Gannův efekt

Gunnův jev je jev proudových oscilací (~ 10 9 -10 10 Hz) v homogenním vícevalovém polovodiči, když je na něj aplikováno silné elektrické pole. Tento efekt poprvé pozoroval John Gunn v roce 1963 na arsenidu galia , poté byl fenomén proudových oscilací objeven ve fosfidu india , fosfidu galia a řadě dalších polovodičových sloučenin.

Fyzika jevu

Gunnův efekt může nastat v polovodiči, ve kterém je více než jedno energetické minimum v Brillouinově zóně a našel vysvětlení v rámci Ridley-Watkins-Hilsumovy teorie . Obrázek ukazuje hlavní minimum, které určuje zakázaný pás, a boční minimum, posunuté o konečný vlnový vektor od nuly pásma, mající větší vzdálenost k vrcholu valenčního pásma než hlavní minimum, jako např. GaAs , InAs . U polovodičů, jejichž vodivostní pásmo má více než jedno energetické minimum, může být elektron s vlnovým vektorem odpovídajícím jednomu z minim při rozptylu ve stavu s vlnovým vektorem náležejícím jinému minimu. V důsledku takového rozptylu dojde k přenosu elektronů z jednoho minima vodivostního pásma do druhého. Tento typ rozptylu se nazývá intervalley. ${\vec {k}),$ ${\vec {k'}},$

Uvažujme energetickou strukturu n-typu GaAs ve směru [100]. Přechody z minima A se stavem do minima B se stavem jsou možné . Minima A a B jsou oddělena energetickým intervalem {{{1}}} . V blízkosti minim může být disperzní zákon reprezentován jako parabolický s různým zakřivením pro údolí A a B. Efektivní hmotnosti elektronů v nich jsou tedy také různé a stejné . Pohyblivost lehkých elektronů je vyšší než pohyblivost těžkých elektronů Hustota stavů v horním údolí je přibližně 70x vyšší než v dolním. $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $m_{{1}}^{{*}}=0,068 m_{0}$ $m_{{2}}^{{*}}=1,2 m_{0}$ $\mu _{{A}}\cca 4000\div 8000\,{{\mathrm {cm}}^{2} \přes {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}$ $\mu _{{B}}\cca 100\div 200\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}.$

Při nízkých vnějších polích jsou elektrony v termodynamické rovnováze s mřížkou, a protože za běžných teplot zaujímají elektrony převážně energetické stavy blízké minimu A. Proudová hustota $k_{B}T<<\DeltaE,$

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

určuje koncentrace světelných elektronů a jejich pohyblivost. V tomto případě koncentrace elektronů Proudová hustota se bude lineárně zvyšovat s rostoucí intenzitou pole až do určité kritické hodnoty $n_{0}=n_{A},$ $n_{B}=0.$ ${\vec {E}}_{a}.$

Jak se zvyšuje průměrná energie a rychlost elektronů a při , je možný přechod elektronů do údolí B. Potom bude celková koncentrace elektronů A na ampérové charakteristice se objeví klesající úsek. S dalším růstem ( ) půjdou všechny elektrony do minima B a opět se vytvoří lineární I–V charakteristika . ${\vec {E}}$ $E>\Delta E$ $n_{0}=n_{A}+n_{B}.$ ${\vec {E}}_{a}$ ${\vec {E}}_{b}$ ${\vec {j}),$ ${\vec {E}}$ ${\vec {E}}>{\vec {E}}_{b}$ $n_{0}=n_{B},\,n_{A}=0.$

Gannova zkušenost

Uvažujme vzorek délky L , na který je přivedeno vnější napětí. V homogenním polovodiči je elektrické pole po celé délce vzorku přibližně stejné. Pokud má ale vzorek lokální nehomogenitu se zvýšeným odporem, pak bude intenzita pole v tomto místě vzorku vyšší, proto se zvýšením vnější intenzity pole vznikne kritická hodnota především v tomto úseku. To znamená akumulaci těžkých elektronů v této oblasti (a ne v celém krystalu) a snížení jejich pohyblivosti, a tím i zvýšení odporu v této oblasti. Vzniklá zóna s vysokým obsahem těžkých elektronů se nazývá elektrická doména. ${\vec {E}}_{A}$

Při působení aplikovaného pole se doména začne pohybovat podél vzorku rychlostí V ~ 10 6 m/s . Nalevo a napravo od elektronové domény se lehké elektrony budou pohybovat vyšší rychlostí než těžké. Nalevo předběhnou doménu a vytvoří oblast se zvýšenou koncentrací elektronů (oblast se záporným nábojem) a napravo se lehké elektrony posouvají dopředu a vytvoří oblast chudou na elektrony (oblast s kladným nábojem). Při konstantním napětí se ustaví dynamická rovnováha mezi rychlostmi elektronů uvnitř a vně domény. Když doména dosáhne konce vzorku (anody), doména se zničí, proud se zvýší, vytvoří se nová doména a proces se znovu opakuje.

Přestože v krystalu může být několik nehomogenit, vždy existuje pouze jedna doména. Protože po zániku elektrické domény může vzniknout nová doména s jinou nehomogenitou, jsou k pozorování a využití Gunnova efektu potřeba velmi čisté a jednotné vzorky.

Zřejmou oblastí použití pro Gunnův efekt je výroba mikrovlnných oscilátorů nazývaných Gunnovy diody. Pokud je délka vzorku 100 µm a rychlost domény je cm/s, pak frekvence oscilace je řádově: ${\vec {V}}=10^{7}$

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

Hz = 1 GHz.

Gunnova dioda

Gunnova dioda je typ polovodičové diody používané ke generování a převádění oscilací v mikrovlnném rozsahu. Na rozdíl od jiných typů diod není princip činnosti Gunnovy diody založen na vlastnostech pn přechodů , ale na vnitřních objemových vlastnostech polovodiče.

Literatura

Shalimová K.V. Fyzika polovodičů. - Moskva: "Energoatomizdat", 1985. - 392 s.
Gorbačov V.V., Spitsyna L.G. Fyzika polovodičů a kovů. - "Hutnictví", 1982. - 336 s.
Peter Y., Cardona M. Základy fyziky polovodičů. - Fizmatlit, 2002. - ISBN 5-9221-0268-0 .
Epifanov GI Fyzikální základy mikroelektroniky . - M . : Sovětský rozhlas, 1971. - S. 230 - 238. - 376 s. — 30 700 výtisků.