Требования к зонной структуре полупроводников

Эффект Ганна наблюдается главным образом в двухдолинных полупроводниках, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин [32, 33].

Для того, чтобы при переходе электронов между долинами возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие требования:

средняя тепловая энергия электронов должна быть значительно меньше энергетического зазора между побочной и нижней долинами зоны проводимости, чтобы при отсутствии приложенного внешнего электрического поля бόльшая часть электронов находилась в нижней долине зоны проводимости;
эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. Электроны нижней долины должны иметь высокую подвижность μ₁, малую эффективную массу m₁^* и низкую плотность состояний. В верхних побочных долинах электроны должны иметь низкую подвижность μ₂, большую эффективную массу m₂^* и высокую плотность состояний;
энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние долины.

Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид галлия n‑типа.

Рассмотрим междолинный переход электронов в арсениде галлия. Приложим к однородному образцу из арсенида галлия электрическое поле. Если напряженность поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости (в центре зоны Бриллюэна). Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин зоны проводимости, они не переходят в верхнюю долину (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n‑типа

Электроны нижней долины имеют малую эффективную массу m₁^* и высокую подвижность μ₁. Плотность тока, протекающего через образец, определяется концентрацией электронов в нижней долине n₁ (n₁ = n₀, где n₀ – равновесная концентрация электронов в полупроводнике):

. (8.1)

Увеличим приложенное электрическое поле. С ростом поля возрастает скорость дрейфа электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают энергию eEl, отдавая при столкновениях с фононами кристаллической решетки меньшую энергию. Когда напряженность поля достигает порогового значения E_П, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости.

Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведет к уменьшению скорости дрейфа. При этом на вольт‑амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис. 8.2).

Рис. 8.2. N‑образная вольт‑амперная характеристика: E – электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; J – плотность тока

Для возникновения отрицательного дифференциального сопротивления необходим одновременный переход большинства электронов из центральной долины в боковую при пороговой напряженности электрического поля (рис. 8.3). Но получить статическую ВАХ, соответствующую сплошной кривой, не удается, так как в кристалле или около невыпрямляющих контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, превышающие среднюю напряженность. Превращение в этих местах «легких» электронов в «тяжелые» еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Поэтому практически не получается одновременного перехода большинства электронов в кристалле из центральной долины в боковую и статическая ВАХ остается без участка с ОДС.

Рис. 8.3. Распределение электронов при различных значениях напряженности поля