Эффект Ганна

8 Мар в 12:00

Среди физических эффектов особняком стоит один весьма интересный феномен, который получил название эффекта Ганна, по имени английского физика Джона Ганна, открывшего его в 1963 году…

Суть его заключается в том, что если к однородному образцу из специального материала с имеющимися электрическими контактами приложить электрическое поле, величина которого превышает некоторое пороговое значение (эффект наблюдался первооткрывателем на кристаллах арсенида галлия и фосфида индия; для первого напряжённость электрического поля должна составлять 3 кВ/см, а для второго — 6 кВ/см), то во внешней электрической цепи начинают наблюдаться колебания тока. Причём было обнаружено, что период этих колебаний примерно равен времени полёта электронов от катода к аноду, а частота колебаний была достаточно большой и находилась в области СВЧ-диапазона: $Т_{0}\approx L/u_{g}$ , где: $inline$ — длина экземпляра; $u_{g}$ — скорость дрейфа электронов.

Через некоторое время он опубликовал результаты своих исследований в более подробном виде, где было показано, что при превышении некоторого порогового значения в исследуемом образце образуется область сильного электрического поля (в литературе эта область обычно называется доменом), которая дрейфует от катода к аноду и исчезает у анода, а скорость этого дрейфа примерно составляет $10^{7}$ см/с.

Процесс является периодическим, то есть повторяется, и характеризуется тем, что при появлении домена величина тока падает, а при исчезновении домена снова возрастает и достигает порогового значения. При этом размер этого домена достигает приблизительно 1/10 — 1/30 от длины образца:

Картинка: М. Е. Левинштейн, Ю. К. Пожела, М. С. Шур — «Эффект Ганна»

▍ Конструкции диода Ганна

На момент появления конструкция диодов была достаточно упрощённой (1), и в большинстве своём представляла пластину из арсенида галлия, на которую наносились контакты, имеющие меньшее сопротивление, чем эта пластина. Основными проблемами такой конструкции являются сложность нанесения контактов и отвод тепла.

Альтернативным подходом является создание диодов по технологии сэндвич (2), где на поверхность пластины из арсенида галлия наносятся омические контакты. У такой конструкции также имеются сложности, связанные с теплоотводом из-за большой толщины.

В указанных выше конструкциях частота диода мало зависит от приложенного напряжения и определяется длиной рабочей области арсенида галлия, поэтому были разработаны и альтернативные конструкции (3,4), позволяющие изменением напряжения регулировать рабочую частоту:

Картинка: М. С. Шур — «Эффект Ганна»

Выше было уже сказано о так называемых «омических контактах», под которыми понимают контакты из материала более низкого сопротивления, чем материал диода, максимально возможной плоской формы; при этом сопротивление диода до пороговых значений появления эффекта Ганна соответствует закону Ома.

Несмотря на то, что выше было сказано, что контакты должны иметь максимальную плоскую форму, такие контакты могут быть изготовлены как в виде плоского слоя, который получается с помощью напыления на поверхность арсенида галлия, так и в виде шариков, которые вплавляются в защитной атмосфере прямо в поверхность арсенида галлия.

▍ Интересные физические явления и эффект Ганна

Из-за того, что в ганновских генераторах значения напряжённости электрического поля могут быть достаточно высокими, например, до 300 кВ/см, а само электрическое поле изменяется во времени и пространстве с большой частотой, которая может измеряться даже сотнями гигагерц, это вызывает возникновение ряда интересных явлений, таких как:

генерация инфракрасного излучения;
генерация лазерного излучения;
модуляция света;
генерация мощного ультразвука.

Например, если говорить о генерации инфракрасного излучения, то оно возникает за счёт того, что сильное электрическое поле (150 кВ/см и более) вызывает ударную ионизацию в образце, так как разогнанный до больших скоростей электрон приводит к рождению электронно-дырочной пары, что, в свою очередь, приводит к возникновению рекомбинационного излучения, суть которого заключается в том, что электрон, когда он находится в зоне проводимости, может рекомбинировать с дыркой (т. е. перейти на свободное место в валентной зоне). В результате чего происходит испускание кванта света с определённой частотой, которая для арсенида галлия составляет 0,9 мкм, что означает, что частота этого кванта относится к инфракрасной области.

Говоря о генерации лазерного излучения, следует сказать, что для полупроводника такая генерация осуществляется за счёт того, что рекомбинируют неравновесные электронно-дырочные пары, и главной задачей при создании таких полупроводниковых устройств является обеспечение условий для большой концентрации таких неравновесных пар, и обычно такая генерация осуществляется только в узкой полоске p-n перехода.

В отличие от указанного способа, с генерацией только в узкой полоске, в диодах Ганна такая генерация возможна сразу во всём объёме образца.

Кроме того, как было указано выше, с помощью эффекта Ганна возможно и осуществление модуляции света, причём с СВЧ-частотой (благодаря тому, что электрическое поле в диоде Ганна меняется с очень большой частотой).

Например, известны эксперименты, где осуществлялось изменение преломления кристаллов (с использованием электрооптического эффекта Поккельса, когда меняющееся электрическое поле изменяет показатель преломления кристалла).

Кроме того, проводились и успешные эксперименты по увеличению поглощения света кристаллами под воздействием электрического поля (эффект Франца-Келдыша), где экспериментально была установлена возможность увеличения поглощения на 25%.

Кроме указанных эффектов, было обнаружено, что арсенид галлия имеет ярко выраженный пьезоэлектрический эффект, что означает, что если к нему приложить в определённых направлениях сильное электрическое поле, то это будет приводить к деформациям кристаллической решётки, за счёт чего возможно осуществлять генерацию ультразвуковых колебаний.

При этом было выявлено, что эффективность генерации будет особенно велика на частотах эффекта Ганна, а мощность будет достигать десятков ватт на квадратный сантиметр. Кроме того, был обнаружен и смежный эффект, который заключается в том, что СВЧ-генерация может модулироваться прикладываемым извне ультразвуком.

▍ Устройства на основе эффекта Ганна

Эффект Ганна нашёл множество практических применений, одним из которых является так называемый «диод Ганна», преимущество которого (если сравнивать его с транзисторами) состоит в том, что он является объёмным прибором, то есть в нём работает весь объём имеющегося вещества, а не только маленькая область p-n перехода.

Благодаря своим свойствам, на основе эффекта Ганна создаются и весьма эффективные твердотельные генераторы СВЧ, выходная мощность которых в непрерывном режиме достигает нескольких ватт, а в импульсном режиме может измеряться киловаттами.

СВЧ-излучение обладает потенциально большим спектром применений: может использоваться от радиолокации до медицины и радиосвязи, но до определённого момента широкое применение этого спектра радиоволн сдерживалось из-за отсутствия достаточно компактного и мощного генератора СВЧ.

Несмотря на то, что у диода Ганна существуют конкуренты, в числе которых можно назвать магнетроны, лампы обратной и бегущей волны, клинстроны, способные генерировать большие выходные мощности, измеряющиеся даже десятками мегаватт в области частот миллиметрового диапазона 30-300 ГГц, их габариты и сложность устройства обычно довольно велики и оставляют желать лучшего. В связи с этим, например, их затруднительно применять в таких конструкциях, как фазированная антенная решётка, а имеющиеся более компактные аналоги, в числе которых можно назвать туннельные диоды и СВЧ-транзисторы, обеспечивает слишком маленькую выходную мощность.

Ниже приведён график, показывающий зависимость мощности от частоты:

Картинка: М. С. Шур — «Эффект Ганна»

Показанные на графике туннельно-пролётные диоды и диоды Ганна могут обеспечить хорошую выходную мощность с хорошей эффективностью и при весьма компактных размерах. Кстати, о размерах: максимальная частота работы диода Ганна ограничена его длиной и практически находится в пределах нескольких десятков ГГц (частота обратно пропорциональна длине диода, а выходная мощность пропорциональна квадрату напряжения смещения).

При этом нужно отметить, что показанные на графике значения относятся к типовым экземплярам, а отдельные экспериментальные образцы могут достигать мощностей в 3,5 Вт в непрерывном режиме и 3,1 кВт в импульсном режиме при частоте порядка 1,5 ГГц (эта информация на данный момент, скорее всего, устарела и текущие показатели мощности наверняка выше, так что следует к ней относиться просто как «к сведению»).

Примерно тогда же, когда была открыт и диод Ганна, а именно в 1965 году, был открыт и новый режим работы диода (Ограниченного Накопления Объёмного Заряда — ОНОЗ), который заключался в том, что если приложить к нему напряжение, существенно превышающее пороговое, при котором начинает проявляться эффект Ганна, возникают колебания, частота которых существенно выше частоты пролёта электронов, о которой мы говорили выше; при этом частота также зависела от длины диода, но в другую сторону: при увеличении длины диода частота увеличивалась.

В теории, частота в этом режиме может составить вплоть до 800 ГГц, тем не менее, практически наблюдались частоты порядка 160 ГГц, а выходная мощность была ограничена доступным теплоотводом и составляла порядка нескольких ватт в непрерывном режиме и нескольких киловатт — в импульсном. На момент исследований учёные пришли к выводу, что подобные диоды Ганна, работающие в импульсном режиме ОНОЗ, представляют собой самые мощные твердотельные генераторы СВЧ.

На основе эффекта Ганна могут быть изготовлены не только генераторы СВЧ-колебаний, но и широкополосные усилители СВЧ-диапазона.

В целом виды усилителей на эффекте Ганна можно классифицировать следующим образом:

Картинка: М. Е. Левинштейн, Ю. К. Пожела, М. С. Шур — «Эффект Ганна»

Как можно видеть из приведённой выше схемы, ганновский усилитель может служить в качестве параметрического усилителя.

Примером такого усилителя являются обычные качели: качающийся на них человек проседает в определённый момент, чтобы увеличить амплитуду.

В усилителе на основе диода Ганна меняют с помощью сигнала накачки характеристики колебательного контура, где с изменением частоты меняется и ёмкость, а получившийся параметрический усилитель по своим параметрам превышает усилители на варакторных диодах.

Кроме того, так как диод Ганна сочетает в одном устройстве и генератор СВЧ, и его усилитель, то можно создавать и более сложные устройства на его основе, например, известны гетеродинные усилители СВЧ, действующие на таком принципе.

В целом можно сказать, что мощность усилителей на основе диода Ганна может достигать 50 ДБ, что позволяет рассматривать их в качестве интересного технического варианта. Единственной проблемой в этом случае остаётся высокий уровень шумов такого усилителя.

Ещё одним вариантом применения диода Ганна является создание быстродействующих логических схем и элементов памяти благодаря его свойству генерировать импульсы в один период рабочей частоты. Время срабатывания таких элементов не будет превышать нескольких десятков наносекунд.

Кроме того, диод Ганна может быть использован и в качестве стабилизатора тока, который базируется на свойстве его вольтамперной характеристики, описывающий возможность насыщения при достижении определённых условий:

Картинка: М. С. Шур — «Эффект Ганна»

То есть, говоря другими словами, стабилизатор на его основе может быть использован в качестве средства стабилизации относительно малых токов на высоких частотах или стабилизации относительно больших токов на малых частотах.

Преимуществами его работы в качестве стабилизатора являются быстрое время установления режима стабилизации и возможность работать очень широком диапазоне напряжений и токов.

Ещё одним направлением применения диода Ганна является создание так называемых «нейристоров», представляющих собой физическое устройство, имитирующее аксон — длинный отросток нервного волокна, идущего от нервной клетки.

В заключение можно сказать, что наверняка не все возможные применения такого интересного эффекта нашли свою реализацию, и они всё ещё ждут своих исследователей и изобретателей…