Gann-efekti

Gunn -ilmiö on virran värähtelyilmiö (~ 10 9 -10 10 Hz) homogeenisessa monilaaksoisessa puolijohteessa, kun siihen kohdistetaan voimakas sähkökenttä. John Gunn havaitsi tämän vaikutuksen ensimmäisen kerran vuonna 1963 galliumarsenidissa , sitten virran värähtelyilmiö havaittiin indiumfosfidissa , galliumfosfidissa ja useissa muissa puolijohdeyhdisteissä .

Ilmiön fysiikka

Gunn-ilmiö voi esiintyä puolijohteessa, jossa Brillouinin vyöhykkeellä on enemmän kuin yksi energiaminimi, ja se löytyi Ridley-Watkins-Hilsumin teorian puitteissa . Kuvassa on pääminimi, joka määrittää kaistavälin, ja sivuminimi, joka on siirretty lopullisella aaltovektorilla kaistan nollasta ja jonka etäisyys valenssikaistan yläosaan on suurempi kuin pääminimi, esim. GaAs , InAs . Puolijohteissa, joiden johtavuuskaistalla on enemmän kuin yksi energiaminimi, elektroni, jonka aaltovektori vastaa yhtä minimiä, voi sironnan yhteydessä olla tilassa, jossa aaltovektori kuuluu toiseen minimiin. Tällaisen sironnan seurauksena tapahtuu elektronien siirtoa johtavuuskaistan yhdestä minimistä toiseen. Tämän tyyppistä sirontaa kutsutaan intervalleiksi. ${\vec {k}),$ ${\vec {k'}},$

Tarkastellaan n-tyypin GaA:iden energiarakennetta [100]-suunnassa. Siirtymät minimistä A tilalla minimiin B tilalla ovat mahdollisia . Minimi A ja B erotetaan energiavälillä {{{1}}} . Lähellä minimiä dispersiolaki voidaan esittää parabolisena, jolla on erilainen kaarevuus laaksoissa A ja B. Siten myös niissä olevien elektronien efektiiviset massat ovat erilaisia ja vastaavasti samat. Kevyiden elektronien liikkuvuus on suurempi kuin raskaiden elektronien , ja ylälaakson tilojen tiheys on noin 70 kertaa suurempi kuin alemmassa. $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $m_{{1}}^{{*}}=0,068 m_{0}$ $m_{{2}}^{{*}}=1,2 m_{0}$ $\mu _{{A}}\noin 4000\div 8000\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}$ $\mu _{{B}}\noin 100\div 200\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}.$

Alhaisissa ulkoisissa kentissä elektronit ovat termodynaamisessa tasapainossa hilan kanssa, ja koska tavallisissa lämpötiloissa elektronit pääsääntöisesti miehittävät energiatiloja, jotka ovat lähellä minimiä A. Virran tiheys $k_{B}T<<\DeltaE,$

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

määräytyy valoelektronien pitoisuuden ja niiden liikkuvuuden perusteella. Tässä tapauksessa elektronipitoisuus Virran tiheys kasvaa lineaarisesti kentänvoimakkuuden kasvaessa tiettyyn kriittiseen arvoon $n_{0}=n_{A},$ $n_{B}=0.$ ${\vec {E}}_{a}.$

Elektronien keskimääräisen energian ja nopeuden kasvaessa ja klo , tulee mahdolliseksi elektronien siirtyminen laaksoon B. Silloin elektronien kokonaispitoisuus on A ampeeriominaiskäyrälle ilmestyy putoava osa. Lisäkasvun myötä ( ) kaikki elektronit menevät minimiin B, ja lineaarinen IV-V-ominaisuus muodostuu jälleen . ${\vec {E}}$ $E>\Delta E$ $n_{0}=n_{A}+n_{B}.$ ${\vec {E}}_{a}$ ${\vec {E}}_{b}$ ${\vec {j}),$ ${\vec {E}}$ ${\vec {E}}>{\vec {E}}_{b}$ $n_{0}=n_{B},\,n_{A}=0.$

Gannin kokemus

Tarkastellaan näytettä, jonka pituus on L , johon on kytketty ulkoinen jännite. Homogeenisessa puolijohteessa sähkökenttä on suunnilleen sama näytteen koko pituudella. Mutta jos näytteellä on paikallinen epähomogeenisuus lisääntyneellä resistanssilla, kentänvoimakkuus tässä näytteen paikassa on suurempi, joten ulkoisen kentänvoimakkuuden kasvaessa kriittinen arvo syntyy ensisijaisesti tässä osassa. Tämä tarkoittaa raskaiden elektronien kerääntymistä tälle alueelle (eikä koko kiteelle) ja niiden liikkuvuuden vähenemistä ja siten vastuksen lisääntymistä tällä alueella. Tuloksena olevaa vyöhykettä, jossa on paljon raskaita elektroneja, kutsutaan sähköalueeksi. ${\vec {E}}_{A}$

Sovelletun kentän vaikutuksesta alue alkaa liikkua näytettä pitkin nopeudella V ~ 10 6 m/s . Elektronialueen vasemmalla ja oikealla puolella kevyet elektronit liikkuvat suuremmalla nopeudella kuin raskaat. Vasemmalla ne ohittavat domeenin ja muodostavat lisääntyneen elektronipitoisuuden alueen (negatiivinen varausalue), ja oikealla kevyet elektronit liikkuvat eteenpäin muodostaen elektroniköyhän alueen (positiivisen varausalueen). Vakiojännitteellä saadaan aikaan dynaaminen tasapaino alueen sisällä ja ulkopuolella olevien elektronien nopeuksien välille. Kun alue saavuttaa näytteen (anodin) lopun, domeeni tuhoutuu, virta kasvaa, uusi alue muodostuu ja prosessi toistetaan uudelleen.

Vaikka kiteessä voi olla useita epähomogeenisuuksia, on aina vain yksi alue. Koska sähköalueen katoamisen jälkeen voi syntyä uusi domeeni toisessa epähomogeenisuudessa, tarvitaan erittäin puhtaita ja yhtenäisiä näytteitä Gunn-ilmiön tarkkailemiseen ja käyttämiseen.

Gunn-ilmiön ilmeinen sovellusalue on Gunn-diodeiksi kutsuttujen mikroaaltooskillaattorien valmistus. Jos näytteen pituus on 100 µm ja alueen nopeus on cm/s, värähtelytaajuus on suuruusluokkaa: ${\vec {V}}=10^{7}$

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

Hz = 1 GHz.

Gunn diodi

Gunn - diodi on puolijohdediodi , jota käytetään generoimaan ja muuttamaan värähtelyjä mikroaaltoalueella. Toisin kuin muuntyyppisissä diodeissa, Gunn-diodin toimintaperiaate ei perustu pn-liitosten ominaisuuksiin , vaan puolijohteen sisäisiin bulkkiominaisuuksiin.

Kirjallisuus

Shalimova K.V. Puolijohteiden fysiikka. - Moskova: "Energoatomizdat", 1985. - 392 s.
Gorbatšov V.V., Spitsyna L.G. Puolijohteiden ja metallien fysiikka. - "Metallurgia", 1982. - 336 s.
Peter Y., Cardona M. Puolijohdefysiikan perusteet. - Fizmatlit, 2002. - ISBN 5-9221-0268-0 .
Epifanov GI Mikroelektroniikan fyysiset perusteet . - M . : Neuvostoliiton radio, 1971. - S. 230 - 238. - 376 s. — 30 700 kappaletta.