Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
шнура в диоде Ганна является "жестким". Это означает, что уже при
пороговом токе Is, соответствующем началу падающего участка S-образной
характеристики, сразу возникает шнур с большой амплитудой и что
существует гистерезис между пороговыми токами исчезновения и
возникновения шнура.
Токовые шнуры в диодах Ганна, возникающие на участке S-образного
отрицательного сопротивления, экспериментально наблюдались в GaAs [23],
InP [24], CdTe [22].
Как показано в [29, 30], токовый шнур должен двигаться, если к образцу
приложить поперечное электрическое или магнитное поле. Механизм движения
шнура проще всего понять при доминирующей квадратичной рекомбинации,
когда шнур, как показывают расчеты [28], является квазинейтральным. В
этом случае слабое поперечное электрическое поле Е± действует на шнур как
на амбиполярную флуктуацию электронов и дырок, вызывая его движение со
скоростью амби-полярного дрейфа [31]:
Ма = М-р Ни (п-Р) / (№пП + цРр ) •
Здесь ]хп - подвижность электронов; [хр - подвижность дырок. (Физический
механизм амбиполярного дрейфа будет обсуждаться в § 7.4.) При помещении
такого шнура в поперечное магнитное поле он начинает дрейфовать в
направлении, определяемом правилом левой руки со скоростью
ЕН
vH "=* tx"nP
Физический механизм движения шнура таков: дырки, намного более тяжелые и
менее подвижные, чем электроны, движутся в холловском поле электронов
(как при эффекте Суля). За ними следуют электроны, чтобы поддержать
электронейтральность. Если скорость vs поверхностной рекомбинации мала по
сравнению с vH, шнур останавливается у сгенки образца. При Vs>vH шнур
исчезает у стенки, после чего в центре образца возникает новый шнур и
цикл повторяется. В этом случае во внешней цепи должны наблюдаться
осцилляции напряжения иа частоте, определяемой временем движения шнура от
места зарождения до стенки образца.
Движение шнуров в диодах Гапна под действием поперечного электрического
поля до настоящего времени экспериментально не наблюдалось. Под влиянием
поперечного магнитного поля в [32] наблюдался сдвиг канала пробоя в
ганновском диоде к боковой стенке образцов. Направление сдвига
соответстствовало ожидаемому направлению движения токового шнура. В этой
работе высказывается предположение что в процессе образования канала
пробоя в образцах возникает токовый шнур, вызванный ударной ионизацией в
домене.
В поперечном магнитном поле наблюдались низкочастотные колебания тока
значительной амплитуды в условиях, когда ганновские диоды ("о^Ю14 см~3;
р,"^3000 см2/В-с, L*"400 ... 800 мкм; S="400X 146
Х400 мкм) работали на S-образном участке вольт-амперной характеристики,
так, что было возможным формирование токового шнура [33]. Частота
колебаний увеличивалась с ростом магнитного поля и составляла порядка 1,7
МГц при #=3,2 кГс и около 10 МГц при Н- 10 кГс. В работе [33]
предполагается, что низкочастотные осцилляции обусловлены описанным выше
механизмом периодического возникновения, движения по образцу и
исчезновения у поверхности токовых шнуров. Оценка частоты колебаний по
формуле
^ Ег т-тН
' ~ do с
где d0 - поперечный размер образца, дает при #=3,2 кГс 3 МГц и при #=10
кГс /"5 10 МГц, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.
В высоколегированных ганновских диодах эффективная ударная ионизация в
домене может привести к возникновению стимулированного излучения. Эффект
стимуляции наблюдался П. Д. (Саутгейтом [23] на диодах из GaAs с
равновесной концентрацией электронов 5Х ,ХЮ17 см~3. (При этом характер
легирующей примеси не оказывал заметного влияния на параметры эффекта.)
Образцы изготовлялись из оптически полированной пластины GaAs,
поверхности которой были строго параллельны и выполняли роль зеркал
резонатора. Когда ток через образец лишь немного превышал критическое
значение /кр, при котором начиналась ганновская генерация и
сопровождающая ее ионизация, рекомбинационное излучение было спонтанным.
При дальнейшем увеличении тока интенсивность излучения резко возрастала.
При этом сужался как спектр излучения, так и телесный угол, в котором
распределялось излучение, что свидетельствовало о его стимуляции. На рис.
7.4 показан спектр спонтанного и стимулированного излучения для двух
образцов (при температуре, близкой к температуре жидкого азота, и
комнатной температуре).
В работе [23] отмечается, что стимулированное излучение в отличие от
спонтанного распределяется по поперечному сечению образца резко
неоднородно. Оно концентрируется в виде узких светящихся нитей.
Из рис. 7.4 видно, что рекомбинационное излучение в GaAs становится
стимулированным, когда концентрация возникших в результате ионизации
электронно-дырочных пар в 2 ... 2,5 раза превышает равновесную
концентрацию электронов проводимости гао~5-1017 см~3. (Можно считать, что
относительное увеличение тока примерно равно относительному увеличению
концентрации электронов, поскольку скорость электронов не увеличивается
при полях, больших порогового поля ган-новской генерации.) Теоретические
