Реферат: Ефект Ганна

Розглянемо докладніше механізм такої нестійкості. Нехай до зразка довжиною L прикладена зовнішня напруга. В однорідному напівпровіднику електричне поле приблизно однаково по всій довжині зразка. Але якщо в зразку є локальна неоднорідність із підвищеним опором, то напруженість електричного поля в цьому місці зразка буде трохи вищим. Отже, критичне значення величини ε_кр =ε_а при підвищенні напруженості поля виникне в першу чергу у цьому перетині зразка.

Як тільки напруженість поля в області локальної неоднорідності досягне критичного значення ε_а , має місце перехід електронів у верхню долину Б і у цій області зразка з підвищеною напруженістю поля з'являться важкі електрони. Рухливість електронів у цій частині зразка зменшується і опір її зростає. Це приводить до зростання напруженості поля у цьому місці зразка, що у свою чергу викликає більше інтенсивний перехід електронів у верхню долину. Але так як напруга, прикладена до зразка, не змінюється, то напруженість поля праворуч і ліворуч від цієї області зразка буде спадати. У результаті розподіл електричного поля стане різко неоднорідним і утвориться область сильного електричного поля, що зветься електричним доменом (рис. 3.4, а).

Область важких електронів під дією електричного поля буде переміщюватися уздовж зразка з відносно низькою швидкістю, обумовленою низькою рухливістю важких електронів. Праворуч і ліворуч від зони важких електронів будуть рухатися з великою швидкістю легкі електрони. Ліворуч вони будуть наздоганяти цю зону, і в результаті утвориться область підвищеної концентрації електронів – область негативного об'ємного заряду. Праворуч від цієї зони легкі електрони будуть іти вперед, тому утвориться область, збіднена електронами,— область позитивного об'ємного заряду. Отже, у межах області сильного електричного поля на кривій розподілу концентрації електронів є збіднена ділянка з n <n ₀ , що відповідає передньому фронту домена, і збагачена ділянка з n >n ₀ , що відповідає задньому фронту домена (рис. 3.4, б).

Оскільки усередині домена напруженість поля сильно зросла, зростає в ньому й швидкість руху електронів. Поза доменом напруженість поля різко зменшується, тому швидкість руху електронів падає. Через деякий проміжок часу встановиться стаціонарний стан, при якому швидкість руху домена v ₀ буде дорівнювати дрейфовій швидкості електронів поза доменом v _в , тобто

v _в = v _д ,

або

µ₂ ε_д = µ₁ ε_в ,

тобто стаціонарному стані буде відповідати напруженість поля ε_д у домені й ε_у поза доменом. При цьому стала швидкість руху домена v _д буде менше максимальної швидкості руху електронів, що вони мають при ε_а. Тому у момент підключення до зразка напруги (через t =t ₀ ) струм буде мати максимальне значення I_макс , обумовлене v _макс . Відразу ж почнеться процес утворення домена, і оскільки цей процес короткочасний, так як постійна часу, пов'язана з міждолиним переходом, порядку 10^-12 с , струм дуже швидко спадає до значення I _мін :

I _мін = sen ₀ v_д ,

де s - площа перетину зразка.

Мінімальне значення струму зберігається протягом усього часу руху домена уздовж зразка t ₂ -t ₁ (рис. 3.5). Встановлено, цей час визначається довжиною зразка й швидкістю руху домена:

T = L / v_д .

По досягненні аноду область сильного поля виходить із зразка й струм починає зростати. Як тільки струм у зразку досягне значення I ₀ , відбувається утворення нового домена й струм спадає до I _min .

У результаті руху домена по кристалу у зовнішньому колі з'являється імпульс струму. Шпаруватість імпульсів струму визначається часом Т проходження домена. При довжині зразка у 50 мкм частота коливань струму повинна становити близько 2 ГГц .

Зразковий вид цих коливань показаний на рис. 3.6. Незважаючи на те що у кристалі можуть бути неоднорідності, на яких можуть формуватися домени, однак у кристалі існує тільки один домен. Інакше кажучи, виникнення домена відбувається тільки на одній із неоднорідностей.

Після зникнення домена новий може виникнути на іншій неоднорідності. Різне розташування неоднорідностей у кристалі визначає різні пролітні часи доменів, тобто різний період коливань. Тому для спостереження ефекту Ганна необхідні чисті й дуже однорідні зразки. У пластинкових зразках домени зароджуються в області підвищеного поля поблизу катода, обумовленою неоднорідністю рівня легування, що виникає у процесі виготовлення електродів. Важливо також, щоб відстань між мінімумами А и Б зони провідності не було досить велике, тому що для переходу електрона у другу долину буде потрібно поле великої напруженості, при якому можливе збільшення концентрації електронів за рахунок ударної іонізації або тунельного ефекту.

4. Діод Ганна , генератори Ганна

Напівпровідниковий прилад, з негативним опором на НВЧ, заснований так ефекті Ганна, який здатен генерувати НВЧ-коливання - діод Ганна .

Ефект Ганна був відкритий у 1963 р американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) у кристалі арсениду галію з електронною провідністю з прикладеним полем Е ~ (2..3) кВ /см .

Ефект Ганна полягає у тому, що при досить великій напрузі, прикладеній до напівпровідника, у цьому напівпровіднику виникають НВЧ-коливання. Цей ефект був ретельно досліджений, з'ясовані фізичні процеси, що відбуваються у напівпровідниках при високій напруженості діючого у них електричного поля, і розроблені, отримавши вже достатньо широке розповсюдження, прилади для генерування коливань на НВЧ.

У тому ж році Б. К. Рідлі висловив ідею про те, що доменна нестійкість повинна з'являтися у напівпровідниковому зразку, якщо на його вольт-амперній характеристиці є ділянка з негативною диференційою провідністю N -типу. Такий вид вольт-амперна характеристика буде мати, якщо при збільшенні напруженості поля швидкість носіїв або їхня концентрація зменшуються. Б. К. Рідлі, Т. Б. Уоткінс і С. Хілсум показали, що в арсениді галію і фосфіді індію n -типу швидкість електронів повинна зменшуватися з ростом напруженості електричного поля, коли вона перевищить деяке граничне значення, достатнє для того, щоб обумовити міждолінний перехід електронів з нижньої долини, де їхня рухливість велика, у більше високолежачі долини зони провідності, у яких рухливість електронів різко знижується. У 1964 р. Н. Кремер указав, що всі основні закономірності ефекту Ганна можуть бути пояснені на основі механізму Рідлі – Уоткінса – Кволийсума.

Діод Ганна являє собою напівпровідниковий кристал без п- р- переходу (рис. 4.1), у якому створене сильне постійне електричне поле. Для включення діод має два електроди: анод і катод. Повинен застосовуватися напівпровідник із двома зонами провідності, наприклад арсенід галію. Дослідження подібних напівпровідників показало, що у цих двох зонах провідності електрони мають різну рухливість. У зоні, розташованої вище, тобто відповідної більше високим рівням енергії, рухливість електронів менше.

Рис. 4.1 Діоди Ганна

Рис. 4.2

Вольт-амперна характеристика діоду Ганна (N - подібна)

При відсутності зовнішнього поля або при порівняно слабкому полі електрони перебувають у нижній зоні провідності, де вони мають більше високу рухливість, і тому напівпровідник має порівняно високу провідність. Якщо збільшувати напругу, прикладена до напівпровідника, то спочатку струм зростає відповідно до закону Ома, але при деякій напрузі, коли напруженість поля стає досить високою, більша частина електронів переходить у верхню зону провідності і внаслідок зменшення їхньої рухливості у цій зоні опір напівпровідника різко збільшується. Струм зменшується, і на вольт-амперній характеристиці виникає падаюча ділянка, що відповідає негативному диференційному опору (рис. 4.2). Подальше збільшення прикладеної напруги знову викликає приблизно пропорційне зростання струму.

Внаслідок неминучих неоднорідностей у матеріалі напівпровідника опір під дією сильного поля підвищується у цей момент часу не у всьому напівпровіднику, а лише в якомусь одному місці. Область такого підвищеного опору й більше сильного поля називають доменом (рис. 4.3). Домен звичайно утворюється біля катода (мінус) і не залишається на одному місці, а рухається з великою швидкістю до анода (плюс).У самому домені швидкість електронів менше, ніж на інших ділянках і густина об'ємного заряду збільшено, тобто домен являє собою своєрідний згусток. У ньому зосереджене більше сильне поле, а в іншій частині напівпровідника поле більше слабке й швидкість електронів вище. Тому праворуч від домена електрони швидше йдуть до анода й виникає область, збіднена електронами. А ліворуч від домена, навпаки, до нього швидше приходять нові електрони. Цей процес обумовлює

Рис. 4.3

Домен у діоді Ганна

переміщення домена від катода до аноду.

Дійшовши до анода, домен зникає, але новий домен знову виникає біля катода, рухається до анода й т.д. Зникнення доменів і виникнення нових супроводжується періодичною зміною опору діода Ганна, внаслідок чого з'являються коливання струму діода, частота яких при малій довжині шляху домена (відстань анод - катод) виявляється у діапазоні НВЧ.

Частота цих коливань: f = v _дом / L ,

де v _дом – швидкість домену, яка складає для арсеніду галію приблизно 10⁷ см /с , L – довжина напівпровідника (звичайно одиниці мікрометрів для діодів Ганна). Звідси видно, що, наприклад, при L = 10 мкм частота коливань f = 10⁷ /10^-3 = 10¹⁰ Гц = 10 ГГц .

Важлива особливість діодів Ганна у тім, що на відміну від інших «працює» весь напівпровідник, а не тільки мала частина його – n-р перехід. Тому в діодах Ганна можна допустити більші потужності. У цей час ці діоди вже генерують у безперервному режимі коливання потужністю, що досягає десятків ват, а в імпульсному режимі - одиниць кіловат, при ККД від одиниць до десятків відсотків. За теоретичними розрахунками передбачається, що можна створити діоди Ганна на потужності до сотень кіловатів в імпульсному режимі при частотах у десятки гігагерць.