Gunn-Effekt

Gunn-Effekt

 

['gʌn-], die 1963 von John B. Gunn (* 1928) entdeckte Erscheinung, dass eine konstante, relativ hohe elektrische Spannung (Feldstärken über 2 000 V/cm) an einem homogenen, n-dotierten Galliumarsenidkristall schnelle, statistische Stromschwankungen verursacht, die bei sehr kurzen Kristallen in zusammenhängende Schwingungen übergehen (Frequenzen im Mikrowellenbereich); der Gunn-Effekt wird in Gunn-Dioden technisch ausgenutzt. - Der Gunn-Effekt ist mit Besonderheiten in der Bandstruktur (Bändermodell) des Halbleitermaterials verknüpft; er tritt im Allgemeinen in Halbleitern auf, deren Leitungsband neben einem Hauptminimum noch Nebenminima in geringem Energieabstand aufweist. Bei Raumtemperatur besetzen die Elektronen nur die unteren, energetisch günstigen Energieniveaus im Hauptminimum; beim Anlegen einer Spannung können sie jedoch aufgrund ihrer großen Beweglichkeit leicht Energie aus dem elektrischen Feld aufnehmen. Überschreitet die Feldstärke einen kritischen Wert (etwa 3,3 kV/cm), hat ein erheblicher Anteil der Elektronen genügend Energie, um in das energetisch höher gelegene Nebenminimum zu gelangen. Da auf diesem Niveau die Elektronenbeweglichkeit jedoch deutlich geringer ist, nimmt die mittlere Driftgeschwindigkeit und damit auch der Stromfluss durch den Halbleiter ab; in der Strom-Spannungs-Kennlinie erhält man einen abfallenden Bereich, der als negative differenzielle Leitfähigkeit bezeichnet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Beweglichkeit bilden sich Bereiche von Elektronenverarmung und -anhäufung, verbunden mit schmalen Domänen niedriger und hoher Feldstärke, die durch den Kristall driften. Erreicht eine Hochfelddomäne die Anode, so steigt der Strom kurzzeitig an, während gleichzeitig an der Kathode eine neue Domäne gebildet wird. Diese Fluktuationen führen bei geeigneter Vorspannung zu Oszillationen, deren Frequenz durch die Kristalldicke und die Driftgeschwindigkeit der Elektronendomänen bestimmt wird.