Эффект Ганна - 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 - E₂. Е₁ и E₂ 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.

Эффект Ганна 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 E (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 (j > 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 Е₁, 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 Е₁ плотность тока приближается к максимальной j_кр (рис.1). Когда поле вне домена превышает Е₁, у катода начинает формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через образец: v/l. В этом проявляется существенное отличие эффекта Ганна от генерации колебаний в других 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.

где Е – электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов, V, j – плотность тока.

Электроны движутся слева направо, против поля Е.

 

Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона может быть использована аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях, прежде всего в арсениде галлия. При этом основную роль играют процессы, происходящие в объеме полупроводника, а не в p-n-переходе. Генерацию СВЧ-колебаний в однородных образцах GaAs n-типа при напряженности постоянного электрического поля выше порогового значения впервые наблюдал Дж. Ганн в1963 г. (поэтому такие приборы называют диодами Ганна). В отечественной литературе их называют также приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, поскольку активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», где они характеризуются большой эффективной массой и малой подвижностью. В иностранной литературе последнему названию соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device). В слабом поле подвижность электронов велика и составляет 6000–8500 см2/(Вс). При напряженности поля выше 3,5 кВ/см за счет перехода части электронов в «боковую» долину средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с ростом поля. Наибольшее значение модуля дифференциальной подвижности на падающем участке примерно втрое ниже, чем подвижность в слабых полях. При напряженности поля выше 15–20 кВ/см средняя скорость электронов почти не зависит от поля и составляет около 107 см/с. Время установления отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) складывается из времени разогрева электронного газа в «центральной» долине (~10–12 с для GaAs), определяемого постоянной времени релаксации по энергии и времени междолинного перехода (~5-10–14 с). Можно было бы ожидать, что наличие падающего участка характеристики в области ОДП при однородном распределении электрического поля вдоль однородно легированного образца GaAs приведет к появлению падающего участка на вольт-амперной характеристике диода. На этом участке диод характеризовался бы отрицательной активной проводимостью и мог бы использоваться для генерирования и усиления колебаний аналогично туннельному диоду. Однако на практике осуществление такого режима в образце полупроводникового материала с ОДП затруднено из-за неустойчивости поля и объемного заряда. Флюктуация объемного заряда в этом случае приводит к нарастанию объемного заряда. В однородном образце, к которому приложено постоянное напряжение, локальное повышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательно заряженного слоя. Под катодом понимается контакт к образцу, на который подан отрицательный потенциал. Возникающие при этом внутренние электрические поля и накладываются на постоянное поле, увеличивая напряженность поля справа от слоя и уменьшая ее слева. Скорость электронов справа от слоя уменьшается, а слева – возрастает. Это приводит к дальнейшему нарастанию движущегося слоя накопления и к соответствующему перераспределению поля в образце. Обычно слой объемного заряда зарождается у катода, так как вблизи катодного омического контакта имеется область с повышенной концентрацией электронов и малой напряженностью электрического поля. Флюктуации, возникающие вблизи анодного контакта, вследствие движения электронов к аноду не успевают развиться. Однако такое распределение электрического поля неустойчиво и при наличии в образце неоднородности в виде скачков концентрации, подвижности или температуры может преобразоваться в так называемый домен сильного поля. Напряженность электрического поля связана с концентрацией электронов уравнением Пуассона. Повышение электрического поля в части образца будет сопровождаться появлением на границах этого участка объемного заряда, отрицательного со стороны катода и положительного со стороны анода. В зависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания и свойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилительСВЧ-диапазона, может работать в различных режимах: доменных, ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ, в иностранной литературе LSA–LimitedSpace Charge Accumulation), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательной проводимости. Конструкции и параметры генераторов на диодах Ганна. Значения к.п.д. генераторов на диодах Ганна не превышают 20%. Повысить к.п.д. генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных колебательных систем, позволяющих обеспечить временные зависимости тока и напряжения на диоде. Следует иметь в виду, что электронный к.п.д. генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится соизмеримым с временем установления ОДП (это проявляется уже на частотах~30 ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости электронов от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~100 ГГц для приборов из GaAs и 150–300ГГц для приборов из InP. Выходная мощность диодов Ганна ограничена электрическими и тепловыми процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде, где постоянная определяется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным к.п.д. и емкостью диода. Ограничения по электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напряжением на диоде. В волноводном генераторе диод Ганна установлен между широкими стенками прямоугольного волновода в конце металлического стержня. Напряжение смещения подается через дроссельный ввод, который выполнен в виде отрезков четвертьволновых коаксиальных линий и служит для предотвращения проникновения СВЧ-колебаний в цепь источника питания. Низкодобротный резонатор образован элементами крепления диода в волноводе. Частота генератора перестраивается с помощью варакторного диода, расположенного на полуволновом расстоянии и установленного в волноводе аналогично диоду Ганна. Часто диоды включают в волновод с уменьшенной высотой. Большой интерес представляют разработки усилителей на диодах Ганна, особенно для миллиметрового диапазона длин волн, где применение СВЧ- транзисторов ограничено. Важной задачей при создании усилителей на диодах Ганна является обеспечение устойчивости их работы (стабилизация диода) и прежде всего подавление малосигнальных колебаний доменного типа. Это может быть достигнуто ограничением параметра диода, нагрузкой диода внешней цепью, выбором профиля легирования диода, уменьшением поперечного сечения или нанесением диэлектрической пленки на образец. В качестве усилителей применяют как диоды планарной и мезаструктуры, обладающие отрицательной проводимостью при напряжениях выше порогового в широкой области частот вблизи пролетной частоты и использующиеся в качестве регенеративных усилителей отражательного типа с циркулятором на входе, так и более сложные пленочные структуры, в которых используется явление нарастания волн объемного заряда в материале с ОДП, называемые часто тонкопленочными усилителями бегущей волны (УБВ).