Ганна эффект

        явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока j в полупроводнике, у которого объемная Вольтамперная характеристика имеет N-образный вид (рис. 1). Эффект был обнаружен впервые американским 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 электрическое поле Е в образце, равное Е = V/l, заключено в некоторых пределах Е₁ ≤ E (E ₂. E₁ и E₂ ограничивают падающий участок вольтамперной характеристики j (E), на котором дифференциальное сопротивление отрицательно. Колебания тока имеют вид серии импульсов (рис. 2). Частота их повторения обратно пропорциональна длине образца l.

         Г. э. связан с тем, что в образце периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрического поля, которую называют электрическим доменом. Домен возникает потому, что однородное распределение электрического 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 ΔE (как между обкладками заряженного конденсатора). Если оно добавляется к внешнему полю Е и дифференциальное сопротивление образца положительно, т. е. ток растет с ростом поля E, то и ток внутри слоя больше, чем вне его (Δj > 0). 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. Растет и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В конце концов образуется электрический домен, распределение поля и плотности заряда в котором 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 растет. 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_maкc (рис. 1). Когда поле вне домена превышает E₁, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота ν колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: ν = v/l. В этом проявляется существенное отличие Г. э. от генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтамперной характеристикой, например в цепи с туннельным диодом (См. Туннельный диод), где генерация не связана с образованием и движением доменов и частота колебаний определяется ёмкостью и индуктивностью цепи.

         В GaAs с электронной проводимостью при комнатной температуре E₁Ганна эффект3·10³ в/см, скорость доменов v ≈ 10⁷ см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний ν = 0,3—2 Ггц. Размер домена Ганна эффект 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: Гани Дж., 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., Шур М. С., Приборы на основе эффекта Ганна, там же, 1970, в. 9, с. 58.

         А. Ф. Волков, Ш. М. Коган.

        

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

        

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

        

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

        

        Рис. 4. Распределение электрического поля Е (сплошная кривая) и объёмного заряда ρ (пунктир) в электрическом домене.