7.1.2.      Эффект Ганна

Пусть на однородно легированный кристалл арсенида галлия (рис. 7.4), имеющий два невыпрямляющих электрических перехо­да с электродами катода и анода, подано постоянное напряже­ние, создающее в кристалле напряженность электрического поля, несколько меньшую пороговой напряженности. При этом все свободные электроны в кристалле являются «легкими», и плот­ность тока через кристалл имеет максимальное значение:

.

Локальная напряженность электрического поля около невы­прямляющих контактов из-за наличия различных дефектов мо­жет превышать пороговую напряженность электрического поля. Это обеспечит образование «тяжелых» электронов около катода, которые, двигаясь относительно медленно к аноду, создают отри­цательный заряд.

«Легкие» электроны в остальной части крис­талла движутся к аноду быстрее «тяжелых». Поэтому около па­кета «тяжелых» электронов со стороны анода получается недо­статок электронов, что равносильно образованию некоторого положительного заряда, состоящего из нескомпенсированных ионизированных доноров (рис. 7.5).

Таким образом, образуется домен, состоящий из двух слоев: слой со стороны катода из-за избытка «тяжелых» электронов имеет отрицательный заряд, слой со стороны анода из-за недостатка электронов имеет положи­тельный заряд. Домен обладает своим электрическим полем (), направленным в ту же сторону, что и поле, созданное внешним напряжением. В результате по мере образования домена поле в нем растет, а за пределами домена уменьшается, т.е. скорость движения «тяжелых» электронов внутри домена увеличивается, а скорость движения «легких» электронов за пределами домена уменьшается.

В некоторый момент времени скорость движения «тяжелых» электронов (скорость домена) оказывается равной скорости движения «легких» электронов:

v₁ = v₂,            или     ,

где v₁ – скорость движения электронов за пределами домена; v₂ – скорость движения электронов внутри домена, что соответствует скорости движения домена от катода к аноду.

Очевидно, что v₁ < v₀, так как Е₁ < Е₀. Поэтому после образо­вания домена плотность тока через кристалл уменьшится до

.

Минимальное значение плотности тока через кристалл будет сохранять­ся в течение всего времени движе­ния домена через кристалл или в те­чение времени пролета:

,

где l – длина кристалла.

При достижении анода домен исчезает, и плотность тока возрастает до значения , соответствующего отсутствию домена. Сразу после этого у катода формируется новый домен, и процесс повторяется. Временная диаграмма тока в цепи имеет вид (рис. 7.6).

Рассмотренный механизм действия прибора с междолинным переходом электронов соответствует пролетному режиму работы. В этом ре­жиме работы, как было отмечено, электрическое поле в домене растет во время его формирования при одновременном уменьше­нии напряженности электрического поля за пределами домена. По этой причине в кристалле может образоваться только один домен, так как переход электронов из центральной долины в бо­ковую может происходить только в домене, где суммарная напряженность электрического поля превышает пороговое зна­чение.