3.6. Эффект Ганна

Из рис. 3.2 следует, что в арсениде галлия зависимость дрейфовой скорости электронов v_дрот напряженности электрического поля характеризуется максимумом в области значенийЕ=(4-6)·10⁵ В/м. Затем дрейфовая скорость заметно уменьшается и, при дальнейшем возрастании напряженности, она стремится к области насыщения, приближаясь к ней сверху, а не снизу, как в случае кремния. Такая зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля получила важное практическое применение.

В 1963 г. немецкий физик Дж. Б. Ганн наблюдал высокочастотные колебания (осцилляции) электрического тока в неоднородных кристаллах арсенида галлия. Эти колебания наблюдались при достижении некоторого критического электрического поля Е=(1...2)10⁵В/м, а само явление получило названиеэффекта Ганна.Кроме кристаллов GaAs, эффект Ганна наблюдался в полупроводниковых соединениях InP, ZnSe, CdTe, InAs и ряде других полупроводниковых материалов, характеризующихся сложной структурой энергетических зон проводимости. В результате этого открытия менее чем за 10 лет возникло новое направление в технике СВЧ, связанное с применением генераторов и усилителей Ганна.

Появление эффекта осцилляций электрического тока обусловлено особенностями зоны проводимости GaAs. Рассмотрим природу возникновения высокочастотных колебаний электрического тока в арсениде галлия, структура энергетических зон которого изображена на рис. 1.20,б. Напомним, что в кристаллографических направлениях100в зоне проводимости этого полупроводникового соединения существует минимум ("верхняя долина"), смещенный относительно основного минимума при k=0 вверх по оси энергий на величину 0,36 эВ . Эффективная масса носителей заряда в верхней долине равна 1,2m_o и превышает эффективную массу электронов в основном минимуме (0,072m_o). Соответственно, снижается подвижность электронов, “находящихся” в верхней долине. Структура зон проводимости других соединений, в которых наблюдается эффект Ганна, аналогична зонной структуре GaAs.

Одна из причин эффекта Ганна заключается в изменении эффективной подвижности носителей заряда при междолинном перебросе электронов, происходящем под действием сильного электрического поля. В электрическом (пороговом) поле Е_пордостаточно большой напряженности, превышающей значение 310⁵ В/м, часть электронов в GaAs приобретает добавочную энергиюW>W=0,36 эВ и переходит в верхнюю боковую долину. Такой переход сопровождается уменьшением подвижности_n носителей заряда. Соответственно снижается плотность токаjв полупроводнике, величина которой для электронного полупроводника определяется соотношением

j=q(n_n1_n1+n_n2_n2)E, (3.19)

где n_n1 и_n1 - концентрация и подвижность электронов, находящихся в нижней долине;n_n2 и_n2 - концентрация и подвижность электронов, находящихся в верхней долине.

При этом общая концентрация электронов в полупроводниковом кристалле n_oравнаn_n1+n_n2и является постоянной величиной.

Поскольку плотность тока j~_n, то, из-за снижения подвижности электронов, на ВАХ образца появляется участок отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Вольтамперная характеристика приобретаетN-образный вид, как это показано на рис. 3.9,а. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля большинство электронов окажется во втором минимуме иn_n2n_o, аn_n10. В результате дифференциальная проводимость вновь становится положительной величиной.

Однако наличие N-образной ВАХ является лишь необходимым, но недостаточным условием для генерации электромагнитных колебаний. Таким условием является необходимость создания в образце области объемного заряда, которую называют электрическим доменом.

С этой целью вблизи катода путем специального легирования формируется область с пониженной концентрацией донорной примеси. Локальная напряженность поля в этой части образца оказывается выше средней по кристаллу и может превышать пороговую величину Е_пор. В результате в области неоднородности образуется зона "тяжелых" электронов, которая под действием электрического поля перемещается к аноду со скоростью дрейфаv_др, как изображено на рис. 3. 9,б.

Справа и слева от этой зоны движутся "легкие" электроны, обладающие большей дрейфовой скоростью. За счет ухода быстрых электронов вблизи пакета медленно движущихся электронов со стороны анода образуется дефицит отрицательного заряда, условно показанный на рис. 3.9,взнаком “+”. Напряженность электрического поля в домене увеличивается, а в остальной части кристалла уменьшается (рис. 3.9,г).

Скорость дрейфа домена близка к скорости насыщения v_наси составляет около 10⁵ м/с=100 км/с. Вблизи анода электрический домен исчезает, при этом ток в цепи скачком возрастает. Затем вблизи катода возникает новый домен и ток снова падает. Таким образом, в образце генерируются осцилляции тока.

График зависимости осцилляций тока Iв генераторе Ганна от времени tпредставлен на рис. 3.10.

Период Тколебаний тока в генераторе Ганна рассчитывается по формулеT= =L/v_др, где L0,2 мм - длина образца. Отсюда легко рассчитать частоту ганновских колебаний:f_н=v_др/L=10⁵/0,20^-3=510⁸ Гц. Верхний предел частоты ганновских колебаний составляет около 10¹⁰Гц и ограничен размером кристалла (приблизительно 2 мкм).