Ганна эффект

ГАННА ЭФФЕКТ, генерация высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольтамперной характеристикой (рис. 1). Обнаружен американским физиком Дж. Ганном в 1963 году в кристалле GaAs с электронной проводимостью. Генерация возникает, если постоянное напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что электрическое поле напряжённостью Е = U/l соответствует падающему участку вольтамперной характеристики (E₁-Е₂), на котором дифференциальное сопротивление отрицательно (плотность тока j падает с ростом Е). Колебания тока имеют вид периодической последовательности импульсов, их частота обратно пропорциональна l.

Ганна эффект наблюдается главным образом в многодолинных полупроводниках, зона проводимости которых состоит из одной нижней и нескольких верхних долин (смотри Зонная теория). Подвижность электронов в верхних долинах значительно меньше, чем в нижней. В сильных электрических полях происходит разогрев электронов (смотри Горячие электроны), и часть электронов переходит из нижней долины в верхние. Вследствие этого средняя подвижность электронов, а следовательно, и электрическая проводимость уменьшаются, что приводит к уменьшению плотности тока j с ростом Е в полях Е>E₁.

Ганна эффект обусловлен периодическим появлением, перемещением и исчезновением в образце области сильного электрического поля (электрического домена, или домена Ганна), которое возникает вследствие неустойчивости однородного распределения электрического поля при объёмном отрицательном дифференциальном сопротивлении. Действительно, если в полупроводнике случайно возникает неоднородное распределение концентрации электронов в виде дипольного слоя, то между заряженными областями создаётся дополнительных поле ΔЕ (рис. 2), которое добавляется к внешнему, и поле внутри дипольного слоя становится больше, чем вне его. Если дифференциальное сопротивление положительно (ток растёт с ростом поля), то и ток внутри слоя больше, чем вне его. Поэтому, например, из области с повышенной плотностью электронов они вытекают в большем количестве, чем втекают в неё, в результате чего неоднородность рассасывается. При отрицательном дифференциальном сопротивлении j меньше там, где Е больше, т. е. внутри слоя; неоднородность не рассасывается, а, наоборот, нарастает. Растёт и падение напряжения на дипольном слое, а вне его - падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В результате образуется электрический домен. Вне домена Е<E₁, благодаря чему новые домены не образуются. Устойчивое состояние образца - состояние с одним доменом.

Т. к. домен образован электронами проводимости, он движется в направлении их дрейфа со скоростью v, близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен возникает вблизи катода и, дойдя до анода, исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на остальной части образца соответственно растёт. Одновременно возрастает ток в образце, так как увеличивается поле вне домена. По мере приближения поля к E₁ ток j приближается к j_мaкc. Когда вне домена поле Е>E₁, вблизи катода начинает формироваться новый домен, ток уменьшается, и процесс повторяется. Частота колебаний тока в длинных образцах f = v/l.

Ганна эффект наблюдается в электронных полупроводниках GaAs, InP, CdTe, ZnS, InSb и др., а также в Ge с дырочной проводимостью. Ганна эффект используется для создания генераторов и СВЧ-усилителей.

Лит.: Левинштейн М. Е., Пожела Ю. К., Шур М. С. Эффект Ганна. М., 1975.