Горячие электроны: Отрицательная дифференциальная скорость
В ряде полупроводников, как например в ваАэ (смотрите рис. 6.8) и 1пР зависимость средней скорости от напряженности поля проявляет максимум, за которым следует режим уменьшения скорости. Объяснение этого явления может быть найдено из рассмотрения зонной структуры этих полупроводников (рис. 5.7). Помимо основного минимума в центре зоны Бриллюэна зона проводимости обладает локальными минимумами (Ь - и ^-долинами), лежащими на несколько сотен мэВ выше Г-долины. В условиях теплового равновесия состояния в этих долинах являются незанятыми. Однако, приложение достаточно сильного электрического поля способно ускорить электроны Г-долины до энергии, приближающейся к энергии состояний /,-долины, в которые они в конце концов и могут быть рассеяны. После переброса в 1-долину происходит резкое уменьшение скоростей электронов. Даже несмотря на то, что электрическое поле будет способно вновь ускорить эти электроны из состояний в этой долины, их скорости тем не менее останутся значительно меньшими по сравнению с электронами в Г-долине с учетом того, что эффективная масса т1 значительно больше эффективной массы тг В стационарном состоянии заполнение состояний с уменьшенной подвижностью продолжает усиливаться по мере возрастания напряженности поля, что приводит к общему уменьшению скорости электронов, как этот показано на рис. 6.10.
Этот эффект отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) не является просто любопытным фактом, так как он способен приводить к пространственным и/или временным нестабильностям. Например, представьте себе полупроводник, легированный до среднего уровня концентрации п0 и поляризованный напряженностью поля, обеспечивающей режим ОДС. Положительные флуктуации поля в точке ъ в момент времени / приведут к уменьшению скорости в этой точке так, что в направлении потока электронов плотность электронов будет меньше п0, а в противоположном направлении выше п0. В результате возникнет заряженный диполь, воздействие которого приведет к возрастанию поля (и следовательно, неоднородности поля) в точке I. Этот процесс характеризуется собственной обратной связью, что приводит к формированию дипольного домена, который движется со скоростью, имеющей промежуточное значение между скоростью насыщения и максимальной скоростью в кристалле. Такая дипольная структура исчезает, как только она достигает анода, и вблизи катода возникает новый аналогичный домен. Из этого, мы видим, что ток в цепи будет обладать колебательной компонентой с периодом порядка Ь/у, где Ь есть длина активной зоны полупроводника. При Ь ~ 1 мкм и V ~ 105 м/с это
Соответствует частоте генерации 100 ГГц. Такие приборы (названные в честь изобретателя диодами Ганна) обеспечивают возможность изготовления компактных твердотельных СВЧ-источников и определяют важную сферу применения эффекта ОДС.
