7.2. Исследуемые закономерности

В работе исследуется вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода (например, типа ГИ 305 или родственных ему), теоретически и экспериментально определяется положение экстремальных точек характеристики. Проводится оценка энергии Ферми и энергии, соответствующей максимумам функции плотности распределения носителей в зонах материала туннельного диода.

7.3. Экспериментальная установка

Снятие вольт-амперной характеристики ТД отличается рядом особенностей, обусловленных отрицательным динамическим сопротивлением диода на падающем участке характеристики отI_maxдоI_min. Если внутреннее сопротивление источника смещения больше, чем отрицательное динамическое сопротивление ТД, то вместо статической вольт-амперной характеристики будет наблюдаться кривая гистерезисного типа (точки1…4 и штриховые прямые на рис. 7.5). Схема установки для снятия вольт-амперных характеристик представлена на рис. 6.6. Включение ТД через эмиттерный повторитель позволяет уменьшить эффективное внутреннее сопротивление источника смещения. Изменением сопротивления резистораR меняют напряжение на базе транзистора П37, при этом меняется ток ТД, который контролируется миллиамперметромРА в коллекторной цепи транзистора КТ605. Напряжение на ТД измеряется вольтметромPU.

7.4. Указания по подготовке к работе

1. Изучить теорию туннельного эффекта для прямоугольного потенциального барьера. Получить выражение (7.6) для коэффициента прозрачности прямоугольного барьера.

2. Оценить энергию Ферми в материале германиевого туннельного диода из следующих представлений. При T = 0 К функция Фермиw(E, 0) = 1 для всех энергийE≤E_F. Тогда концентрация носителей (известная) связана с энергией Ферми соотношением

.

Используя выражение (6.7), получаем

,

откуда

.

При расчетах принять концентрацию электронов и дырок 8∙10²⁵ м^–3.

3. Найти энергию Е_т, соответствующую максимуму функции распределения электронов в зоне проводимости, исследованием на экстремум функции (7.8):. Для самопроверки здесь мы приводим сразу конечный результат:

4. Оценить значения U_max иU_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 0,67 эВ, толщина переходанм, площадь перехода10^–3см²), по формуле (7.6) 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 со значением I_maxдля исследуемого диода.

7.5. Указания по выполнению наблюдений

Включить установку. Изменяя потенциометром R (ручка «Смещение» на панели прибора) ток диода, снять вольт-амперную характеристику диода. Интервал прямых напряжений на диоде (0—0,5 В) разбить на 15— 20 значений, в каждой точке устанавливать по возможности неизменное напряжение (с погрешностью, допускаемой вольтметром), по миллиамперметру определять ток диода. Повторить снятие вольт-амперной характеристики 5—7 раз в обе стороны (при увеличении и уменьшении напряжения на диоде). Данные представить в виде таблицы. Особое внимание обращать на фиксацию результатов в экстремальных точках.