водимости. Наличие именно этого участка приводит к неустойчивости в распределении пространственного заряда.

Схема взаимодействия в приборах этого типа с резонансной системой представлена на рис. 2.15, а. Электронный поток создается в полупроводнике л-типа, находящемся под действием постоянного электрического поля Е^,. Полупроводник однородный, поэтому поле внутри него также однородное. Однако оказывается, что однородное распределение поля, а следовательно, и пространственного заряда при наличии спадающего участка в зависимости v - f (Е) неустойчиво. Рассмотрим это более подробно.

Е,кВ/см

Рис. 2.13. Зависимость скорости электронов в арсениде галлия от напряженности электрического поля:

/ - д„£; 2 - д„2£

Рис. 2.14. Долинная структура арсенида галлия

Будем считать, что Е^ = Е^п скорости электронов максимальны. Предположим, что в каком-то месте полупроводника имеется неоднородность в виде примеси, действие которой приводит к увеличению поля Е. Тогда в этом месте скорость электронов будет уменьшаться. В результате электроны, находящиеся ближе к катоду, догоняют замедленные электроны, а электроны, уже прошедшие место, где действует примесь, начинают с большей скоростью убегать к аноду. Нарушается равномерное распределение пространственного заряда, возникают слои с отрицательным / н положительным 2 зарядами (слои накопления и обеднения) (рис. 2.15, в). Этот процесс приводит к дальнейшему увеличению напряженности поля в месте распо-

Kamaa

E,kB/cm

/-V-

ложения примеси и уменьшению его в остальной части полупроводника. При этом существенная часть напряжения, приложенного к полупроводнику, падает на область полупроводника с неоднородностью, поэтому вне ее £ < £ .

С ростом поля торможение электронов увеличивается и тем самым >скоряется процесс образования слоев пространственного заряда, становясь лавинообразным. В полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая д о-меном (рис. 2.15, б). Насыщение, соответствующее состоянию динамического равновесия, наступает, когда скорость движения зарядных слоев окажется равной скорости электронов вне слоев за доменом. После образования домена электронный поток становится неравномерным. Обычно домен образуется у катода, где концентрация примесей, так же как и у анода, больше, чем в остальном объеме полупроводника. Домены, возникающие у анода, обычно не успевают сформироваться.

Домен перемещается от катода к аноду со скоростью v, приблизительно равной дрейфовой скорости электронов: д = (-1л1вд = Цгг^д 10 см/с, где - электрическое поле в области домена, а - вне его.

Поле однородно. Пока домен движется от катода к аноду, через полупроводник протекает ток Ii = е {п^ + + 2)Ц/;1вд- Когда домен достигает анода, ток возрастает до значения 1 е [п^ + 2)ц 1п. т. е. во внешней цепи при Е Е„ протекает прерывистый ток. Это явление называется эффектом Ганна.

Если во внешнюю цепь включить резонансную систему, то в ней будут возбуждаться колебания, частота которых определяется частотой ганновских осцилляции / = vJL = = 0,02 -г- 10 ГГц. Граничные значения частоты определяются максимальной и минимальной толщиной полупровод-

Рис. 2.15. Схема взаимодействия в приборах с неустойчивым распределением пространственного заряда (а); распределение электрического поля (б) и заряда (в) в полупроводнике с доменом сильного поля

ника L мкм -f- 2,5 мм, при которой современными технологическими средствами можно обеспечить его однородную структуру.

Очевидно, что важным параметром является время образования домена тд, причем оказывается, что тд (л, -f /tg) = = (7 -ь 8) 10* с/см. Для формирования домена должно выполняться неравенство тд < L/v, откуда следует условие или критерий Кремера, см :

{ i + rt2)L> 104 (2.50)

Если это условие не выполняется, то генерация отсутствует.

Проведенный анализ справедлив для случая, когда внешняя цепь прибора не влияет на электронные процессы в полупроводнике. Обычно на практике внешней цепью является PC, обладающая большой добротностью. При этом в PC создаются СВЧ-колебания большой амплитуды.

Поскольку в этом случае полупроводник находится под действием как постоянного, так и СВЧ переменного электрических полей процессы взаимодействия потока электронов с полем усложняются. При этом приборы могут работать в различных режимах: с задержкой образования домена; с подавлением домена; с ограничением накопления пространственного заряда; в гибридном режиме усиления и т. д. (см. § 10.2).

5. Взаимодействие в лавинно-пролетных приборах

При больших напряженностях полей Е > 100 кВ/см в полупроводниках возникает ударная лавинная ионизация, в результате чего ток через них резко возрастает. Это явление используют для создания электронных сгустков. Причем используется пробой не в однородном полупроводнике, а в р-л-переходе, вольт-амперная характеристика которого представлена на рис 2.16, й. Использование р-л-переходов для этих целей удобно, так как они имеют малую протяженность и в них легко обеспечить условия пробоя. Если и < и ар (Unp - напряжение пробоя), то обратный ток в р-л-переходе резко возрастает. Если на такой переход действует кроме постоянного Lnp переменное напряжение Ui = Ui sin со/, то через р-л-пере-ход, как в обычном транзисторе, работающем в режиме с отсечкой тока, протекают импульсы тока.