Физические основы работы диода Ганна

Идею получения отрицательной дифференциальной проводимости в некоторых полупроводниковых приборах предложили Ридли и Уоткинс в 1961 г. Генерацию СВЧ колебаний в образце GaAs наблюдал Ганн в 1963 г. при изучении эффекта лавинного пробоя. Связь наблюдаемого явления с предложенной ранее моделью установил Кремер в 1964 г. После работы Кремера новые приборы начали бурно развиваться. Помимо наиболее распространенного названия, данного по имени открывателя эффекта, используется также терминМЭП-диод (диод с междолинным переходом электронов). В англоязычной литературе принято название TED (Transferred-Electron Device, прибор с переносом электронов).

Эффект Ганна проявляется в некоторых полупроводниковых соединениях А³В⁵ с так называемой «двухдолинной» зоной проводимости, типичным представителем которых является GaAs [6]. Энергетическая структура этого материала иллюстрируется на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Зонная структура GaAs

Зона проводимости имеет 2 подзоны («долины»), их минимумы разделены энергетическим промежутком D » 0,36 эВ. Ширина запрещенной зоны составляет E_g » 1,45 эВ. При рабочих температурах в области слабых полей концентрация электронов в образце n-GaAs определяется уровнем легирования, причем их основная часть располагается в нижней долине, где их подвижность и эффективная масса равны m₁ = 8000 см² /(В с) и . Для второй долины соответствующие параметры составляют m₂ = 180 см² /(В с) и . Столь значительная разница в эффективных массах приводит к большому различию в значениях эффективной плотности состояний в подзонах: N_c1 << N_c2 .

С ростом напряженности поля средняя энергия электронов повышается, и все большая их часть переходит во вторую долину (общее количество электронов не изменяется). В сильных полях средняя подвижность электронов уменьшается и приближается к m₂ . Описанный процесс иллюстрируется на рис. 7.2 , где приведена зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности поля в GaAs.

Для этого и ряда других полупроводников с аналогичной зонной структурой перетекание электронов во вторую долину приводит к формированию участка отрицательной дифференциальной подвижности и соответственно отрицательной дифференциальной проводимости при неизменной концентрации электронов n₀ (эффект лавинного умножения носителей заряда не проявляется). На рисунке это участок ab между линейными участками, наклоны которых соответствуют подвижностям m₁ и m₂ . На последнем участке обычно сказывается эффект насыщения дрейфовой скорости, и экспериментальная характеристика имеет вид, показанный штриховой линией (см. раздел 6.1). При работе на участке ab диод может быть использован для усиления и генерации высокочастотного сигнала.