4.2.6. Ганновские приборы

В полупроводниковой континуальной среде с N-образной объемной вольтамперной характеристикой возникает генерация высокочастотных колебаний электрического тока, представляющая собой эффект Ганна.

Генерируется динамическая неоднородность в виде электрического домена, которая называется доменом Ганна (рис. 4.26).

Если к торцам кристалла GaAs n-типа длиной l, обладающего N-образной ВАХ, приложить напряжение U такое, что Е_кр < U/l < Е_пор, то возникают локальные флуктуации плотности заряда (рис. 4.26, а). Эта флуктуация величиной X₁, Х₂ расположена на падающем участке ВАХ в области отрицательной дифференциальной проводимости (рис. 4.26, б, в).

Напряженность поля вследствие флуктуации возрастает на величину Е, а плотность тока j в области X₁ < X < Х₂ окажется ниже, чем вне области. Электроны, движущиеся против сил поля, начинают скапливаться вблизи X₁ и образовывать отрицательный заряд. На координате Х₂ остается некомпенсированный положительный заряд (рис. 4.26, в). Образуется электростатический домен, обедненный свободными электронами.

Рис. 4.26. Устройство на доменах Ганна (а), ВАХ (б),

распределение поля в полупроводнике (в)

и форма импульсов генерации (г)

Под воздействием электрического поля домен перемещается в континуальной среде от катода к аноду со скоростью дрейфа электронов v_др (10⁵ - 10⁷ м/с). На аноде происходит рекомбинация электронов или их детектирование. Динамическая неоднородность распадается, вызывая импульс тока во внешней цепи. Форма импульса тока приведена на рис. 4.27, а. Одновременно у катода зарождается новая динамическая неоднородность в виде домена и процесс повторяется. Размер домена составляет х = 10 - 20 мкм. Специфичность эффекта Ганна состоит в том, что преобразование мощности постоянного тока происходит во всем объеме среды, а не в узкой области, например, р-п-переходе. Поэтому генераторы на основе эффекта Ганна имеют значительную мощность. В качестве среды используются InP, CdTe, ZnS, InSb, InAs n-типа, а также в Ge р-типа с характерным размером - 1 мм.

На основе эффекта Ганна разработаны конструкции процессоров и памяти. Рассмотрим некоторые из них.

Управление импульсами тока может производиться функцией, являющейся произведением профиля легирования среды на площадь поперечного сечения образца. По существу эта функция определяет заряд электростатического домена. В этом случае легко генерировать колебания тока сложной формы, придавая соответствующую форму образцу (рис. 4.27, а).

Рис. 4.27. Общий вид образцов и форма генерируемых

импульсов тока (а); прибор с профилированным

электродом (б)

Форму колебаний можно задавать также с помощью профиля металлического контакта на поверхности образца, описываемого заданной функцией f(X). В этом случае процессор произведет преобразование функции координат f(X) во временную функцию f(t). Металлический электрод изолируется от образца диэлектрической пленкой (рис. 4.27, б).

На основе прибора Ганна неудачно названного диодом, можно реализовать устройства логики, используя два его состояния: омическое (без домена) и с доменом сильного поля. В диод Ганна вводится устройство управления в виде затворов Шоттки, которые расположены перпендикулярно направлению тока. В таком приборе можно стимулировать или подавлять ганновский домен, а значит формировать нужную логическую функцию.

Диоды Ганна могут быть использованы в устройствах памяти высокого быстродействия (порядка 10^-10 с). Как правило, как элементы памяти, так и ЗУ реализуются на диодах Ганна, объединенных в устройство на основе различных схемотехнических решений, и особого интереса для практической электроники не представляют.