Techniklexikon

Gunn-Effekt

In bestimmten Halbleitern auftretende elektromagnetische (Elektromagnetismus) Schwingungen im GHz-Bereich (Frequenz), die bei einer Feldstärke von etwa 200V/ cm entstehen. Der Effekt wird zur Erzeugung von Frequenzen zwischen 0, 5 und etwa 12, 4 GHz für Geschwindigkeitsmesser, Alarmanlagen etc. genutzt. In der Elektronik: Physikalischer Effekt, der in homogenen Halbleitern mit spezieller Bandstruktur unter dem Einfluß eines starken elektrischen Fei des auftritt und zu einem negativen differen Hellen Widerstand fuhrt. Der G. tritt nur in solchen Halbleitern auf, die im Leitungsband mehrere Energiemi-nima mit stark unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeiten aufweisen, so z. B. in einigen III-V-Halbleitern. Der dazu erforderliche Elektronentransfer, d. h. ein Übergang von einem Leitungsbandminimum in ein anderes, geschieht durch energetische Anregung der Ladungsträger: Bei Raumtemperatur (T = 300 K) können nur die unteren, energetisch günstigen Energieniveaus im Hauptminimum HM des Leitungsbandes von den Elektronen besetzt werden, d. h., alle Leitungselektronen befinden sich im Talboden vom HM. Wird an zwei Elektrodeneines Halbleiterwerkstoffs mit Elektronenleitung eine Spannung, d. h. ein elektrisches Feld angelegt, so nehmen die Ladungsträger Energie aus diesem Feld auf und sind in der Lage, im HM höhere Energieniveaus zu besetzen, was zu einer Erhöhung der Driftgeschwindigkeit führt. Oberhalb einer kritischen Feldstärke £k (bei Galliumarsenid etwa 3, 3 kVcm) hat ein erheblicher Anteil der Elektronen genügend Energie, um in das energetisch höher gelegene Nebenminimum NM überzugehen. Diese Umverteilung der Besetzung bewirkt eine Verarmung an Elektronen im HM. Da ihre Beweglichkeit im Tal von NM wesentlich kleiner ist, wird die mittlere Driftgeschwindigkeit der Elektronengesamtheit herabgesetzt, womit sich auch der Stromfluß durch den Halbleiter stark verringert. Die Strom-Spannungs-Kennlinie weist also einen abfallenden Bereich auf, der deshalb als negative differentielle Leitfähigkeit bezeichnet wird. Infolge dieses Verhaltens entstehen an der schwächer dotierten Katode (n+-Elektrode) Raumladungsschichten bzw. die sog. Dipoloder Gunn-Domänen, die das n-Gebiet durchlaufen und sich zur stärker dotierten Anode (n + +-Elektrode) hin bewegen. Bei geeigneter Vorspannung führt die Wanderung dieser elektrischen Instabilitäten im Volumen zu Oszillationen, so daß sich in Abhängigkeit vom Abstand Anode-Katode Schwingungen mit sehr hoher Frequenz erzeugen lassen. Dieser Effekt wird in Gunn-Elementen und » TED technisch ausgenutzt. Der G. ist ein typischer Halbleiter-Volumeneffekt (Halbleitereffekt). Er tritt besonders ausgeprägt im Galliumarsenid, lndium-phosphid, Indiumarsenid und in der Mischverbindung Gallium-Indium-Arsenid auf. Elektrodynamik und Elektrotechnik, eine mit der Interbandstreuung heisser Ladungträger verknüpfte Transporterscheinung in Halbleitern (Halbleiterphysik). Wenn die Energie der Ladungsträger ausreicht, um die Ladungsträger in die unteren Zustände eines energetisch höher gelegenen Bandes zu bringen, wozu ausserdem aus Gründen der Impulserhaltung Streuung an Phononen erforderlich ist, und wenn dort die Beweglichkeit infolge einer grösseren effektiven Masse wesentlich geringer als bei der energetisch tiefer gelegenen Bandkante ist, so kann diese Umverteilung der Ladungsträger auf die Umgebungen der verschiedenen Bandkanten zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit führen. Oberhalb eines kritischen Wertes der elektrischen Feldstärke kann dadurch ein Gebiet negativer differentieller Leitfähigkeit auftreten, das instabil ist.

Ausser einem genügend grossen Verhältnis der effektiven Massen von oberem und unterem Band muss der energetische Abstand D der betreffenden Bandkanten in einem bestimmten Bereich liegen.

Ausser n-GaAs, an dem der Gunn-Effekt entdeckt wurde (Gunn-Diode), können noch an einer Reihe weiterer Stoffe, die den obengenannten Bedingungen genügen, durch die Beweglichkeit bedingte Instabilitäten beobachtet werden. Dazu gehören beispielsweise n-Ge (bei Temperaturen unter 150 K), InP und Mischkristalle vom Typ GaAs_1-xP_x oder In_xGa_1-xSb, bei denen die energetischen Abstände der Bandkanten durch Variation der Zusammensetzung x geeignet gewählt werden können. Die geforderten Bandeigenschaften können auch gezielt durch uniaxialen Druck erzeugt werden, wenn man dabei sonst miteinander entartete Bandkanten, beispielsweise Valenzbänder im p-Ge oder die Täler in äquivalenten Punkten der Brillouin-Zone wie im n-Ge, energetisch aufspaltet.