В 1963 г. сотрудник фирмы IBM Дж. Ганн обнаружил, что при приложении к кристаллу арсенида галлия напряжения, создающего напряженность электрического поля более 
В/см, возникают колебания высокой частоты. Исследования показали, что такое явление, названное эффектом Ганна, наблюдается и у кристаллов некоторых других соединений.
Основной причиной эффекта является возможность существования легких (быстрых) и тяжелых (медленных) электронов в некоторых полупроводниках.
При малых напряженностях электрического поля электроны находятся в районе нижних уровней зоны проводимости, где их подвижность высока. Для этого случая зависимость тока от напряженности электрического поля описывается уравнением 
и представлена участком OА графика на рис. 1.26.
Рис. 1.26
По мере роста напряженности электрического поля все большее количество электронов переходит в область высоких энергетических уровней (говорят – «в верхнюю долину»). В этой зоне подвижность электронов значительно меньше и рост тока замедляется (участок АВ на рис. 1.26). При некоторой критической напряженности электрического поля 
переход электронов в верхнюю долину становится настолько интенсивным, что плотность тока уменьшается. Это уменьшение наблюдается до пороговой напряженности поля 
, при которой большинство электронов перейдет в «верхнюю долину». Дальнейшее увеличение электрического поля приведет к линейному росту тока в соответствии в законом 
, где 
(участок СD на рис. 1.26).
Участку ВС характеристики соответствует отрицательная проводимость диода.
Критическая напряженность поля в кристалле возникает на участках с повышенным сопротивлением, которые, как правило, располагаются у контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки. Обычно критическая напряженность возникает возле отрицательного электрода (катода). Падение напряжения и напряженность электрического поля в области с повышенным сопротивлением возрастают, а в остальной части уменьшаются (рис. 1.27).
Рис. 1.27
Поскольку в области сильного электрического поля скорость электронов уменьшается, то со стороны катода к области сильного поля примыкает отрицательный заряд, обусловленный догоняющими эту область быстрыми электронами с высокой подвижностью. К другой стороне области сильного поля примыкает положительный заряд донорных ионов, возникший на месте обгоняющих область сильного поля быстрых электронов. Области отрицательного и положительного зарядов образуют дипольный слой, называемый электростатическим доменом. Напряженность электрического поля в домене нарастает до значения 
, при которой скорости электронов в домене и вне его сравняются. Домен перемещается в сторону анода с дрейфовой скоростью, составляющей для арсенида галлия см/с.
Во время движения домена в диоде протекает ток с плотностью 
. Через время 
, где 
– длина образца, 
– дрейфовая скорость электронов, домен доходит до анода и разрушается. При этом восстанавливается равномерное распределение поля в полупроводнике и ток возрастает до величины 
, затем опять возникает домен и процесс повторяется, вызывая колебания тока в диоде (рис. 1.28).
Рис. 1.28
Величину трудно получить менее 10 мкм, поэтому частоты сигналов, генерируемых диодами Ганна, не превышают 50 ГГц. При этом критическая напряженность поля достигает при напряжении 5–40 В, что является препятствием для получения больших мощностей колебаний.
Эти трудности устраняются, если диоды используются в режиме ограничения накопления объемного (пространственного) заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ на диод Ганна подается постоянное напряжение смещения 
и переменное напряжение с амплитудой 
, снимаемое с колебательной системы, в которую включен диод. При этом , подбирают так, чтобы диод работал на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В этом случае частота колебаний определяется частотой резонатора, а не временем пролета домена. Поэтому могут быть увеличены толщина кристалла и, следовательно, рабочее напряжение и выходная мощность. С помощью генераторов с ОНОЗ можно достичь мощности колебаний порядка десятых долей ватта в диапазоне 30–300 ГГц с КПД, равным 20 %, и сотен ватт в импульсном режиме.