3. Доменная неустойчивость

Полупроводниковые материалы обычно неоднородны по удельному сопротивлению. Пусть в образце на расстоянии x₀ от катода (рис.3.1,а) существует область повышенного сопротивления шириной x. Напряженность электрического поля в этой области будет выше, чем в других частях образца (рис.3.1,б, кривая 1), и именно здесь, в первую очередь, она достигает значения Е_пор при постепенном увеличении внешнего напряжения.

Вследствие снижения подвижности при Е > Е_пор электроны в слое x медленно перемещаются к аноду. Скорость их дрейфа . Справа и слева от области x с более высокой скоростью дрейфуют электроны с эффективной массой . Легкие электроны слева от слоя x догоняет зону тяжелых электронов, а справа уходят вперед. В результате на участке от x₁ до x₂ (рис.3.1,в) создается отрицательно заряженный слой с повышенной концентрацией электронов и примыкающий к нему положительно заряженный обедненный слой. Эта область двойного заряда называется доменом.

Рис.3.1. Схема диода Ганна (а), распределение напряженности

электрического поля (б) и концентрации электронов (в)

при образовании домена

Возникновение домена сопровождается перераспределением электрического поля. Рост сопротивления приводит к повышению напряженности электрического поля в области домена, тогда как на остальной части образца поле снижается (рис.3.1,б, кривая 2). Это приводит к выравниванию скоростей движения электронов внутри домена и вне его, то есть

, (3.1)

где E_d , E_b - напряженность электрического поля в домене и вне его. Установившаяся скорость движения домена (V_d) будет ниже, чем максимальная скорость дрейфа электронов в образце.

Таким образом, в момент включения внешнего напряжения (рис.3.2, t = t₀ ) ток через образец равен j_max .

Рис.3.2. Колебания тока, протекающего через диод Ганна

Домен обычно возникает у катода, где имеется высокоомный приконтактный слой. Время формирования домена очень мало (меньше 10 ^-12 с). Поэтому ток через образец уменьшается практически мгновенно, напряженность электрического поля вне домена (E_b) меньше пороговой величины (см.рис.3.1,б), поэтому второй домен образоваться не может. В течение времени домен дрейфует к аноду, и ток через образец не изменяется ( j = j₀ ). На аноде домен разрушается, ток в цепи возрастает до величины j_max , а напряженность электрического поля - от Е_b до Е_пор (см.рис.3.1,б, кривая 1). У катода образуется новый домен и цикл повторяется. Частота колебаний тока зависит от длины образца и при L=10 мкм достигает 10 ГГц.

4. Порядок выполнения работы

1. Работа выполняется на стенде ЛР № 5. В работе используется диод Ганна типа 3А719А.

2. Снять вольт-амперную характеристику предлагаемого диода Ганна и построить график I= f(U) .

3. Рассчитать пороговую напряженность электрического поля (см.рис.2.4). Длина образца L =1,310 ^-3 см.

4. Оценить максимальную плотность тока через диод. Радиус поперечного сечения образца принять равным 7,510 ^-3 см.

5. Рассчитать статическую проводимость диода (_ст) для всех измеренных точек вольт-амперной характеристики.

Рис.4.1. Схема измерения вольт-амперной характеристики

диода Ганна: 1 - источник напряжения; 2 - исследуемый диод

6. Рассчитать и построить зависимость эффективной подвижности электронов от напряжение на диоде.

, (4.1)

где ₀ - проводимость диода на участке выполнения закона Ома (см.рис.4, Е < Е_пор). Величину ₁ принять равной 4500 см²/Вс.

7. Оценить максимальную величину отрицательного дифференциального сопротивления R_диф диода

, (4.2)

где U - приращение напряжения;  I - соответствующее приращение тока.

8. Рассчитать максимальное изменение подвижности. ( Теоретически ).

9. Сделать выводы по работе.