Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
небольшое относительное отклонение концентрации электронов от я0
соответствует большому по абсолютному значению объемному заряду (см. рис.
1.5). При небольших отклонениях концентрации электронов от равновесной их
диффузия будет в равной степени определять накоп-
14
•ление объемного заряда в передней и задней стенках, что и обусловит
симметричную форму домена.
Рассмотрим теперь вопрос о вольт-амперной характеристике образца с
распространяющимся по нему стабильным доменом сильного поля. Если в то
время, пока по образцу движется домен сильного поля, увеличить
приложенное к образцу напряжение. то увеличивается и поле в домене, и его
ширина. При этом падение напряжения на домене возрастает быстрее, чем
растет приложенное к образцу напряжение, и поэтому поле вне домена Ет
падает с ростом напряжения, приложенного к образцу. Плотность тока,
протекающего через образец с доменом, как уже указывалось выше, равна
jr=qn0\x,iEr. Таким образом, при увеличении смещения ток, протекающий
через образец, также падает.
Зависимости Ет от напряжения ¦смешения (повторяющие в соответствующем
масштабе вольт-амперные характеристики образца с доменом) приведены на
рис. 1.7,а для различных значений параметра щL. Из рис. 1.7 видно, что
при малых n0L, близких к (n0L)h поле вне домена Ег меньше Et и монотонно
убывает с ростом напряжения смещения (кривая 1). Существует, однако,
минимальное значение поля вне домена Ermm(Ermm~vv/ixu рис. 1.2). Поэтому
при больших напряжениях смещения поле Ег перестает зависеть от
приложенного напряжения. Для Ло-LXrtoL)! (кривая 2) при любых напряжениях
смещения поле вне домена практически равно ?гтш.
Зависимости ЕТ(Е0) на рис. 1.7,а продолжены в область, где Е0<Ег. Это
связано с отмеченным выше очень интересным и важным свойством домена
сильного поля в эффекте Ганна: пороговое поле Е0 = ЕР, при котором домен
возникает, может быть заметно больше поля смещения Ео, при котором домен
рассасывается.
Такой своеобразный "гистерезис" между пороговыми полями возникновения и
исчезновения домена можно проще всего пояснить, рассмотрев поведение
домена в длинном (tioL^§> (n0L) 1) образце (рис. 1.7,6). Будем повышать
напряжение на таком образце от нуля до значения Ut = EtL. Пока поле вдоль
образца меньше Еи домен образоваться не может. При Е=Еt домен образуется.
При n0L^$>,(noL) i даже при Е =
- Et поле вне домена равно -EVmm (кривая 2 на рис. 1.7,а). Поэтому
после того, как домен образовался, на образце вне домена падает
напряжение, равное ErrXanL, а все остальное напряжение Ua=
- L(Et-Erm!п) падает на домене. При этом амплитуда поля в домене
А?т~ (Et-Ermia)-j- (d - ширина домена) и, поскольку отношение
L/d^l, ясно, что домен возникает сразу с большой амплитудой. Если
15
Рис. 1.7. Зависимость поля вне домена Ет от среднего поля Ео,
приложенного к образцу, при различных значениях параметра щЬ, 1) малые
значения n0[n0Lsz " (naL)i]; 2) большие значения n0L[noL^> 3>(ftoL)i] (а)
и изменение формы стабильного домена сильного поля в образце с большим
значением параметра noL при уменьшении напряжения смещения на образце; 3)
E"=Et; 4) E0=Ei<Et;
5) Eo = Ez<Ei (б).
Рис. 1.8. Работа диода Ганна в триггерном режиме:
теперь уменьшать напряжение на образце, то стабильный домен сможет
существовать, поддерживая постоянную плотность тока через образец
j=qnoniErm\n за счет уменьшения падения напряжения на домене (рис.
1.7,6). Домен исчезнет при E0=Ermin. Это поле и будет минимально
возможным полем исчезновения домена.
Различие в порогах возникновения и исчезновения домена обуславливает
возможность работы диода Ганна в так называемом триггерном режиме. [Этот
режим лежит в основе использования диода Ганна в логических схемах и
устройствах (гл. 11).] В триггерном режиме постоянное поле смещения ниже
порога возникновения домена, но выше порога его исчезновения, т. е. лежит
в области между кривыми 1 и 2 на рис. 1.6. Дополнительно к постоянному
смещению на диод подается импульс напряжения. Суммарное напряжение
смещения и импульса больше порога возникновения домена, а длительность
импульса больше времени формирования домена, но мала по сравнению со
временем пролета домена. В таких условиях в диоде возникает домен
сильного поля, добегающий до анода. Следующий домен в диоде уже не
возникает. Таким образом, диод формирует одиночный импульс тока,
приблизительно равный по длительности времени пролета домена в образце
(рис. 1.8).
Движение домена по диоду с изменяющейся площадью поперечно-
а - идеализированная картина; б - эксперимент Хикса, Вуда и Сэндбэнка \
14].
го сечения или вдоль диода с переменной концентрацией носителей п0
сопровождается изменением тока в цепи, содержащей такой диод. {Это
свойство лежит в основе многочисленных функциональных и аналоговых
приборов на диодах Ганна (гл. 11).] Рассмотрим образец, в котором
концентрация носителей и (или) площадь поперечного сечения изменяются
плавно по сравнению с размером домена. В этом случае в каждый момент
