Gann-effektus

A Gunn-effektus az áramingadozás (~ 10 9 -10 10 Hz) jelensége egy homogén többvölgyes félvezetőben, amikor erős elektromos mezőt fejtenek ki rá. Ezt a hatást először John Gunn figyelte meg 1963 -ban gallium- arzeniden , majd az áramingadozás jelenségét fedezték fel indium-foszfidban , gallium-foszfidban és számos más félvezető vegyületben.

A jelenség fizikája

A Gunn-effektus előfordulhat olyan félvezetőben, amelyben a Brillouin zónában egynél több energiaminimumot találtunk, és erre a Ridley-Watkins-Hilsum elmélet keretein belül találtunk magyarázatot . Az ábrán látható a fő minimum, amely meghatározza a sávhézagot, és az oldalminimum, amelyet a végső hullámvektor eltol a sáv nullától, és amelyek távolsága nagyobb a vegyértéksáv tetejétől, mint a fő minimum, mint pl. GaAs , InAs . Azokban a félvezetőkben, amelyek vezetési sávjában egynél több energiaminimum van, az egyik minimumnak megfelelő hullámvektorral rendelkező elektron szóródáskor egy másik minimumhoz tartozó hullámvektor állapotába kerülhet . Az ilyen szóródás eredményeként az elektronok átkerülnek a vezetési sáv egyik minimumából a másikba. Ezt a fajta szórást intervallumnak nevezik. ${\vec {k}),$ ${\vec {k'}},$

Tekintsük az n-típusú GaA-k energiaszerkezetét [100] irányban. Átmenetek az állapotú A minimumról a B állapotú minimumra lehetségesek . Az A és B minimumokat egy {{{1}}} energiaintervallum választja el . A minimumok közelében a diszperziós törvény az A és B völgyekre eltérő görbületű parabolaként ábrázolható. Ebből következően az elektronok effektív tömege bennük is eltérő , illetve egyenlő . A könnyű elektronok mobilitása nagyobb, mint a nehéz elektronoké , az állapotsűrűség a felső völgyben körülbelül 70-szer nagyobb, mint az alsóban. $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $m_{{1}}^{{*}}=0,068 m_{0}$ $m_{{2}}^{{*}}=1,2 m_{0}$ $\mu _{{A}}\approx 4000\div 8000\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}$ $\mu _{{B}}\approx 100\div 200\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}.$

Alacsony külső térben az elektronok termodinamikai egyensúlyban vannak a ráccsal, és mivel normál hőmérsékleten az elektronok főként az A minimum közelében lévő energiaállapotokat foglalják el. Az áramsűrűség $k_{B}T<<\Delta E,$

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

a fényelektronok koncentrációja és mobilitása határozza meg. Ebben az esetben az elektronkoncentráció Az áramsűrűség lineárisan nő a térerősség növekedésével egy bizonyos kritikus értékig $n_{0}=n_{A},$ $n_{B}=0.$ ${\vec {E}}_{a}.$

Az elektronok átlagos energiájának és sebességének növekedésével és -kor lehetővé válik az elektronok átmenete a B völgybe, ekkor a teljes elektronkoncentráció az amperkarakterisztikán megjelenik. További növekedéssel ( ) minden elektron a minimum B értékre megy, és ismét lineáris I-V karakterisztika jön létre . ${\vec {E}}$ $E>\Delta E$ $n_{0}=n_{A}+n_{B}.$ ${\vec {E}}_{a}$ ${\vec {E}}_{b}$ ${\vec {j}),$ ${\vec {E}}$ ${\vec {E}}>{\vec {E}}_{b}$ $n_{0}=n_{B},\,n_{A}=0.$

Gann tapasztalatai

Tekintsünk egy L hosszúságú mintát , amelyre külső feszültséget kapcsolunk. Egy homogén félvezetőben az elektromos tér közel azonos a minta teljes hosszában. De ha a mintában megnövekedett ellenállású lokális inhomogenitás van, akkor a minta ezen a helyén a térerősség nagyobb lesz, ezért a külső térerősség növekedésével a kritikus érték elsősorban ezen a szakaszon fog fellépni. Ez a nehéz elektronok felhalmozódását jelenti ebben a régióban (és nem az egész kristályban), mobilitásuk csökkenését, ezáltal az ellenállás növekedését ebben a régióban. Az így létrejövő, nagy mennyiségű nehéz elektront tartalmazó zónát elektromos tartománynak nevezzük. ${\vec {E}}_{A}$

Az alkalmazott mező hatására a tartomány a minta mentén V ~ 10 6 m/s sebességgel mozogni kezd . Az elektrontartománytól balra és jobbra a könnyű elektronok nagyobb sebességgel mozognak, mint a nehéz elektronok. A bal oldalon megelőzik a tartományt, és megnövekedett elektronkoncentrációjú régiót (negatív töltési régiót) alkotnak, a jobb oldalon pedig a könnyű elektronok haladnak előre, és egy elektronszegény régiót (pozitív töltési régiót) alkotnak. Állandó feszültség mellett dinamikus egyensúly jön létre a tartományon belüli és kívüli elektronok sebessége között. Amikor a tartomány eléri a minta (anód) végét, a tartomány megsemmisül, az áram növekszik, új tartomány jön létre, és a folyamat újra megismétlődik.

Bár egy kristályban több inhomogenitás is lehet, mindig csak egy tartomány van. Mivel az elektromos tartomány eltűnése után egy újabb inhomogenitásnál új tartomány keletkezhet, nagyon tiszta és egységes mintákra van szükség a Gunn-effektus megfigyeléséhez és használatához.

A Gunn-effektus nyilvánvaló alkalmazási területe a Gunn-diódáknak nevezett mikrohullámú oszcillátorok gyártása. Ha a minta hossza 100 µm és a tartomány sebessége cm/s, akkor az oszcillációs frekvencia a következő nagyságrendű: ${\vec {V}}=10^{7}$

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

Hz = 1 GHz.

Gunn dióda

A Gunn dióda egyfajta félvezető dióda , amelyet mikrohullámú tartományban rezgések generálására és átalakítására használnak. Más típusú diódáktól eltérően a Gunn-dióda működési elve nem a pn átmenetek tulajdonságain , hanem a félvezető belső tömeges tulajdonságain alapul.

Irodalom

Shalimova K.V. A félvezetők fizikája. - Moszkva: "Energoatomizdat", 1985. - 392 p.
Gorbacsov V.V., Spitsyna L.G. Félvezetők és fémek fizikája. - "Kohászat", 1982. - 336 p.
Peter Y., Cardona M. A félvezetőfizika alapjai. - Fizmatlit, 2002. - ISBN 5-9221-0268-0 .
Epifanov GI A mikroelektronika fizikai alapjai . - M . : Szovjet rádió, 1971. - S. 230 - 238. - 376 p. — 30.700 példány.