Описание экспериментальной установки и метод измерения

Принципиальная схема измерительной установки показана на рис.3. Туннельный диод D_T, выпрямляющий диод D, делитель напряжения (сопротивления R₁, R₂, R₃) и сопротивление R₄ спаяны на панели. В качестве туннельного диода могут быть использованы диоды из арсенида галлия (например, АИ101А, АИ101Б и другие) и германия (например, ГИ305А, ГИ305Б и др.). От звукового генератора ГЗ сигнал через делитель напряжения поступает на туннельный диод и сопротивление R₄ .Схема работает в двух вариантах.

В первом варианте ключ К замыкается на клемму 1. Тогда сигнал от генератора поступает на туннельный диод и сопротивление R₄ через делитель напряжения R₁-R_3. Напряжение с туннельного диода подается на X-пластины (вертикальные, рис.3) осциллографа С1-5. Через сопротивление R₄ течет такой же ток, как и через диод D. Этот ток пропорционален напряжению на сопротивлении R. Напряжение с сопротивления Rподается на Y-пластины (горизонтальные, рис.3) осциллографа . В результате на экране осциллографа будет наблюдаться зависимость тока, текущего через туннельный диод, от при­ложенного к нему напряжения, т.е. ВАХ туннельного диода.

Во втором варианте ключ К замыкается на клемму 2. Тогда сигнал от генератора поступает на туннельный диод и сопротивление R₄ через делитель напряжения R₂—D—R_3.. Выпрямляющий диод D пропускает сигнал в прямом направлении. С диода D_T и сопротивления R₄ сигнал подается на осциллограф, так же как и в первом варианте. С помощью этой схемы на осциллографе наблюдается только прямая ветвь ВАХ туннельного диода.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с принципиальной схемой измерительной установки, представленной на рис. 3, и указаниями к работе на стенде. До момента проведения измерений ключ К должен находиться в положении «Выключено»!

Подготовка осциллографа к работе²

2. Включите питание осциллографа, прогрейте 2-3 минуты, проверьте действие ручек управления лучом (яркость, фокусировка, смещение по осям Х и У).

3. Ручку «Род синхронизации» поставьте в положение «Внешняя», а «Делитель напряжения» в положение 1:1.

4. Ручку «Род работы» поставьте в положение «Усиление».

5. Ручки “Усиление” и “Синхронизация” установите в крайнее правое положение.

6. На задней панели осциллографа поставьте две правые колодки, соединяющие вход Y-усилителя с Y-пластинками, и две левые колодки, соединяющие вход X-усилителя с X-пластинами.

Подготовка звукового генератора к работе.

7. Подключите генератор к сети, прогрейте 2-3 минуты.

8. Поставьте ручку «Выходное сопротивление» в положение, соответствующее нагрузке 50 60 0м.

9. Внимание!!! Выходные клеммы генератора отсоедините от земли!

10. Установите частоту 1-2 кГц.

Соберите схему согласно рис.3

11. Внимание!!! Перед включением установки выходное напряжение уменьшите до нуля. При подаче на вход установки напряжения больше 10 В может сгореть туннельный диод.

12. Подайте напряжение на вход установки. Для этого включите ключ К в положение 2 и ручкой, регулирующей напряжение на генераторе, установите 8 В. На экране появится изображение прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ).

13. Ручкой “Смещ. Y” совместите начальную точку ВАХ с горизонтальной осью. Затем ручками “Синхронизация” и “Смещ.X” добейтесь того, чтобы начало ВАХ совпадало с началом координат (0,0) на координатной сетке, приставленной к экрану осциллографа (взять у лаборанта), а напряжение, соотвествующее минимальному току Uв, соответствовало по горизонтальной шкале 25 мм. При этих условиях цена одного деления (1мм) по горизонтальной оси будет равна 0,02 В, а по вертикальной - 0,1 мA.

14. Полученную на экране осциллографа прямую ветвь ВАХ туннельного диода зарисуйте.

15. Получите на экране осциллографа полную ВАХ туннельного диода, включив для этого ключ К в положение 1.

16. Определите по масштабной сетке значения величин i_п, i_в, U, Uи Uпо осям X и Y.

17. Определите отношение i/i.

18. Определите по формуле (2) значения (положения) уровней Ферми относительно дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Если отсчет энергии вести от уровня Ферми , то при U=U, очевидно, будетE_F = eU(см. рис.1в). Измерив значение Uпо осциллограмме, можно рассчитать, т.е. значение уровня Ферми. Аналогичные рассуждения проводятся для определения значения уровня Ферми. Результаты этой серии измерений и расчетные данные занесите в таблицу 1.

19. Определите значение отрицательного дифференциального сопротивления по формуле

r = (U₂ - U₁)/ (i₂ — i₁).

20. Определить предельную относительную погрешность при измерении отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода по формуле:

,

считая, что в данной работе преобладают приборные ошибки. Здесь U_1,2 и i_1,2 — ошибки измерений величин U_1,2 и i_1,2.

Результаты измерений и расчетные данные занесите в таблицу 2. Каждую величину измерить не менее трех раз.

Таблица 1

Определение значения уровня Ферми

	i	i	U	U	U
1
2
3
Cредн.

Таблица 2

Определение значения отрицательного дифференциального сопротивления

	i	i	U	U					r
1
2
3
Cредн.

Результат измерения r записать в виде r=<r>+r_.

Контрольные вопросы

1. Что такое туннельный диод?

2. Какими свойствами должны обладать полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются туннельные диоды?

3. Что такое туннельный эффект?

4. Объясните вольтамперную характеристику туннельного диода (обратную и прямую ветви ) с точки зрения физических процессов, происходящих в диоде при приложении к нему смещения в прямом и обратном направлениях.

5. Нарисуйте энергетическую диаграмму p-n перехода туннельного диода и опишите физические процессы, происходящие в переходе: а) в состоянии термодинамического равновесия; при приложении к p-n переходу напряжения в: б) прямом направлении и в) обратном направлении.

6. В каких областях техники применяются туннельные диоды?