Gann effekt

Gunn-effekten er fænomenet med strømsvingninger (~ 10 9 -10 10 Hz) i en homogen multi-dal halvleder, når et stærkt elektrisk felt påføres den. Denne effekt blev først observeret af John Gunn i 1963 på galliumarsenid , derefter blev fænomenet strømsvingninger opdaget i indiumphosphid , galliumphosphid og en række andre halvlederforbindelser .

Fænomenets fysik

Gunn-effekten kan forekomme i en halvleder, hvor der er mere end et energiminimum i Brillouin-zonen og fandt en forklaring inden for rammerne af Ridley-Watkins-Hilsum-teorien . Figuren viser hovedminimum, som bestemmer båndgabet, og sideminimum, forskudt af den endelige bølgevektor fra båndets nul, med en større afstand til toppen af valensbåndet end hovedminimum, som f.eks. GaAs , InAs . I halvledere, hvis ledningsbånd har mere end et energiminimum, kan en elektron med en bølgevektor svarende til et af minima ved spredning være i en tilstand med en bølgevektor, der hører til et andet minimum. Som et resultat af en sådan spredning vil der være en overførsel af elektroner fra et minimum af ledningsbåndet til et andet. Denne form for spredning kaldes intervalley. ${\vec {k}),$ ${\vec {k'}},$

Lad os overveje energistrukturen af n-type GaAs i retningen [100]. Overgange fra minimum A med tilstand til minimum B med tilstand er mulige . Minima A og B er adskilt af et energiinterval {{{1}}} . Nær minimaet kan spredningsloven repræsenteres som en parabolsk med forskellig krumning for dalene A og B. Derfor er de effektive elektronmasser i dem også forskellige og ens . Mobiliteten af lette elektroner er højere end mobiliteten af tunge elektroner.Tætheden af tilstande i den øvre dal er cirka 70 gange højere end i den nedre. $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $m_{{1}}^{{*}}=0,068m_{0}$ $m_{{2}}^{{*}}=1,2m_{0}$ $\mu _{{A}}\approx 4000\div 8000\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}$ $\mu _{{B}}\ca. 100\div 200\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}.$

Ved lave ydre felter er elektroner i termodynamisk ligevægt med gitteret, og da elektroner ved almindelige temperaturer hovedsageligt optager energitilstande nær minimum A. Strømtætheden $k_{B}T<<\DeltaE,$

{\vec {j}}=da_{A}\mu _{{A}}{\vec {E}}

bestemt af koncentrationen af lyselektroner og deres mobilitet. I dette tilfælde vil elektronkoncentrationen Strømtætheden stige lineært med stigende feltstyrke op til en vis kritisk værdi $n_{0}=n_{A},$ $n_{B}=0.$ ${\vec {E}}_{a}.$

Efterhånden som elektronernes gennemsnitlige energi og hastighed stiger, og ved , bliver overgangen af elektroner til dal B. Så vil den samlede elektronkoncentration være Et faldende snit vil fremkomme på amperekarakteristikken. Med yderligere vækst ( ), vil alle elektroner gå til minimum B, og en lineær I–V karakteristik vil igen blive etableret . ${\vec {E}}$ $E>\Delta E$ $n_{0}=n_{A}+n_{B}.$ ${\vec {E}}_{a}$ ${\vec {E}}_{b}$ ${\vec {j}),$ ${\vec {E}}$ ${\vec {E}}>{\vec {E}}_{b}$ $n_{0}=n_{B},\,n_{A}=0.$

Ganns oplevelse

Overvej en prøve med længden L , hvortil der påføres en ekstern spænding. I en homogen halvleder er det elektriske felt omtrent det samme langs hele prøvens længde. Men hvis prøven har en lokal inhomogenitet med øget modstand, så vil feltstyrken på dette sted af prøven være højere, derfor med en stigning i den eksterne feltstyrke vil den kritiske værdi primært opstå i dette afsnit. Dette betyder akkumulering i denne region (og ikke i hele krystallen) af tunge elektroner og et fald i deres mobilitet og dermed en stigning i modstand i denne region. Den resulterende zone med et højt indhold af tunge elektroner kaldes det elektriske domæne. ${\vec {E}}_{A}$

Under påvirkning af det anvendte felt begynder domænet at bevæge sig langs prøven med en hastighed på V ~ 106 m/s . Til venstre og til højre for elektrondomænet vil lette elektroner bevæge sig med en højere hastighed end tunge. Til venstre vil de overhale domænet og danne et område med øget elektronkoncentration (negativ ladningsregion), og til højre vil lette elektroner bevæge sig fremad og danne et elektronfattigt område (region med positiv ladning). Ved en konstant spænding vil der blive etableret en dynamisk ligevægt mellem elektronernes hastigheder inden for og uden for domænet. Når domænet når slutningen af prøven (anode), ødelægges domænet, strømmen øges, et nyt domæne dannes, og processen gentages igen.

Selvom der kan være flere inhomogeniteter i en krystal, er der altid kun ét domæne. Da et nyt domæne efter forsvinden af det elektriske domæne kan opstå ved en anden inhomogenitet, er meget rene og ensartede prøver nødvendige for at observere og bruge Gunn-effekten.

Et oplagt anvendelsesområde for Gunn-effekten er fremstillingen af mikrobølgeoscillatorer kaldet Gunn-dioder. Hvis prøvelængden er 100 µm og domænehastigheden er cm/s, så er oscillationsfrekvensen af størrelsesordenen: ${\vec {V}}=10^{7}$

\nu ={1 \over T}={V \over L}={\frac {10^{7}\,{\mathrm {cm/s}}}{10^{{-2}}\,{ \mathrm {cm}}}}=10^{{9}}

Hz = 1 GHz.

Gunn diode

Gunn diode er en type halvlederdiode, der bruges til at generere og konvertere svingninger i mikrobølgeområdet. I modsætning til andre typer dioder er princippet om Gunn-dioden ikke baseret på egenskaberne af pn-forbindelser , men på halvlederens iboende bulk-egenskaber.

Litteratur

Shalimova K.V. Fysik af halvledere. - Moskva: "Energoatomizdat", 1985. - 392 s.
Gorbatjov V.V., Spitsyna L.G. Fysik af halvledere og metaller. - "Metallurgi", 1982. - 336 s.
Peter Y., Cardona M. Fundamentals of semiconductor physics. - Fizmatlit, 2002. - ISBN 5-9221-0268-0 .
Epifanov GI Fysisk grundlag for mikroelektronik . - M . : Sovjetisk radio, 1971. - S. 230 - 238. - 376 s. — 30.700 eksemplarer.