ГАННАЭФФЕКТ

ГАННА ЭФФЕКТ, явление генерации высокочастотных колебаний электрич. тока j в полупроводнике, у к-рого объёмная вольтамперная характеристика имеет N-образный вид (рис. 1). Эффект был обнаружен впервые амер. физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 в двух полупроводниках с электронной проводимостью: арсениде галлия (GaAs) и фосфиде индия (InP). Генерация происходит, когда постоянное напряжение V, приложенное к полупроводниковому образцу длиной l, таково, что электрич. поле Е в образце, равное Е = V/l, заключено в нек-рых пределах

ограничивают падающий участок вольт-амперной характеристики j (Е), на к-ром дифференциальное сопротивление отрицательно. Колебания тока имеют вид серии импульсов (рис. 2). Частота их повторения обратно пропорциональна длине образца l.

Рис. 1. N-образная вольтамперная характеристика, Е - электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов V, j - плотность тока.

Рис. 2. Форма колебаний тока в случае эффекта Ганна.

Г. э. связан с тем, что в образце периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрич. поля, к-рую наз. электрическим доменом. Домен возникает потому, что однородное распределение электрич. поля при отрицательном дифференциальном сопротивлении неустойчиво. Действительно, пусть в полупроводнике случайно возникло неоднородное распределение концентрации электронов в виде

дипольного слоя - в одной области концентрация электронов увеличилась, а в другой - уменьшилась (рис. 3). Между этими заряженными областями возникает дополнительное поле (как между обкладками заряженного конденсатора). Если оно добавляется к внешнему полю Е и дифференциальное сопротивление образца положительно, т. е. ток растёт с ростом поля Е, то и ток внутри слоя

больше, чем вне его

Рис. 3. Развитие электрического домена. Электроны движутся слева направо, против поля Е.

Поэтому электроны из области с повышенной плотностью вытекают в большем количестве, чем втекают в неё, в результате чего возникшая неоднородность рассасывается. Если же дифференциальное сопротивление отрицательно (ток уменьшается с ростом поля), то плотность тока меньше там, где поле больше, т. е. внутри слоя. Первоначально возникшая неоднородность не рассасывается, а, напротив, нарастает. Растёт и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В конце концов образуется электрич. домен, распределение поля и плотности заряда в к-ром изображены на рис. 4. Поле вне установившегося домена меньше порогового E₁, благодаря чему новые домены не возникают.

Так как домен образован носителями тока - "свободными" электронами проводимости, то он движется в направлении их дрейфа со скоростью v, близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен возникает не внутри образца, а у катода. Дойдя до анода, домен исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на всей остальной части образца соответственно растёт. Одновременно возрастает ток в образце, т. к. увеличивается поле вне домена; по мере приближения этого поля к пороговому полю E₁ плотность тока приближается к максимальной j_max (рис. 1). Когда поле вне домена превышает Е₁, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота v колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: v = v/l. В этом проявляется существенное отличие Г. э. от генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтампер-ной характеристикой, напр, в цепи с туннельным диодом, где генерация не связана с образованием и движением доменов и частота колебаний определяется ёмкостью и индуктивностью цепи.

В GaAs с электронной проводимостью при комнатной темп-ре E₁~3*10³ в/см, скорость доменов v ~ 10⁷ см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50- 300 мкм, так что частота генерируемых колебаний v = 0,3-2 Ггц. Размер домена ~ 10-20 мкм. Г. э. наблюдался, помимо GaAs и InP, и в др. электронных полупроводниках: Ge, CdTe, ZnSe, InSb, а также в Ge с дырочной проводимостью. Г. э. пользуются для создания генераторов и усилителей диапазона сверхвысоких частот (см. Генерирование электрических колебаний).

Лит.: "Solid State Communications", 1963, v. 1, № 4, p. 88-91; Ганн Д ж., Эффект Ганна, "Успехи физических наук", 1966, т. 89. в. 1, с. 147; Волков А. Ф., Коган Ш. М., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, там же, 1968, т. 96, в. 4, с. 633; Левинштейн М. Е., Эффект Ганна, "Зарубежная радиоэлектроника", 1968, № 10, с. 64; Левинштейн М. Е., Ш у р М. С., Приборы на основе эффекта Ганна, там же, 1970. в. 9, с. 58. А. Ф. Волков, Ш. М. Коган.