Efecto Gann

El efecto Gunn es el fenómeno de las oscilaciones de corriente (~ 10 9 -10 10 Hz) en un semiconductor homogéneo de múltiples valles cuando se le aplica un fuerte campo eléctrico. Este efecto fue observado por primera vez por John Gunn en 1963 en el arseniuro de galio , luego se descubrió el fenómeno de las oscilaciones de corriente en el fosfuro de indio , el fosfuro de galio y una serie de otros compuestos semiconductores .

Física del fenómeno

El efecto Gunn puede ocurrir en un semiconductor en el que hay más de un mínimo de energía en la zona de Brillouin y encontró una explicación en el marco de la teoría de Ridley-Watkins-Hilsum . La figura muestra el mínimo principal, que determina la brecha de banda, y el mínimo lateral, desplazado por el vector de onda final desde el cero de la banda, que tiene una distancia mayor a la parte superior de la banda de valencia que el mínimo principal, como en GaAs , InAs . En los semiconductores cuya banda de conducción tiene más de un mínimo de energía, un electrón con un vector de onda correspondiente a uno de los mínimos puede, al dispersarse, encontrarse en un estado con un vector de onda perteneciente a otro mínimo. Como resultado de tal dispersión, habrá una transferencia de electrones de un mínimo de la banda de conducción a otro. Este tipo de dispersión se llama intervalo. ${\vec{k}),$ ${\ vec {k'}},$

Consideremos la estructura energética del GaAs de tipo n en la dirección [100]. Las transiciones desde el mínimo A con estado al mínimo B con estado son posibles . Los mínimos A y B están separados por un intervalo de energía {{{1}}} . Cerca de los mínimos, la ley de dispersión se puede representar como una parabólica con diferente curvatura para los valles A y B. Por lo tanto, las masas efectivas de electrones en ellos también son diferentes e iguales , respectivamente. La movilidad de los electrones ligeros es mayor que la movilidad de los electrones pesados.La densidad de estados en el valle superior es aproximadamente 70 veces mayor que en el inferior. $\vec{k}$ $\vec{k'}$ $m_{{1}}^{{*}}=0.068m_{0}$ $m_{{2}}^{{*}}=1,2m_{0}$ $\mu _{{A}}\aprox. 4000\div 8000\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}$ $\mu _{{B}}\approx 100\div 200\,{{\mathrm {cm}}^{2} \over {\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {s}}}.$

En campos externos bajos, los electrones están en equilibrio termodinámico con la red y, dado que a temperaturas ordinarias, los electrones ocupan principalmente estados de energía cercanos al mínimo de A. La densidad de corriente $k_{B}T<<\Delta E,$

{\vec {j}}=en_{A}\mu _{{{A}}{\vec {E}}

determinado por la concentración de electrones ligeros y su movilidad. En este caso, la concentración de electrones La densidad de corriente aumentará linealmente con el aumento de la intensidad del campo hasta un cierto valor crítico $n_{0}=n_{A},$ $n_{B}=0.$ ${\vec{E}}_{a}.$

A medida que aumentan la energía y la velocidad promedio de los electrones, y en , se hace posible la transición de los electrones al valle B. Entonces, la concentración total de electrones será Una sección descendente aparecerá en la característica de amperios. Con un mayor crecimiento ( ), todos los electrones irán al mínimo B y se establecerá nuevamente una característica lineal I–V . ${\ vec {E}}$ $E>\Delta E$ $n_{0}=n_{A}+n_{B}.$ ${\vec{E}}_{a}$ ${\vec{E}}_{b}$ ${\ vec {j}),$ ${\ vec {E}}$ ${\vec {E}}>{\vec {E}}_{b}$ $n_{0}=n_{B},\,n_{A}=0.$

La experiencia de Gann

Considere una muestra de longitud L , a la que se le aplica un voltaje externo. En un semiconductor homogéneo, el campo eléctrico es aproximadamente el mismo en toda la longitud de la muestra. Pero si la muestra tiene una falta de homogeneidad local con mayor resistencia, entonces la intensidad del campo en este lugar de la muestra será mayor, por lo tanto, con un aumento en la intensidad del campo externo, el valor crítico surgirá principalmente en esta sección. Esto significa la acumulación en esta región (y no en todo el cristal) de electrones pesados y una disminución de su movilidad y, por lo tanto, un aumento de la resistencia en esta región. La zona resultante con un alto contenido de electrones pesados se denomina dominio eléctrico. ${\ vec {E}}_{A}$

Bajo la acción del campo aplicado, el dominio comienza a moverse a lo largo de la muestra a una velocidad de V ~ 10 6 m/s . A la izquierda ya la derecha del dominio de los electrones, los electrones ligeros se moverán a mayor velocidad que los pesados. A la izquierda, superarán el dominio y formarán una región de mayor concentración de electrones (región de carga negativa), y a la derecha, los electrones ligeros avanzarán, formando una región pobre en electrones (región de carga positiva). A un voltaje constante, se establecerá un equilibrio dinámico entre las velocidades de los electrones dentro y fuera del dominio. Cuando el dominio llega al final de la muestra (ánodo), el dominio se destruye, la corriente aumenta, se forma un nuevo dominio y el proceso se repite nuevamente.

Aunque puede haber varias faltas de homogeneidad en un cristal, siempre hay un solo dominio. Dado que, después de la desaparición del dominio eléctrico, puede surgir un nuevo dominio en otra falta de homogeneidad, se necesitan muestras muy puras y uniformes para observar y utilizar el efecto Gunn.

Un área obvia de aplicación del efecto Gunn es la fabricación de osciladores de microondas llamados diodos Gunn. Si la longitud de la muestra es de 100 µm y la velocidad de dominio es cm/s, entonces la frecuencia de oscilación es del orden de: ${\vec{V}}=10^{7}$

\nu ={1 \sobre T}={V \sobre L}={\frac {10^{7}\,{\mathrm {cm/s}}}{10^{{-2}}\,{ \mathrm {cm}}}}=10^{{9}}

Hz = 1 GHz.

Diodo de Gunn

El diodo Gunn es un tipo de diodo semiconductor utilizado para generar y convertir oscilaciones en el rango de microondas. A diferencia de otros tipos de diodos, el principio de funcionamiento del diodo de Gunn no se basa en las propiedades de las uniones pn , sino en las propiedades generales intrínsecas del semiconductor.

Literatura

Shalimova KV Física de semiconductores. - Moscú: "Energoatomizdat", 1985. - 392 p.
Gorbachov V.V., Spitsyna L.G. Física de semiconductores y metales. - "Metalurgia", 1982. - 336 p.
Peter Y., Cardona M. Fundamentos de la física de semiconductores. - Fizmatlit, 2002. - ISBN 5-9221-0268-0 .
Epifanov GI Fundamentos físicos de la microelectrónica . - M . : radio soviética, 1971. - S. 230 - 238. - 376 p. — 30.700 ejemplares.