Теория Ридли — Уоткинса — Хилсума

Теория Ридли — Уоткинса — Хилсума — теория в физике твёрдого тела, объясняющая механизм, с помощью которого в объёмном полупроводниковом материале развивается дифференциальное отрицательное сопротивление, когда на клеммы образца подаётся напряжение[1]. Лежит в основе работы диода Ганна, а также нескольких других микроволновых полупроводниковых приборов, которые используются на практике в электронных генераторах для производства микроволновой энергии. Названа по именам британских физиков Брайана Ридли[2], Тома Уоткинса и Сирила Хилсума, теоретически описавших эффект в 1961 году.

Зонная структура GaAs. В данном случе переход электронов из гамма долины в X-долину будет сопровождать этот нелинейных эффект.

Осцилляции отрицательного дифференциального сопротивления в объёмных полупроводниках наблюдались в лаборатории Джоном Ганном в 1962 году[3], и поэтому были названы «эффектом Ганна», но в 1964 году физик Герберт Крёмер указал, что наблюдения Ганна могут быть объяснены теорией Ридли — Уоткинса — Хилсума[4].

По сути механизм Ридли — Уоткинса — Хилсума — это перенос электронов проводимости в полупроводнике из долины с высокой подвижностью в долины с более низкой подвижностью и более высокой энергией. Это явление можно наблюдать только в материалах с такими структурами энергетических зон.

Обычно в проводнике увеличение электрического поля вызывает более высокие скорости носителей заряда (обычно электронов) и приводит к более высокому току в соответствии с законом Ома. В многодолинном полупроводнике, однако, электроны обладая более высокой энергией могут перейти в состояния находящиеся в другой долине, где они на самом деле имеют более высокую эффективную массу и, таким образом, замедляются при той же энергии. В действительности, это приводит к уменьшению скорости и падению тока по мере увеличения напряжения. При переносе в материале уменьшается ток, то есть появляется отрицательное дифференциальное сопротивление. При более высоких напряжениях нормальное увеличение соотношения тока и напряжения возобновляется после того, как основная масса носителей попадает в долину с большей эффективной массой. Поэтому отрицательное дифференциальное сопротивление возникает только в ограниченном диапазоне напряжений.

Из типов полупроводниковых материалов, удовлетворяющих этим условиям, арсенид галлия (GaAs) является наиболее широко исследованным и распространённым. Однако механизм Ридли — Уоткинса — Хилсума наблюдается в фосфиде индия (InP), теллуриде кадмия (CdTe), селениде цинка (ZnSe) и арсениде индия (InAs) при гидростатическом или одноосном давлении.