Большая Советская энциклопедия (ГА)

Га'нна эффе'кт, 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 E ₂ 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 DE (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 (Dj > 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 n колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: n = 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 , 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 E₁ ~3·10³ в/см, скорость доменов v » 10⁷ см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний n = 0,3—2 Ггц. Размер домена ~ 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. 3. Развитие электрического домена. Электроны движутся слева направо, против поля Е.

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

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

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