耿氏效应

物理学术语

耿氏效应（Gunn effect）是 1963年，由耿氏(J．B．Gunn) 发现的一种效应。当高于临界值的恒定直流电压加到一小块N型砷化镓相对面的接触电极上时，便产生微波振荡。在N型砷化镓薄片的二端制作良好的欧姆接触电极，并加上直流电压使产生的电场超过 3kV/cm时，由于砷化镓的特殊性质就会产生电流振荡，其频率可达10^9Hz，这就是耿氏二极管。这种在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。

耿氏效应原理

当在N型砷化镓单晶两端制作欧姆接触，并加上高电场后，发现在外加电场达到每厘米几千伏特的临界值时，出现很强的电流振荡现象，其频率在微波范围以内。这个现象称为Gunn效应，是J.B.Gunn于1963年首次在实验中发现的。以后在磷化铟材料中也发现类似现象。Gunn实验用的欧姆接触金属材料为Sn(对GaAs)和In(对InP)，电场的临界值为2000～4000 V/cm。Gunn发现振荡频率主要由样品决定，与外电路无关，其范围为0.47～6.5GHz/s 。振荡周期一般与样品的长度成反比，接近于两个电极之间电子的渡越时间。晶体的方向、电阻率以及温度均未发现对振荡频率有显著的影响。

电子在半导体导带各个能谷之间的转移是Gunn效应的基础。通常，砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的导带有两个能谷，它们之间的能隙为ΔE。在外电场为零时，导带电子按晶格温度及各自的态密度所决定的分布规律分布在两个能谷中，这时几乎所有电子均处于低能谷中。当外加电场强度逐渐增加时，电子被加速，电子速度随电场强度线性增加。当电场达到ℰa时，电子从低能谷向高能谷转移。当电场强度达到ℰb时，几乎所有电子均被转移到高能谷。如果高能谷电子的迁移率显著小于低能谷电子的迁移率，也即高能谷电子的有效质量显著大于低能谷电子的有效质量。这样，随着电场强度的增加，电子的平均迁移率下降，平均速度也减小，便出现了负微分电阻率的情况，这就是Gunn效应的物理解释。

由于Gunn效应是一种体效应，除了欧姆接触以外不包含PN结或其他界面。因此，利用Gunn效应制成的器件属于体效应器件。

影响因素

耿氏效应与半导体的能带结构有关：砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心，在布里渊区边界L处还有一个能谷2，它比能谷1高出0.29ev。当温度不太高时，电场不太强时，导带电子大部分位于能谷1。能谷1曲率大，电子有效质量小。能谷2曲率小，电子有效质量大。由于能谷2有效质量大，所以能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小，即，当电场很弱时，电子位于能谷1，平均漂移速度为。当电场很强时，电子从电场获得较大能量由能谷1 跃迁到能谷2，平均漂移速度为，由于，所以在速场特性上表现为不同的变化速率(实际上和是速场特性的两个斜率。即低电场时，高电场时)。在迁移率由变化到的过程中经过一个负阻区。在负阻区，迁移率为负值。这一特性也称为负阻效应。其意义是随着电场强度增大而电流密度减小。

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