10.6. Физика генератора на эффекте переноса электронов

У некоторых полупроводниковых материалов, например у GaAs и InP, имеется область отрицательной дифференциальной подвижности в зависимости скорости носителей от поля (рис. 10.2). Образец такого полупроводника в виде короткого бруска с омическими контактами генерирует колебания тока, когда приложенное напряжение превышает некоторый критический уровень [20]. Это явление объясняется переносом электронов из состояния с высокой подвижностью в состояние с малой подвижностью.

Процесс переноса электронов можно понять из диаграммы энергия — импульс для полупроводника. Материалы, способные генерировать колебания Ганна, обладают центральным провалом («долиной») зоны проводимости (минимум которой соответствует краю зоны проводимости, определяющему верхнюю границу запрещенной зоны). Центральный провал окружен симметрично расположенными боковыми провалами, энергетический минимум которых находится выше минимума центрального

провала. Эта структура энергетической зоны иллюстрируется на рис. 10.14, где как раз показан один из боковых провалов.

Колебания тока возникают вследствие того, что подвижность электронов в боковых провалах намного меньше, чем в центральном провале. Таким образом, при низких значениях электрического поля, когда практически все электроны проводимости находятся в центральном провале, они дрейфуют со скоростью, пропорциональной величине поля, и имеют высокую подвижность.

Рис. 10.14. Схематическое изображение энергетической зонной структуры полупроводника с отрицательной дифференциальной подвижностью.

Когда величина поля растет, электронам сообщается большая кинетическая энергия, пока при некотором пороговом поле по отношению к разности энергии между минимумами в боковых провалах и в центральном провале не появится большая вероятность обнаружения значительной части электронов в боковых провалах. Эти электроны тогда находятся в состоянии с низкой подвижностью. При дальнейшем увеличении поля большее число электронов перенрсится из состояния с высокой подвижностью в состояние с низкой подвижностью, а это означает, что при увеличении поля средняя скорость дрейфа популяции электронов падает. Это объясняет наличие области отрицательной дифференциальной подвижности на рис. 10.2. Когда поле достаточно высоко, для того чтобы практически все электроны оказались в боковых провалах, скорость насыщается до предельной скорости дрейфа.

В этом описании процесса переноса электронов подразумевается, что электрическое поле постоянно по всему полупроводнику. На самом деле колебания Ганна связаны с сильно неоднородным полем. Причину неоднородности распределения поля следует искать в процессе накопления заряда при отрицательной

дифференциальной подвижности: если при положительной подвижности имеет место диэлектрическая релаксация и накопленный заряд рассеивается, то в случае отрицательной подвижности заряд резко возрастает. Это означает, что при отрицательной дифференциальной подвижности однородное распределение заряда очень неустойчиво. Именно эта неустойчивость лежит в основе работы диода Ганна.

Рассмотрим однородно легированный образец полупроводника, например GaAs, который имеет отрицательную дифференциальную подвижность, когда напряженность поля превышает критическое значение Пока приложенное напряжение мало, так что поле внутри материала однородно и ниже образец ведет себя как обычное сопротивление с омической зависимостью между током и напряжением. Когда напряжение увеличивается до уровня ток принимает максимальное значение В то же время дифференциальная подвижность соответствует точке изменения знака — от положительного значения к отрицательному. Если это происходит, то обычно в локальной области вблизи отрицательного контакта. В этой локальной области электроны дрейфуют намного медленнее, чем впереди или позади. Это вызывает накопление заряда позади и обеднение перед локальной областью, а так как действие отрицательной дифференциальной подвижности аналогично положительной обратной связи, эти концентрации противоположных зарядов очень быстро растут, образуя дипольный слой. Поле в центре этого слоя, или домена, очень высокое, выше что компенсируется ослаблением поля до значений ниже вне слоя. Далее, домен дрейфует по полупроводнику с предельной скоростью, а это означает, что домен сохранит свою форму в том случае, если электроны вне домена будут дрейфовать с такой же скоростью. Это приводит к тому, что поле вне домена имеет значение, соответствующее этой скорости, причем следует помнить, что электроны в области вне домена имеют положительную дифференциальную подвижность. Ток во время движения домена равен максимальному току умноженному на отношение предельной скорости к пиковой скорости дрейфа. Когда домен достигает анода, он коллапсирует, а в области катода образуется новый домен. Затем цикл повторяется. Таким образом, ток изменяется между двумя уровнями, с частотой повторения, приблизительно равной обратному времени дрейфа домена через прибор.

Образование домена с высокой напряженностью поля и последующее перемещение от катода к аноду — это сущность явлений в генераторе Ганна, который на высоких частотах обладает отрицательным сопротивлением. Возможен также другой режим колебаний, при котором образования области с сильным

полем не происходит из-за тщательно контролируемого высокочастотного напряжения, быстро разрушающего поле в области отрицательной дифференциальной подвижности. Это предотвращает накопление заряда и сохраняет более или менее однородное поле по всему прибору. Таким образом, зависимость така от напряжения для этого режима, известного под названием режима с ограниченным накоплением объемного заряда, определяется зависимостью скорости от величины поля, так как ток равен где плотность электронов; А — площадь прибора и - зависящая от поля скорость дрейфа. Из этого следует, что при отрицательной дифференциальной подвижности у диода появляется отрицательное дифференциальное сопротивление и, следовательно, его можно использовать для усиления. Режим ограниченного накопления объемного заряда имеет то преимущество, что он потенциально пригоден для получения большой выходной мощности на СВЧ. Более того, ожидается, что ганновские диоды с однородным распределением поля из-за более высокой подвижности должны иметь меньшие шумы, чем диоды с неоднородными полями.