37Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

2.5.Эффекты полупроводников

2.5.1. Эффект Ганна

Эффект Ганна, на принципе которого строят диоды Ганна, был открыт в 1963 году американцем Джоном Ганном. Диод Ганна не обладает электронно-дырочным переходом, а состоит из пластины электронного типа проводимости, выполненной из фосфида индия, арсенида галлия, антимонида галлия и др., к противоположным граням которой подсоединены электроды. Толщина полупроводниковой пластинки составляет от сотен нанометров до сотен микрометров. Концентрация донорных примесей, которые вносят в полупроводник, составляет обычно 1015 см–3. Удельное сопротивление не одинаково по протяжѐнности полупроводника, а максимальная концентрация примеси сформирована у граней пластины, к которым подсоединены контакты. Полупроводниковую пластину обычно выполняют неравномерного сечения сложной конфигурации, создавая на ней выступы и впадины. Работа и параметры диода Ганна напрямую зависят от распределения примесей в полупроводнике и его формы.

Для изучения эффекта Ганна обратим внимание на рис. 2.3, на котором представлена зависимость проводимости полупроводника i от напряжѐнности электрического поля E.

38 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Рис. 2.3. Зависимость i от E для диода Ганна

Подадим напряжение от внешнего источника питания к граням полупроводника, предназначенным для этого. Пока напряжѐнность поля будет мала, концентрация носителей зарядов от неѐ зависеть не станет, что отражено на рисунке линейным нарастанием проводимости полупроводника на участке от начала координат до точки A. Последующее повышение напряжѐнности поля приводит к замедлению роста проводимости полупроводника, и в точке B, соответствующей критической напряжѐнности поля, она перестанет повышаться. Дальнейшее увеличение напряжѐнности поля вызывает повышенную интенсивность ударов электронов об атомы кристаллической решѐтки полупроводника, что приводит к уменьшению его дифференциальной проводимости на участке от B до C. Участок отрицательного дифференциального сопротивления имеет место лишь для переменных токов и напряжений. При увеличении напряжѐнности поля в связи с тем, что удельное сопротивление в объѐме полупроводника несколько различно и волновые возмущения не постоянны, электроны с малой эффективной массой, называемые «быстрыми», отталкиваемые электрическим полем, начнут формировать и заполнять собой участок в сечении полупроводниковой пластины. Эффективная масса для разных электронов не одинакова, так как зависит от взаимодействия с кристаллической решѐткой, кинетической энергии

39 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

электронов и пр. Чаще всего наибольшая неоднородность удельного сопротивления бывает у мест подключений металлических контактов к полупроводниковой пластине. Вакантные места, которые покинули электроны, образуют электростатический домен, обладающий неподвижными некомпенсированными ионами с объѐмными положительными зарядами и возникающий в месте наибольшей напряжѐнности поля в полупроводнике. Подходя к домену, «быстрые» электроны увеличивают свою эффективную массу, и становятся «медленными». Электрическое поле вызывает движение носителей зарядов, и вслед за электронами происходит исключительно быстрое перемещение электростатического домена в сечении пластины полупроводника. При этом направление движения возможно сугубо от места отрицательного электрода (катода) к области положительного электрода (анода). При достижении электростатическим доменом области положительного электрода происходит рекомбинация и рассеивание домена, вызывающие протекание тока наибольшей амплитуды. Скорость, с которой электростатический домен перемещается по объѐму арсенида галлия, составляет 105 (м/с), а для других полупроводников может быть даже больше. И тут же вблизи отрицательного электрода происходит формирование нового электростатического домена, и процесс повторяется. Постоянные формирования, движения и рассасывания электростатических доменов приводят к генерированию колебаний сверхвысоких частот.

Напряжѐнность поля, соответствующую прекращению уменьшения дифференциальной проводимости, называют пороговой. При дальнейшем увеличении и без того очень большой напряжѐнности поля снижение проводимости уже не возникает, а, наоборот, возрастание концентрации носителей зарядов инициирует еѐ ускоренный подъѐм.

40 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Так как электростатический домен занимает всѐ сечение полупроводника, стало возможно создать мощные диоды Ганна. Современные диоды Ганна генерируют колебания с частотами примерно от 1 ГГц до 150 ГГц и даже более. Максимальная мощность полученных колебаний достигает у маломощных компонентов 0,3 Вт, а у мощных специальных диодов Ганна была достигнута мощность в 2 кВт. Типовой КПД диодов Ганна лежит в пределах от 3% до 20%.

Информацию о диодах Ганна можно найти в книге [194, с. 202,

203].

2.5.2. Эффект поля

Соединим кристалл полупроводника и металл друг с другом и приложим к ним в обратном включении постоянное напряжение. При этом обратный дрейфовый ток не течѐт, а на поверхности металла будет сосредоточен такой же по величине заряд, как заряд полупроводника. Важно то, что заряд полупроводника можно будет наблюдать не только на его поверхности, но и на некоторой глубине, то есть концентрация свободных носителей заряда будет максимальна на поверхности полупроводника и станет уменьшаться с глубиной проникновения в его толщу. Поверхностный слой полупроводника в данном случае именуют каналом. Если проводимость канала из-за наличия внешнего поля будет больше (обогащение канала) или меньше (обеднение канала), чем в среднем в кристалле, то это явление именуют эффектом поля [194, с. 248, 249]. Эффект поля лежит в основе принципа действия полевых транзисторов с индуцированным каналом.

2.5.3. Эффект Суля

Эффект Суля (или по-английски «Suhl effect») состоит в смещении магнитным полем траектории неосновных инжектированных носи-