Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
длиной волны, приблизительно соответствующей ширине запрещенной зоны GaAs
(А,"0,9 мкм). Такое излучение неоднократно наблюдалось экспериментально
[15, 16], причем в [15] было показано, что электронно-дырочные пары
генерируются в области домена сильного поля.
Следует подчеркнуть, однако, что при достаточно большом уровне генерации
электронно-дырочных пар доменом сильного поля физическая картина эффекта
Ганна качественно меняется и возникает целый ряд новых явлений. Так, в
условиях ударной ионизация в домене может нарушиться когерентность
ганновских колебаний [15, 17, 18], возникнуть S-образная средняя по
времени вольт-амперная характеристика [4, 19-22], шнурование тока [22-
24], стимулированное рекомбинационное излучение из области токового шнура
[23-25] и некоторые другие явления.
Рассмотрим, следуя работе [26], качественный механизм этих явлений. При
сравнительно небольших напряжениях смещения на образце, когда
максимальное поле в домене Ет относительно мало, ударная ионизация
отсутствует и наблюдается обычный эффект Ганна. При увеличении напряжения
смещения максимальное поле в домене возрастает. Однако, если значение Ет
все же не слишком велико, ударная ионизация в домене будет относительно
слабой, и характерные времена генерации носителей тока будут большими по
сравнению со временем пролета домена. При этом количество электронно-
дырочных пар, созданных доменом за один период колебаний, мало по
сравнению с исходной концентрацией электронов по. Если характерное время
рекомбинации электронов также велико по сравнению со временем пролета, то
за много периодов колебаний концентрация электронов в образце может
сильно измениться *>. (При этом избыточные электроны будут распределены
по образцу равномерно.)
В такой ситуации каждый следующий домен будет возникать в образце с
несколько большей концентрацией электронов. Поскольку при постоянном
смещении амплитуда домена растет с ростом концентрации электронов, то
возникший домен будет иметь большую амплитуду и, следовательно, создаст
за время пробега еще большее число неравновесных электронов. Следующий
домен возникает в образце с еще большей концентрацией носителей и т. д.
Таким образом, создается механизм положительной обратной связи,
вызывающий лавинообразный рост концентрации носителей в образце. Если по-
прежнему питать образец от источника напряжения, то концентрация
носителей в нем будет нарастать до тех пор, пока рекомбинация,
возрастающая с увеличением концентрации носителей, не уравновесит
генерацию.
Форма домена зависит от концентрации носителей: с ростом концентрации
амплитуда домена возрастает, его ширина убывает (гл. 3). Таким образом,
при питании образца от генератора напряжения эффективная ударная
ионизация приведет к тому, что ток через образец возрастет и по образцу
будет распространяться узкий домен большой
Для простоты не будем рассматривать влияния на параметры домеиа.
возникающие 'при ионизации дырок. На практике ситуация, когда влиянием
дырок можно пренебречь, реализуется очень часто. Она соответствует,
например, случаю, когда дырки быстро захватываются ловушками. Кроме того,
можно показать, что, хотя подвижные дырки могут сильно изменить скорость
и параметры домена (§ 7.4), они не меняют качественной картины
рассматриваемых в этом пункте эффектов.
143
амплитуды вместо более широкого домена меньшей амплитуды, первоначально
вызвавшего ионизацию.
При питании образца от генератора тока, т. е. от источника, чье
внутреннее сопротивление много больше, чем сопротивление образца, ток, а
следовательно, и уровень генерации пар задаются внешней цепью. При этом
собственные параметры диода определяют падение напряжения на нем.
Благодаря зависимости скорости генерации электронов от концентрации
(через величину поля в домене) зависимость концентрации носителей от
приложенного к образцу поля имеет при ударной ионизации S-образный
характер *>. Легко понять, почему при рассмотренном выше механизме
ударной ионизации поле смещения Е0 будет падать с увеличением
концентрации. Действительно, поскольку поле в домене растет с увеличением
концентрации электронов п в образце, то ударная ионизация, увеличивая п,
сдвигает поле смещения Ео, необходимое для поддержания ударной ионизации
в сторону меньших значений. Качественные средние по времени вольт-
амперные характеристики диода Ганна при ударной ионизации показаны на
рис. 7.3. При построении таких характеристик каждому значению поля при
E>Et соответствует значение тока, усредненное по времени, большому по
сравнению со временем пролета домена.
Показанные на рис. 7.3 кривые имеют ясный физический смысл. При условии
E0<Et выполняется закон Ома. При E0=Et ток в образце периодически
меняется от значения It в момент исчезновения домена до меньшего
значения, соответствующего распространению стабильного домена. С этим
связан скачок тока на характеристике /Ср(?о) при Е0 = = Et. При
дальнейшем увеличении Е0, когда амплитуда домена становится достаточно
