Описание метода и установки

В работе исследуется вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода типа ГИ305, теоретически и экспериментально определяется положение экстремальных точек характеристики. Проводится оценка положения уровня Ферми и энергии, соответ­ствующей максимуму функции распределения носителей в зонах мате­риала туннельного диода (ТД).

Снятие вольт-амперной характеристики ТД отличается рядом особенностей, обусловленных отрицательным дифференциальным сопротивлением диода на падающем участке характеристики (рис. 7). Если внутреннее сопротивление источника смещения

Рис. 7

больше, чем отрицательное дифференциальное сопротивление ТД, то вместо статической вольт-амперной характеристики (толстая линия на рис. 7) наблюдается кривая гистерезисного типа (тонкие линии между точками 1 – 2 и 3 – 4 на рис. 7). Схема установки для снятия вольт-амперной характеристики приведена на рис. 8.

Рис. 8

Включение ТД через повторитель напряжения, собранный на операционном усилителе ОУ, позволяет уменьшить внутреннее сопротивление источника питания. При изменении положения движка потенциометра R₃ меняется напряжение на базе транзистора Т. Это влечет за собой изменение величины протекающего через ТД тока. Последний контролируется мультиметром типа C1-112 по падению напряжения на резисторе R₁, включенном последовательно с туннельным диодом. Напряжение на ТД измеряется с помощью мультиметра типа C1-107.

Задание

1. Снять вольт-амперную характеристику туннельного диода. При этом напряжение на туннельном диоде задавать с помощью переменного резистора R₃, а ток определять по падению напряжения на резисторе R₁ (910 Ом). Особое внимание обратить на фиксацию результатов в экстремальных точках. Построить график зависимости тока диода от напряжения смещения (вольт-амперную характеристику).

2. На графике вольт-амперной характеристики туннельного диода найти экстремальные значения напряжения U_max и U_min и, используя формулы (8) и (9), определить значения энергий (E_F–E_C), (E_F–E_M) и (E_M–E_C).

3. Используя параметры германиевого туннельного диода (ширина запрещенной зоны E_g=0,66эВ, толщина перехода l = 2нм), по формуле (10) оценить коэффициент прозрачности потенциального барьера К. Энергию частицы Е положить равной E_M–E_C, а высоту барьера определить выражением E_po = 2(E_F–E_C) + E_g.

4. Используя параметры туннельного диода (S=10^-6м², n=8·10²⁵м^-3), по формуле (11) оценить ток в максимуме вольтамперной характеристики диода I_max. Полученный результат сравнить со значением I_max на графике вольтамперной характеристики.

5. По формуле (6) рассчитать значение энергии Ферми (E_F–E_C), приняв концентрацию носителей n равной 8·10²⁵м³. Полученное значение энергии Ферми сравнить с соответствующим значением, полученным в п.2.

6. Пользуясь соотношением (7), вычислить значение энергии, соответствующей максимуму функции распределения (Е_m–Е_C). Для этого в качестве энергии (E_F–E_C) взять значение, полученное в п.5. Этот результат сравнить со значением (E_m–Е_С), определенным в п.2.