Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях. Эффект Ганна

С ростом напряженности электрического поля проводимость полупроводника изменяется. В слабых электрических полях концентрация носителей заряда не зависит от напряженности поле Е, а зависимость тока через полупроводник от напряженности электрического поля подчиняется закону Ома. На рис. 2.9 этому случаю соответствует участок ОА зависимости i = f (E). Начиная с некоторого значения напряженности Е 1, нарастание i с ростом Е сначала замедляется, а при Е = Е _кр полностью прекращается (участок АВ на рис. 2.9). При дальнейшем увеличении Е (участок ВС) энергия поля еще недостаточна для увеличения концентрации носителей заряда; при этом подвижность электронов μ уменьшается вследствие увеличения числа столкновений с атомами кристаллической решетки. В соответствии с этим дифференциальная проводимость полупроводника на этом участке оказывается величиной отрицательной. Падение i с ростом Е продолжается до порогового значения напряженности Е _пор, после чего проводимость полупроводника резко возрастает из-за увеличения концентрации носителей заряда (участок CD рис 2.9).

Существует несколько механизмов повышения концентрации носителей заряда под действием сильного электрического поля. В сильных полях происходит вырывание полем носителей заряда из связей и ударная ионизация атомов электронами, получившими достаточную энергию по длине свободного пробега.

Одним из механизмов увеличения числа носителей заряда в сильных электрических полях является эффект Зинера. В сильных полях электрические зоны полупроводника наклонены (рис. 2.10). В этом случае электрон приобретает способность проходить через запрещенную зону двумя путями (рис.2.10, 1 и 2). Вертикальный переход 1 связан с затратой энергии и обусловлен механизмом ударной ионизации. При горизонтальном переходе 2 энергия не затрачивается, т. е. происходит как бы "просачивание" электронов сквозь потенциальный барьер. Это явление получило название электростатической ионизации, или эффекта Зинера.

Экспериментальные данные показывают, что эффект Зинера в германии начинает проявляться при напряженности поля порядка Е =2∙10⁷ В/м.

Все более широкое практическое применение получил эффект Ганна, открытый в 1963 г. Сущность его состоит в следующем.

Пусть через полупроводниковый кристалл течет ток от источника питания, создающего в полупроводнике электрическое поле с напряженностью Е ₀. Причем Е _кр< Е ₀ < Е _пор (рис. 2.11, а). Предположим далее, что на небольшом отрезке кристалла, заключенном между x ₁ и x ₂, напряженность поля вследствие флуктуации, обусловленной некоторой неоднородностью удельного сопротивления полупроводника, возросла на небольшую величину ΔЕ. Как видно из рис. 2.11, а, в области x ₁ < Х < x ₂ плотность тока окажется меньше, чем в области Х < x ₁ и Х > x ₂. Поэтому электроны, движущиеся против сил поля, начнут скапливаться вблизи x ₁, создавая здесь отрицательный заряд, и отрываться от x ₂, оставляя некомпенсированный положительный заряд (рис. 2.11, б). Между точками x ₁ и x ₂ образуется дипольный слой, обедненный свободными электронами. Этот слой называется электростатическим доменом.

Обычно домен формируется вблизи электродов, так как в результате вплавления контактов эти области полупроводника оказываются наиболее неоднородными.

Под воздействие внешнего электрического поля домен может перемещаться через кристалл в направлении от «катода» к «аноду» со скоростью порядка 10⁵ м/с. Учитывая, что домен может двигаться только против сил поля местом его зарождения всегда является область катода. При подходе к аноду электроны рекомбинируют и домен распадается. При этом возле катода зарождается новый домен, и процесс повторяется, приобретая периодических характер.

Так как в области домена концентрация свободных электронов понижена, возникновение его в кристалле сопровождается повышением сопротивления образца и уменьшением силы тока в цепи примерно в два раза. На рис. 2.11, в показан характер изменения тока с течением времени. Участок I соответствует зарождению домена. В области II домен перемещается от катода к аноду и сила тока в цепи сохраняется неизменной и минимальной. Область III соответствует распаду домена, при котором ток возрастает от I _min до первоначального значения I ₀. Указанный процесс повторяется со сверхвысокой частотой, так как скорость перемещения домена в кристалле чрезвычайно велика.

Таким образом, эффект Ганна позволяет преобразовать мощность источника постоянного тока в мощность переменного тока сверхвысокой частоты.

Специфика эффекта Ганна состоит в том, что преобразование мощности происходит во всем объеме образца, а не в узкой области p – n перехода, как в обычных полупроводниковых структурах. Поэтому может быть получена значительно большая выходная мощность, чем для рассматриваемых ниже транзисторов и туннельных диодов. Принципиально возможно создание генераторов Ганна мощность порядка нескольких киловатт в импульсе и частотой до десятков гигагерц. Эффект Ганна находит применение для построения функциональных интегральных микросхем большой сложности, лежащих в основе очередного качественно нового этапа развития микроэлектроники.