3. Экспериментальная часть

3.1.Экспериментальная установка

В работе исследуют вольт-амперную характеристику германиевого туннельного диода (например, типа ГИ305 или родственных ему), теоретически и эксперимен­тально определяют положение экстремальных точек ха­рактеристики. Проводят оценку энергии Ферми и энер­гии, соответствующей максимумам функции плотности распределения носителей в зонах материала туннельного диода.

С нятие вольт-амперной характеристики ТД отличается рядом особенностей, обусловленных отрицательным ди­намическим сопротивлением диода на падающем участке характеристики от I_max до I_min. Если внутреннее сопро­тивление источника смещения больше, чем отрицательное динамическое сопротивление ТД, вместо статической вольт-амперной характеристики наблюдается кривая гистерезисного типа (точки 1 - 4 и штриховые прямые на рис. 2.5). Схема установки для снятия вольт-амперных ха­рактеристик представлена на рис.

Рис.2.5

3.2. Подготовка к работе

1. Изучить теорию туннельного эффекта для прямоугольного потенциального барьера. Получить вы­ражение (2.6) для коэффициента прозрачности прямо­угольного барьера.

2. Оценить энергию Ферми в материале германиевого туннельного диода из следующих представле­ний. При Т=0 К функция Ферми w(E, 0)=1 для всех энергий Е<Е_F. Тогда концентрация носителей (извест­ная) связана с энергией Ферми соотношением

Используя выражение (2.7), получаем

откуда

При расчетах принять концентрацию электронов и дырок ~810²⁵ м^-3.

3. Найти энергию E_m, соответствующую мак­симуму функции распределения электронов в зоне проводимости, исследованием на экстремум функции (2.8): Этот анализ элементарен, но трудоемок, поэтому здесь приводим сразу конечный ре­зультат:

4. Оценить значения U_max и U_min вольт-амперной характеристики германиевого туннельного диода. Расчет вести по формулам

Результаты сравнить со справочными значениями соот­ветствующих параметров для исследуемого туннельного диода.

5. Используя типичные параметры герма­ниевого туннельного диода (ширина запрещенной зоны E_д~0,67 эВ, толщина перехода l,75 нм, площадь перехо­да S~10^-3 см²), по формуле (2.6) оценить вероятность туннельного перехода электронов через барьер. Энергию частицы принять равной высоту барьера определить выражением

6. По формуле

оценить ток в максимуме вольт-амперной характеристики диода. Результат сравнить с значением I_max для исследуемого диода.

3.3. Проведение эксперимента

1. Включить стенд (переключатель «Сеть» в положение «Вкл»).

2. Изменяя потенциометром «R» ток диода, снять вольт-амперную характеристику диода 5-7 раз в обе стороны (при увеличении и уменьшении напряжения на диоде).

3. Интервал прямых напряжений на диоде разбить на 15-20 значений, в каждой точке устанавливать по возможности неизменное напряжение, по миллиамперметру определить ток диода. Данные представить в виде таблицы. Особое внимание обращать на фиксацию результатов в экстремальных точках.

4. Переключателем на боковой стороне стенда изменить исследуемый диод и повторить для него измерения пп 2,3. Обратить внимание на то что для различных диодов цена деления миллиамперметра разная.

3.4. Обработка результатов

1. По результатам измерений построить график зависимости тока диода от напряжения смещения (вольт-амперную характеристику).

2. Из графика найти значение U_max, U_min и I_max.

3. По полученным результатам U_max, U_min и I_max оценить положение уровня Ферми, максимума плотности распределения электронов в зоне проводимости, вероятность туннелирования электронов через p-n-переход. Экспериментальные результаты сравнить с результатами предварительных расчетов.