Лекции для студентов

Физика полупроводников. Лекция 4

§11. Колебания тока в двухдолинных полупроводниках (эффект Ганна).

В 1963 году Джоном Ганном обнаружены сверхвысокочастотные колебания до 10²² ГГц в кристаллах GaAs, InP в N-образной ВАХ. Генерация тока возникает при приложении постоянного напряжения U такой величины, что среднее электрическое поле в образце соответствует падающему участку ВАХ, т.е.

, , L — длина образца в направлении поля.

Физическая природа СВЧ колебаний в кристаллах GaAs, InP объясняется N-образной зависимостью дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля в двухдолинных полупроводниках. Пусть к образцу приложено такое напряжение , что напряженность электрического поля:

Пусть на каком-то участке образца образовалась область, где напряженность электрического поля на небольшую величину больше, чем . Такие флуктуации электрического поля возникают непрерывно в полупроводниках за счет хаотического движения носителей заряда. На границе такой области со стороны катода скопился избыточный заряд свободных электронов, а со стороны анода — положительный заряд ионизированных доноров. Значит, внутри такого дипольного слоя . Так как в рассматриваемых условиях диффузионная проводимость образца положительна, т.е. ток растет с ростом поля, то ток внутри флуктуации больше, чем вне ее. Через поперечное сечение образца в области флуктуаций в единицу времени должно проходить больше электронов, чем вне флуктуации, т.е. через поперечное сечение образца в области флуктуации должно проходить больше электронов, чем их поступает из вне флуктуации.

Для прохождения через флуктуацию избыточного тока необходимо привлечение избыточного заряда свободных электронов, скопившегося слева флуктуации, этот избыточный заряд электронов компенсирует избыточный положительный заряд и следовательно и следовательно флуктуация рассасывается. Значит, при однородное распределение электрического поля является устойчивым по отношению к малой флуктуации. Однажды возникнув, флуктуация мгновенно уничтожается.

Предположим, что к образцу приложено напряжение больше . В этом случае поле соответствует области ОДП. Пусть на каком-то участке образца поле случайно возросло на небольшую величину . Так как в области ОДП средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с ростом поля , то флуктуация движется медленнее, чем электроны справ и слева от нее. Это приводит к тому, что справа и слева от флуктуации увеличивается соответственно положительный и отрицательный объемный заряд, следовательно электрическое поле внутри флуктуации увеличивается, в результате флуктуация станет двигаться еще медленнее, что приводит к еще большему накоплению объемного заряда слева и справа флуктуации. Значит при однородное распределение электрическое поле не устойчиво по отношению к малой флуктуации. Однажды возникнув, флуктуация начинает неизбежно возрастать. По мере нарастания поля внутри флуктуации, на ней падает все большее напряжение, так как полное напряжение, приложенное к системе, постоянно, то на оставшеюся часть образца приходится все меньшее напряжение. Поэтому, с развитием флуктуации, поле в не ее падает и когда поле вне флуктуации становится меньше , дрейфовая скорость электронов в этой области начинает падать по мере формирования флуктуации. Когда скорость электрона вне флуктуации станет соизмерима со скоростью движения флуктуации ее нарастание прекращается. С этого момента по кристаллу от катода к аноду движется стабильный по форме участок сильного электрического поля, называемый доменном Ганна. Скорость движения домена равна: . Внутри домена большинство электронов принадлежат второй долине, причем скорость дрейфа тяжелых электронов равна скорости дрейфа легких электронов вне домена. Так как вне домена , то новые домены не образуются. Состояние с одним доменом — устойчивое состояние образца. Пока домен движется вдоль образца ток не меняется (участок АВ). Достигнув анода домен разрушается и все напряжение падает на всей остальной части образца. Следовательно, ток резко возрастает (участок ВС), но как только поле станет равным в образце начинает формироваться новый домен и ток снова уменьшается со временем формирования (участок СД) и т.д. Пока напряжение приложенное к образцу больше кристаллического: , то этот процесс периодически повторяется. Частота колебаний тока: .

Флуктуация поля возникает в точке образца, где вследствие его технологических условий получения удельное сопротивление наиболее высокое. Такие точки всегда располагаются у электродов, так как в результате вплавления контактов эти области оказываются наиболее неоднородными. Учитывая что домен движется против поля в полупроводниках  — типа, то местом его зарождения служит область катода.

Особенность эффекта Ганна состоит в том, что преобразования мощности постоянного тока в электрические колебания происходит во всем объеме кристалла, а не в узкой области перехода (как в транзисторах, туннельных диодах). Поэтому генераторы Ганна обладают большой выходной мощностью. Расчеты показывают, что можно создать генераторы Ганна до 400 КВт в импульсе и частотой до 50 ГГц. Кроме того, генераторы Ганна просты по конструкции, могут питаться от источников низкого напряжения, имеют значительный срок службы, поэтому область их применения расширяется. В настоящее время они широко используются в радиолокации. Параметры ганновских генераторов на основе кристалла GaAs  — типа следующие:

, , , ,

.