190

3. Диоды Ганна

3.1 Устройство и принцип действия

Отдельный класс составляют негатроны, принцип действия которых основан на существовании отрицательного дифференциального сопротивления в однородном объеме полупроводника. Причиной ОДС, имеющей объемный характер, могут являться особенности зонной структуры, зависимость времени жизни носителей заряда от напряженности электрического поля и др. В равновесном состоянии образец является однородным, однако при возникновении ОДС однородное распределение концентрации носителей, напряженности электрического поля или плотности тока становится неустойчивым. В случае, когда однородный образец является негатроном N-типа, неустойчивость приводит к нарушению однородности электрического поля в направлении катод-анод и формированию областей сильного или слабого электрического поля. В случае, когда однородный образец является негатроном S-типа, неустойчивость приводит к нарушению однородности плотности тока в поперечном сечении и формированию токовых шнуров (шнурование тока).

Среди негатронов этого класса практическое применение нашли диоды Ганна на основе GaAs п-типа. Их действие основано на эффекте Ганна, открытом в 1963 г. при исследовании зависимости дрейфовой скорости электронов в GaAs п-типа от напряженности электрического поля.

Эффект Ганна состоит в генерации СВЧ колебаний в однородных образцах GaAs п-типа в сильном (> 3 кВ/см) постоянном электрическом поле и объясняется особенностями зонной структуры GaAs.

На рис. 3.1а представлена зависимость энергии электронов от волнового вектора в направлении в первой зоне Бриллюэна. Как видно из рисунка, зона проводимости содержит два типа энергетических минимумов (долин), один из которых содержит легкие электроны с эффективной массой, а другой — тяжелые с эффективной массой. Расстояние между долинами составляет эВ.

В равновесном состоянии практически все электроны проводимости находятся в нижней долине () и ввиду малой эффективной массы имеют высокую подвижностьсм²/Вс (при концентрации доноров см^-3 и Т = 300К). Во внешнем электрическом поле электроны разогреваются. При достаточно высокой напряженности поля значительная их часть приобретает энергию ; такие электроны способны перейти в верхнюю долину. Вероятность этого перехода близка к 1, так как вследствие высокой эффективной массыи наличия четырех эквивалентных верхних долин суммарная плотность разрешенных состояний () в верхних долинах значительно больше, чем в нижней (~ в 70 раз)

На рис. 3.1б штриховыми линиями показаны зависимости скоростей электронов в нижней и верхних долинах от поля. С ростом напряженности поля доля электронов, находящихся в верхних долинах, повышается, поэтому результирующая зависимостьсредней дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля имеет максимум см/с при пороговом поле кВ/см. Придифференциальная подвижность электронов отрицательна (). При очень сильных полях практически все электроны находятся в верхних долинах, и, как и во всех полупроводниках, их скорость достигает предельной величинысм/с.

Существуют два основных режима колебаний:

а) пролетная (ганновская) мода

б) режим ограниченного накопления пространственного заряда.