода. Таким чином, генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола.

Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей:

ε ε₀/eµ < n₀/f < εε₀/eµ-,

де μ_- - негативна диференціальна рухливість, що відповідає ділянці вольт-амперної характеристики з негативною диференціальної провідністю;

то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ). Для GaAs і InP - 10⁴ < n₀/f < 10⁵ с/см³. Оскільки в отриманій нерівності період НВЧ - сигналу менший τ_М, що відповідає від'ємній диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли E > E_пор, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (E < E_пор) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод НВЧ - сигналу і спад його в інший, що викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка визначається параметрами зовнішнього електричного кола.