DISPOSITIVOS EMISORES DE MICROONDAS

LECCIÓN 10
DISPOSITIVOS EMISORES DE MICROONDAS (DISPOSITIVOS GUNN)

1)INTRODUCCIÓN

Ya hemos visto en la lección 6 un dispositivo PN (el diodo túnel) con una característica I(V) que tiene una zona de resistencia diferencial negativa. Dicha zona de resistencia negativa da lugar a inestabilidades que permiten utilizar el dispositivo como generador de microondas.

Existe otro dispositivocon el que se pueden generar microondas y que, a diferencia del diodo túnel, basado en una unión pn degenerada, está basado en una particularidad de la estructura de bandas de algunos semiconductores. Aunque a veces se le llame, impropiamente, diodo Gunn, se trata de un dispositivo cuyas características dependen de propiedades intrínsecas del material, no de efectos de contacto entre materialesdiferentes.


2.- DISTRIBUCIÓN DE ELECTRONES ENTRE MÍNIMOS DE LA BANDA DE CONDUCCIÓN

En algunos semiconductores como el GaAs o el InP, existe un segundo mínimo en la banda de conducción (a pocas centenas de meV del mínimo absoluto y con masa efectiva mayor que éste), según el esquema mostrado en la figura 1. En general, al no estar dichos mínimos en centro de zona, habrá M2 mínimosequivalentes, según la simetría del cristal.

En equilibrio térmico, a temperatura ambiente, dicho mínimo está vacío. En presencia de un campo eléctrico intenso, al aumentar la temperatura electrónica, una parte de los electrones son transferidos al segundo mínimo en el que la movilidad de los electrones es mas pequeña. Como consecuencia, la resistividad del material aumenta bruscamente a partir decierto campo umbral, apareciendo una zona de resistencia negativa.

Si llamamos n1 a la concentración en el mínimo absoluto, n2 a la concentración en el mínimo excitado y EC a la diferencia energética entre ambos mínimos, en equilibrio térmico se cumplirá:



donde NC1 y NC2 son las densidades efectivas de estados en cada mínimo y EF es el nivel de Fermi. Podemos obtener la relaciónentre las concentraciones en ambos mínimos:



donde M2 es el número de mínimos equivalentes de tipo 2. En el GaAs, EC es del orden de 0.3 eV y el mínimo 2 se sitúa en el punto L (borde de la primera zona de Brillouin en la dirección cristalina [111], por lo que el número de mínimos equivalentes es 4. La relación entre las masas efectivas es del orden de 8. Con esos valores, en equilibriotérmico y a temperatura ambiente la población de electrones en el mínimo 2 es despreciable.

3.- TRANSFERENCIA DE ELECTRONES: TEMPERATURA ELECTRÓNICA

Si actúa un campo eléctrico E, la potencia ganada por los electrones, a una velocidad v, será evE. Si la energía ganada porel sistema electrónico es pequeña comparada con la energía térmica media, la población de electrones en los mínimos novaría. Si la energía ganada por los electrones es mucho mayor que la energía térmica media, se producirá un desequilibrio entre la temperatura de la red y la temperatura del gas de electrones. El exceso de energía en el sistema electrónico se describe mediante el concepto de temperatura electrónica, Te. Al aumentar la temperatura electrónica, aumenta la probabilidad de los procesos inelásticosmediante los cuales los electrones generan vibraciones de alta energía en la red. Para un valor dado del campo eléctrico, la temperatura electrónica de equilibrio será aquella a la que la potencia ganada por el gas de electrones se iguala con la potencia cedida a la red:



donde  el tiempo de relajación de la energía electrónica.

Dicho tiempo que es en torno a uno o dos órdenes de magnitud eltiempo de relajación del impulso, que determina la movilidad electrónica. Ello es debido a que este último está, en general, regulado por procesos elásticos, mientras que el tiempo de relajación de la energía, que regula la transferencia de energía a la red, está regulado por procesos inelásticos.

Si la temperatura electrónica aumenta, la distribución de los electrones entre los mínimos...