LECCIÓN 10 Dispositivos Gunn Introducción. Distribución de electrones entre mínimos de la banda de conducción. Transferencia de electrones. Temperatura electrónica. Inestabilidades de la carga. Modos de operación.

Estructura de bandas IV, III-V Mínimos a energías más altas en GaAs, InP, Ge Ge X L G

A la temperatura TE cambia la distribución de los electrones: Transferencia de electrones En presencia de un campo E, si la energía ganada por los electrones (evEt) es mucho mayor que la energía térmica media (kT), se producirá un desequilibrio entre la temperatura de la red y la temperatura del gas de electrones (Te >T). te el tiempo de relajación de la energía electrónica, determinado por procesos inelásticos. A la temperatura TE cambia la distribución de los electrones: La corriente será ahora:

Transferencia de electrones Sustituyendo la expresión de v en la de TE: La solución numérica de esta ecuación permite obtener TE y la densidad de corriente:

Si se fuerza una situación de resistencia diferencial negativa: Inestabilidades de carga Recordemos el tiempo de relajación de Maxwell: Si se fuerza una situación de resistencia diferencial negativa: Una inestabilidad de carga puede amplificarse, en lugar de extinguirse.

Filamentos de baja resistencia (inestabilidades destructivas) Inestabilidades de carga Ge, varistor GaAs, InP, diodo túnel I I Tipo “S” Tipo “N” V V 1 2 3 1 2 3 I I Zonas de alta resistencia Filamentos de baja resistencia (inestabilidades destructivas)

Modos de funcionamiento En un dispositivo de longitud L, el tiempo de tránsito será L / v , y el factor de aumento de carga será : Para que una inestabilidad de carga se desarrollo, debe haber suficiente carga disponible en el semiconductor. Si F>1, la inestabilidad se desarrolla rápidamente y aparecerá una distribución no homogénea de carga en el dispositivo. La condición puede reescribirse como: Modo de acumulación Modo de dominios bipolares

Modo de acumulación Se produce una zona de acumulación de electrones (electrones “lentos” del mínimo 2), lo que cambia la distribución de campo en el interior del dispositivo. Una pequeña fluctuación en el cátodo genera un exceso local de electrones que va aumentando a medida que es arrastrado hacia el ánodo (figura c). Los electrones se acumulan porque, al ser transferidos al mínimo 2, se ralentizan. La acumulación de carga en el dispositivo hace disminuir la corriente en el circuito exterior (figura d). Cuando la zona de acumulación alcanza el cátodo la corriente vuelve a aumentar. La zona de acumulación desaparece y el dispositivo vuelve al punto de trabajo 1. La frecuencia está fijada por el tiempo de tránsito.

Modo de dominios bipolares Cuando Ln0>1012 cm-2 la inestabilidad de carga se desarrolla completamente en una fracción de tiempo inferior al tiempo de tránsito. La acumulación es rápida y, por delante de la zona de acumulación de electrones lentos (electrones del mínimo 2) se forma una zona de agotamiento, lo que origina un dipolo, ya que la zona de acumulación es negativa y la de agotamiento es positiva. Entre ambas zonas se crea una zona de campo intenso. Este campo hace aumentar la velocidad de los electrones lentos, estabilizándose el dominio cuando la velocidad de los electrones lentos en el dominio se iguala a la de los electrones rápidos (del mínimo 1) en el resto del dispositivo.

Modo de dominios bipolares Cuando el dominio se forma (figura 1), la acumulación de la carga en el dominio hace disminuir la corriente en el circuito exterior. La propagación del dominio (figura2) corresponde a un mínimo de la corriente La corriente solo vuelve a aumentar cuando la zona de acumulación del dominio alcanza el ánodo (figuras 3, 4). En ambos regímenes de trabajo, es cavidad resonante de microondas, en la que está el dispositivo, la que fija la frecuencia de emisión.