La teoría de Ridley-Watkins-Hilsum es una teoría de la física del estado sólido que explica el mecanismo por el cual se desarrolla una resistencia negativa diferencial en un material semiconductor a granel cuando se aplica un voltaje a los terminales de la muestra [1] . Subyace en el funcionamiento del diodo Gunn , así como en varios otros dispositivos semiconductores de microondas que se utilizan en la práctica en generadores electrónicos para producir energía de microondas . Nombrado en honor a los físicos británicos Brian Ridley [2] , Tom Watkins y Cyril Hilsum, quien describió teóricamente el efecto en 1961 .
Las oscilaciones de resistencia diferencial negativa en semiconductores a granel fueron observadas en el laboratorio por John Gann en 1962 [3] y, por lo tanto, se denominaron "efecto Gann", pero en 1964 el físico Herbert Kroemer señaló que las observaciones de Gann podrían explicarse por el Ridley -Teoría de Watkins-Hilsum [4] .
En esencia, el mecanismo de Ridley-Watkins-Hilsum es la transferencia de electrones de conducción en un semiconductor desde un valle de alta movilidad a valles de menor movilidad y mayor energía. Este fenómeno sólo se puede observar en materiales con tales estructuras de bandas de energía .
Por lo general, en un conductor, un aumento en el campo eléctrico provoca velocidades más altas de los portadores de carga (generalmente electrones) y da como resultado una corriente más alta de acuerdo con la ley de Ohm . Sin embargo, en un semiconductor de múltiples valles, los electrones de mayor energía pueden pasar a estados en un valle diferente, donde en realidad tienen una masa efectiva mayor y, por lo tanto, se ralentizan con la misma energía. En efecto, esto hace que la velocidad disminuya y la corriente disminuya a medida que aumenta el voltaje. Durante la transferencia, la corriente en el material disminuye, es decir, aparece una resistencia diferencial negativa. A voltajes más altos, el aumento normal en la relación corriente-voltaje se reanuda después de que la mayor parte de los portadores ingresan al valle con una masa efectiva mayor. Por lo tanto, la resistencia diferencial negativa ocurre solo en un rango de voltaje limitado.
De los tipos de materiales semiconductores que cumplen estas condiciones, el arseniuro de galio (GaAs) es el más estudiado y utilizado. Sin embargo, el mecanismo de Ridley-Watkins-Hilsum se observa en fosfuro de indio (InP), telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de zinc (ZnSe) y arseniuro de indio (InAs) bajo presión hidrostática o uniaxial.