ГА́ННА ЭФФЕ́КТ

Рис. 1. N-образная вольт-амперная характеристика: Е – напряжённость электрического поля, создаваемого приложенной разностью потенциалов; j – плотность тока.

ГА́ННА ЭФФЕ́КТ, ге­не­ра­ция вы­со­ко­ча­стот­ных ко­ле­ба­ний элек­трич. то­ка в по­лу­про­вод­ни­ке с $N$-об­раз­ной вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­кой (рис. 1). Об­на­ру­жен амер. фи­зи­ком Дж. Ган­ном в 1963 в кри­стал­ле GaAs с элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью. Ге­не­ра­ция воз­ни­ка­ет, ес­ли по­сто­ян­ное на­пря­же­ние $U$, при­ло­жен­ное к об­раз­цу дли­ной $l$, та­ко­во, что элек­трич. по­ле напряжённостью $E=U/l$ со­от­вет­ст­ву­ет па­даю­ще­му уча­ст­ку вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­ки ($E_1–E_2$), на ко­то­ром диф­фе­рен­ци­аль­ное со­про­тив­ле­ние от­ри­ца­тель­но (плот­ность то­ка $j$ па­да­ет с рос­том $E$). Ко­ле­ба­ния то­ка име­ют вид пе­рио­дич. по­сле­до­ва­тель­но­сти им­пуль­сов, их час­то­та об­рат­но про­пор­цио­наль­на $l$.

Г. э. на­блю­да­ет­ся гл. обр. в мно­го­до­лин­ных по­лу­про­вод­ни­ках, зо­на про­во­ди­мо­сти ко­то­рых со­сто­ит из од­ной ниж­ней и не­сколь­ких верх­них до­лин (см. Зон­ная тео­рия). Под­виж­ность элек­т­ро­нов в верх­них до­ли­нах зна­чи­тель­но мень­ше, чем в ниж­ней. В силь­ных элек­трич. по­лях про­ис­хо­дит ра­зо­грев элек­тро­нов (см. Го­ря­чие элек­тро­ны), и часть элек­тро­нов пе­ре­хо­дит из ниж­ней до­ли­ны в верх­ние. Вслед­ст­вие это­го ср. под­виж­ность элек­тро­нов, а сле­до­ва­тель­но, и элек­трич. про­во­ди­мость умень­ша­ют­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию плот­но­сти то­ка $j$ с рос­том $E$ в по­лях $E>E_1$.

Рис. 2. Развитие электрического домена. Электроны движутся слева направо, против поля.

Г. э. обу­слов­лен пе­рио­дич. по­яв­ле­ни­ем, пе­ре­ме­ще­ни­ем и ис­чез­но­ве­ни­ем в об­раз­це об­лас­ти силь­но­го элек­трич. по­ля (элек­трич. до­ме­на, или до­ме­на Ган­на), ко­то­рое воз­ни­ка­ет вслед­ст­вие не­ус­той­чи­во­сти од­но­род­но­го рас­пре­де­ле­ния элек­трич. по­ля при объ­ём­ном от­ри­ца­тель­ном диф­фе­рен­ци­аль­ном со­про­тив­ле­нии. Дей­ст­ви­тель­но, ес­ли в по­лу­про­вод­ни­ке слу­чай­но воз­ни­ка­ет не­од­но­род­ное рас­пре­де­ле­ние кон­цен­тра­ции элек­тро­нов в ви­де ди­поль­но­го слоя, то ме­ж­ду за­ря­жен­ны­ми об­лас­тя­ми соз­да­ёт­ся до­пол­нит. по­ле $△E$ (рис. 2), ко­то­рое до­бав­ля­ет­ся к внеш­не­му, и по­ле внут­ри ди­поль­но­го слоя ста­но­вит­ся боль­ше, чем вне его. Ес­ли диф­фе­рен­ци­аль­ное со­про­тив­ле­ние по­ло­жи­тель­но (ток рас­тёт с рос­том по­ля), то и ток внут­ри слоя боль­ше, чем вне его. По­это­му, напр., из об­лас­ти с по­вы­шен­ной плот­но­стью элек­тро­нов они вы­те­ка­ют в боль­шем ко­ли­че­ст­ве, чем вте­ка­ют в неё, в ре­зуль­та­те че­го не­од­но­род­ность рас­са­сы­ва­ет­ся. При от­ри­ца­тель­ном диф­фе­рен­ци­аль­ном со­про­тив­ле­нии $j$ мень­ше там, где $E$ боль­ше, т. е. внут­ри слоя; не­од­но­род­ность не рас­са­сы­ва­ет­ся, а, на­обо­рот, на­рас­та­ет. Рас­тёт и па­де­ние на­пря­же­ния на ди­поль­ном слое, а вне его – па­да­ет (т. к. пол­ное на­пря­же­ние на об­раз­це за­да­но). В ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся элек­трич. до­мен. Вне до­ме­на $E$, бла­го­да­ря че­му но­вые до­ме­ны не об­ра­зу­ют­ся. Ус­той­чи­вое со­стоя­ние об­раз­ца – со­стоя­ние с од­ним до­ме­ном.

Т. к. до­мен об­ра­зо­ван элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти, он дви­жет­ся в на­прав­ле­нии их дрей­фа со ско­ро­стью $v$, близ­кой к дрей­фо­вой ско­ро­сти но­си­те­лей вне до­ме­на. Обыч­но до­мен воз­ни­ка­ет вбли­зи ка­то­да и, дой­дя до ано­да, ис­че­за­ет. По ме­ре его ис­чез­но­ве­ния па­де­ние на­пря­же­ния на до­ме­не умень­ша­ет­ся, а на ос­таль­ной час­ти об­раз­ца со­от­вет­ст­вен­но рас­тёт. Од­но­вре­мен­но воз­рас­та­ет ток в об­раз­це, т. к. уве­ли­чи­ва­ет­ся по­ле вне до­ме­на. По ме­ре при­бли­же­ния по­ля к $E_1$ ток $j$ при­бли­жа­ет­ся к $j_{\text{макс}}$. Ко­гда вне до­ме­на по­ле $E>E_1$, вбли­зи ка­то­да на­чи­на­ет фор­ми­ро­вать­ся но­вый до­мен, ток умень­ша­ет­ся, и про­цесс по­вто­ря­ет­ся. Час­то­та ко­ле­ба­ний то­ка в длин­ных об­раз­цах $f=v/l$.

Г. э. на­блю­да­ет­ся в элек­трон­ных по­лу­про­вод­ни­ках GaAs, InP, CdTe, ZnS, InSb и др., а так­же в Ge с ды­роч­ной про­во­ди­мо­стью. Г. э. ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния ге­не­ра­то­ров и СВЧ-уси­ли­те­лей.