Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
различных L-долин будут перемещаться вдоль направления с различными
эффективными массами, а значит, и подвижностями. Поэтому разогрев
электронов в различных долинах будет раз-зоннои структуры герма~ ным и
зависящим от ориентации ДО-ния. лины относительно поля. Это об-
30
стоятельство приводит к междолин-ному перераспределению электронов и
неустойчивостям тока типа эффекта Ганна.
В общей сложности в германии экспериментально наблюдались свыше 10 видов
неустойчивостей тока, связанных с различными вариантами междолинных
перебросов носителей тока при разогреве их электрическим полем. Эти
неустойчивости наблюдались в экспериментах четырех типов:
1) неустойчивость тока в п-Ge при направлении поля вдоль оси <111>
(эффект Кастальского - Рывкина);
2) колебания тока в n-Ge при направлении поля вдоль оси <100>;
3) колебания тока в я-Ge при деформации кристалла;
4) колебания тока в p-Ge при деформации кристалла.
Сюда не вошли многие другие типы неустойчивостей тока, наблюдаемых в
германии, связанные с явлениями, по своей физической природе не схожими с
эффектом Ганна.
Рис. 4.8. Эллипсоиды поверхностей постоянной энергии электронов L-долин
германия (а) и анизотропия эффективной массы электрона в L-долине (б).
4.3.2. Эффект Кастальского - Рывкина
Рассмотрим ток в jL-долинах n-Ge, когда электрическое поле на-правлено
вдоль оси < 111 >. Электроны эллипсоида <111> вдоль этого направления
имеют эффективную массу, почти в двадцать раз более тяжелую, чем в
остальных трех эллипсоидах (рис. 4.9,а). В равновесных условиях электроны
равномерно распределены между долинами. Три четверти электронов имеют
более легкую массу и высокую подвижность, чем остальная четверть. В
электрическом поле легкие электроны приобретают от поля большую энергию,
чем тяжелые. В результате их температура становится выше температуры
тяжелых и возникает ситуация, при которой частота переходов из долин с
малой эффективной массой (горячих долин) в долину с тяжелой эффективной
массой (холодную долину) превышает частоту обратных переходов. Другими
словами, происходит процесс междолиниого переброса, схожий с тем, что
имеет место в арсениде галлия, но в отсутствие междолинного
энергетического зазора.
В n-Ge все L-долины эквивалентны и плотность состояний в них одинакова.
Неэквивалентны лишь значения эффективных масс в направлении <111>, и
поэтому тяжелой, несмотря на отсутствие междо-линной щели, оказывается
лишь одна четверть электронов. Отсюда
91
возникает возможность осуществления эффекта Ганна в n-Ge.
Расчет показывает, что в n-Ge действительно может возникать отрицательное
дифференциальное сопротивление при направлении электрического поля вдоль
оси < 111 >> [42, 43] . Для этого необходимо
обеспечение низкой температуры (<30 К) и наличие очень чистого образца
(концентрация доноров и акцепторов около 1012 см-3). Повышение
температуры решетки, рассеяние на примесях и межэлектронное рассеяние
зедут к выравниванию температур и концентраций в тяжелых и легких
долинах, препятствуя образованию отрицательного дифференциального
сопротивления. Поэтому в экспериментах при 77 и 300 К отрицательное
сопротивление не наблюдалось.
Существование отрицательного дифференциального сопротивления и осцилляций
тала осцилляций Ганна в n-Ge при /: < i i 1 > и низких температурах было
впервые обнаружено в [44]. Эксперимент проделан на образцах n-Ge с
суммарной концентрацией доноров и акцепторов
Nd + Na~ (5 ... 6) -1012 см-3 и разностной концентрацией Nd-
JVa~
"'(1 ... 3) -10"12 см-3. На рис. 4.10 приведены осциллограммы колебаний и
вольт-амперные .характеристики, заимствованные из более поздней работы
[45].
____________?=19,1 В/см
17,6
-AV^VVVVVVVVWVVV^
15,0
8.3
ДДАЛАДААЛаЛ
7.3
---------"
5,5
а
6
Рис. 4.10. Осциллограммы колебаний тока при различных значениях Е(а) и
вольт-амперные характеристики для n-Ge (б) при ND = 5-1012 см~3. Поле
приложено вдоль
оси <С111>:
а Т~17,2К, длительность импульса 3 мкс, L-3,1 мм; б - усредненные по
колебаниям вольт-ампер-ные характеристики при различных температурах.
32
19,1 1,11 1,11 1,11
О W vy
-----------------------------------------------------¦-^я-
* 111>
а.
Рис. 4.9. Схема структуры четырех L-do-лин зоны проводимости германия, а
- в направлении <111>; б - в направлении <211>, когда вдоль оси <111>
действует давление 104 кг!см2. Цифры в долинах соответствуют значениям
эффективных масс электронов в выбранном направлении в единицах mjmt.
4.3.3. Эффект Ганна в n-Ge, когда поле направлено вдоль
кристаллографической оси <100>
Относительно направления <100> все эллипсоиды постоянной энергии L-долин
ориентированы одинаково (рис. 4.8), и эффективные массы электронов в этом
направлении во всех долинах одинаковы. Поэтому переброс электронов из
одной L-долины в другую не может привести к возникновению отрицательного
дифференциального сопротивления.
Однако падающий участок на кривой v(E), как показывают теоретические
