耿氏效應（Gunn effect）是 1963年，由耿氏(J．B．Gunn) 發現的一種效應。當高於臨界值的恆定直流電壓加到一小塊N型砷化鎵相對面的接觸電極上時，便產生微波振盪。在N型砷化鎵薄片的二端製作良好的歐姆接觸電極，並加上直流電壓使產生的電場超過 3kV/cm時，由於砷化鎵的特殊性質就會產生電流振盪，其頻率可達10^9Hz，這就是耿氏二極體。這種在半導體本體內產生高頻電流的現象稱為耿氏效應。
基本介紹
- 中文名：耿氏效應
- 外文名：Gunn effect
- 提出者：耿氏
- 提出時間：1963年
- 適用領域範圍：半導體
- 學科：物理
耿氏效應原理,影響因素,
耿氏效應原理
當在N型砷化鎵單晶兩端製作歐姆接觸，並加上高電場後，發現在外加電場達到每厘米幾千伏特的臨界值時，出現很強的電流振盪現象，其頻率在微波範圍以內。 這個現象稱為Gunn效應，是J.B.Gunn於1963年首次在實驗中發現的。 以後在磷化銦材料中也發現類似現象。Gunn實驗用的歐姆接觸金屬材料為Sn(對GaAs)和In(對InP)，電場的臨界值為2000～4000 V/cm。Gunn發現振盪頻率主要由樣品決定，與外電路無關，其範圍為0.47～6.5GHz/s 。振盪周期一般與樣品的長度成反比，接近於兩個電極之間電子的渡越時間。 晶體的方向、電阻率以及溫度均未發現對振盪頻率有顯著的影響。
電子在半導體導帶各個能谷之間的轉移是Gunn效應的基礎。通常，砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的導帶有兩個能谷，它們之間的能隙為ΔE。在外電場為零時，導帶電子按晶格溫度及各自的態密度所決定的分布規律分布在兩個能谷中，這時幾乎所有電子均處於低能谷中。 當外加電場強度逐漸增加時，電子被加速，電子速度隨電場強度線性增加。 當電場達到ℰa時， 電子從低能谷向高能谷轉移。 當電場強度達到ℰb時， 幾乎所有電子均被轉移到高能谷。 如果高能谷電子的遷移率顯著小於低能谷電子的遷移率，也即高能谷電子的有效質量顯著大於低能谷電子的有效質量。 這樣，隨著電場強度的增加，電子的平均遷移率下降，平均速度也減小，便出現了負微分電阻率的情況，這就是Gunn效應的物理解釋。
由於Gunn效應是一種體效應，除了歐姆接觸以外不包含PN結或其他界面。因此，利用Gunn效應製成的器件屬於體效應器件。
影響因素
耿氏效應與半導體的能帶結構有關：砷化鎵導帶最低能谷1位於布里淵區中心，在布里淵區邊界L處還有一個能谷2，它比能谷1高出0.29ev。當溫度不太高時，電場不太強時，導帶電子大部分位於能谷1。能谷1曲率大，電子有效質量小。能谷2曲率小，電子有效質量大 。由於能谷2有效質量大，所以能谷2的電子遷移率比能谷1的電子遷移率小，即，當電場很弱時，電子位於能谷1，平均漂移速度為。當電場很強時，電子從電場獲得較大能量由能谷1 躍遷到能谷2，平均漂移速度為，由於，所以在速場特性上表現為不同的變化速率(實際上和是速場特性的兩個斜率。即低電場時，高電場時)。在遷移率由變化到的過程中經過一個負阻區。在負阻區，遷移率為負值。這一特性也稱為負阻效應。其意義是隨著電場強度增大而電流密度減小。
