Явище генерації високочастотних коливань електричного струму j в напівпровіднику, у якого об'ємна вольтамперная характеристика має N-подібний вид (рис. 1). Ефект був виявлений вперше американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 році в двох напівпровідниках з електронною провідністю: арсеніді галію (GaAs) і фосфід індію (InP).
Генерація відбувається тоді, коли постійна напруга V, прикладена до напівпровідникового зразком довжиною l, таке, що електричне поле Е в зразку, рівне Е = V / l, укладено в деяких межах обмежують падаючу ділянку вольтамперної характеристики j (E), на якому диференціальне опір негативно. Коливання струму мають вигляд серії імпульсів (рис. 2). Частота їх повторення обернено пропорційна довжині зразка l.
Ефект Ганна пов'язаний з тим, що в зразку періодично виникає, переміщається по ньому і зникає область сильного електричного поля, яку називають електричним доменом. Домен виникає тому, що однорідний розподіл електричного поля при негативному диференціальному опорі нестійкий.
Нехай в напівпровіднику випадково виникло неоднорідний розподіл концентрації електронів у вигляді дипольного шару - в одній області концентрація електронів збільшилася, а в іншій - зменшилася (рис. 3). Між цими зарядженими областями виникає додаткове поле (як між обкладинками зарядженого конденсатора). Якщо воно додається до зовнішнього поля Е і диференціальне опір зразка позитивно, т. Е. Струм зростає з ростом поля E, то і струм всередині шару більше, ніж поза ним (Dj> 0). Тому електрони з області з підвищеною щільністю випливають в більшій кількості, ніж втікають в неї, в результаті чого виникла неоднорідність розсмоктується. Якщо ж диференціальне опір негативно (струм зменшується з ростом поля), то щільність струму менше там, де поле більше, т. Е. Усередині шару. Спочатку виникла неоднорідність розсмоктується, а, навпаки, наростає. Зростає і падіння напруги на дипольному шарі, а поза ним падає (т. К. Повне напруга на зразку задано). Зрештою утворюється електричний домен, розподіл поля і щільності заряду в якому зображені на рис. 4. Поле поза усталеного домену менше порогового E1, завдяки чому нові домени не виникають.
Так як домен утворений носіями струму - "вільними" електронами провідності, то він рухається в напрямку їх дрейфу зі швидкістю v, близькою до дрейфовой швидкості носіїв поза домену. Зазвичай домен виникає не всередині зразка, а у катода. Дійшовши до анода, домен зникає. У міру його зникнення падіння напруги на домені зменшується, а на всій іншій частині зразка відповідно зростає. Одночасно зростає струм у зразку, т. К. Збільшується поле поза домену; в міру наближення цього поля до пороговому полю E1 щільність струму наближається до максимальної jmaкc (рис. 1). Коли поле поза домену перевищує E1, у катода починає формуватися новий домен, ток падає і процес повторюється. Частота n коливань струму дорівнює зворотній величині часу проходження домену через зразок: n = v / l. У цьому виявляється істотна відмінність ефекту Ганна від генерації коливань в ін. Приладах з N-образної вольтамперной характеристикою, наприклад в ланцюзі з тунельним діодом, де генерація не пов'язана з утворенням і рухом доменів і частота коливань визначається ємністю і індуктивністю ланцюга.
В GaAs з електронною провідністю при кімнатній температурі E1
в / см, швидкість доменів v "см / сек. Зазвичай використовують зразки довжиною l = 50-300 мкм, так що частота генеруючих коливань n = 0,3-2 Ггц. Розмір домену
10-20 мкм. Г. е. спостерігався, крім GaAs і InP, і в ін. електронних напівпровідниках: Ge, CdTe, ZnSe, InSb, а також в Ge з доречнийпровідністю.
Мал. 1. N-образні вольтамперная характеристика, Е - електричне поле, створюване прикладеною різницею потенціалів V, j - щільність струму.
Мал. 2. Форма коливань струму в разі ефекту Ганна.
Мал. 3. Розвиток електричного домена. Електрони рухаються зліва направо, проти поля Е.
Мал. 4. Розподіл електричного поля Е (суцільна крива) і об'ємного заряду r (пунктир) в електричному домені.
Зовнішнє прояв ефекту полягає в генерації періодичних коливань струму в деяких кристалах (арсенід галію, фосфід індію та ін.) При перевищенні напруженість електричного поля в кристалі деякого критичного значення. Період виникають коливань визначається часом прольоту електронів від катода до анода. Ефект був відкритий Дж. Ганном. У 1965р. з'явилися перші генератори на основі діода Ганна.
Ефект Ганна - це об'ємний ефект, генерація коливань струму відбувається по всьому об'єму кристала, а не у вузькій області p-п переходу. Тому можливе досягнення вельми великих потужностей НВЧ - коливань при досить мініатюрних розмірах СВЧ - генераторів (робочі частоти генераторів Ганна). Зараз створені генератори Ганна, що забезпечують потужність до декількох кіловат в імпульсному режимі і декількох ват в безперервному режимі.
Фізичні механізм ефекту Ганна може бути пояснений на основі зонної теорії твердого тіла. Величина критичної напруженості електричного поля залежить від магнітного поля; в деяких випадках зміна величини ефекту або повне припинення генерації НВЧ - коливань може бути викликано власним магнітним полем струму, що протікає через прилад.
На основі цього ефекту розроблений ряд вельми корисних приладів. Це paзлічного роду генератори і підсилювачі НВЧ випромінювань, стабілізатори струму, швидкодіючі логічні схеми. Був розроблений, наприклад, об'ємний нейрістор-прилад, що моделює поведінку нервового волокна.
Повернутися в зміст: Фізичні явища