8.3.     Объемное отрицательное сопротивление

Общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного дифференциального сопротивления, или дифференциальной проводимости. Найдем условие, при котором возможно существование отрицательной дифференциальной проводимости в однородных полупроводниках.

Плотность тока через полупроводник в общем виде определяется зависимостью (8.4). Условием возникновения отрицательной проводимости является dj/dE<0. Дифференцируя (8.4), с учетом dп₁/dE = —dп₂/dE и μ₁>>μ₂ (пренебрегаем членами с μ₂) условие возникновения отрицательной проводимости получим в виде

                     d n₂ / dE > n₁ / E.                                                                                      (8.8)

Это означает, что на участке отрицательной проводимости переход электронов из одного минимума в другой должен быть достаточно интенсивным при небольших изменениях E.

По выражению (8.7) плотность тока зависит от напряженности поля так же, как и дрейфовая скорость. Так как ток диода I=jS, где S - площадь его поперечного сечения, а напряжение на диоде U=Eℓ, где ℓ - расстояние между контактами (длина диода), то

                                                                                                     (8.9)

Это выражение определяет вольт-амперную характеристику диода Ганна при однородном распределении электрического поля по продольной координате. Дифференциальная проводимость ДГ

в диапазоне напряжений питания от U_п=E_nℓ до U₂=E₂ℓ отрицательна и может компенсировать потери в подсоединенной к диоду пассивной цепи, что открывает возможность использовать его для генерации или усиления колебаний.

Изложенный физический механизм образования отрицательного сопротивления в арсениде галлия был убедительно подтвержден экспериментами по влиянию давления на характеристики диодов Ганна.