Lab_fizika / ФТТ / 6-1
.doc
Лабораторна робота № 6-1 |
Лабораторна робота № 6–1
ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТУНЕЛЬНОГО ДІОДУ
Мета роботи: експериментальне дослідження характеристики тунельного діоду.
Обладнання: тунельний діод, вольтметр, амперметр, джерело живлення, набір опорів.
Теоретичні відомості
Тунельний діод, винайдений у 1957 році японським фізиком Л. Есакі (інша назва -діод Есакі), дозводив експериментально підтвердити можливість кваново-механічного явища тунелювання частинок в твердих тілах крізь відносно невисокі та вузькі потенціальні бар’єри. В тунельному діоді спостерігається явище тунелювання електронів та дірок крізь заборонену зону поміж валентною та зоною провідності. Діод Есакі є звичайною діодною структурою з р-п переходом, в якій р та n -області сильно леговані спеціальними домішками. Завдяки цьому отримують надзвичайно різкий електронно-дірковий (р-п) перехід з вузьким приконтактним запорним шаром (областю просторового заряду , рис.1, ліва кругова вставка).
Відомо, що при високих рівнях легування рівень Ферми у напівпровіднику n- типу може знаходитися вище дна зони провідності (у такому випадку всі стани з енергіями Еc<E<Ef-поміж дном зони провідності та рівнем Фермі - заповнені електронами, рис.1, ліва кругова вставка). Тоді у напівпровіднику р-типу той самий рівень Фермі лежить нижче вершини валентної зони ( стани з Ef<E<Ev – від вкршини валентної зони до рівня Фермі заповнені дірками ). Зонна діаграма р - n переходу в стані рівноваги, тобто при нульовій зовнішній напрузі (нульовому зміщенню), представлена на лівій круговій вставці на рис.1.( U = 0, заштриховані області – енергетичні стани зайняті електронами).
Наслідком високого легування областей є і те, що ширина приконтактної області просторового заряду ( рис.1.) зменшується настільки, що стає можливим квантово-механічне тунелювання електронів та дірок з одної енергетичної зони в іншу, через просторово вузьку (шириною )ділянку забороненої зони, яка є в цьому випадку потенційним бар’єром. У рівновазі ( U = 0 ) через перехід течуть звичайні протилежно спрямовані і рівні за величиною дифузійні діодні струми Jnd =Jpd. Тунельні струми рівні нулю, оскільки всі стани валентної зони куди могли б перейти електрони зони провідності зайняті. Аналогічна ситуація з дірками р- області.
При збільшенні прямого зміщення (U > 0) збільшується кількість вільних станів, куди б могли тунелювати електрони із зони провідності (рис.1, центральна кругова вставка). При цьому збільшується тунельна складова електричного струму Jnт ( рис.1, ). При цьому звичайно збільшуються, хоча і дещо слабкіше, звичайні дифузійні струми Jnd та Jpd. Струм через р-n перехід зростає і сягає максимуму при певній напрузі .
При подальшому збільшені напруги ( U > U2 ) тунельний струм починає зменшуватися, оскільки зменшується кількість станів зони провідності, з якої електрони можуть тунелювати ( рис.1, , права кругова вставка) і при деякій напрузі () тунелювання фактично припиняється. При струм через перехід буде визначатися звичайними діодними дифузійними струмами р-п переходу. У діапазоні вольт-амперна характеристика тунельного діоду має спад, тобто збільшення напруги на тунельному діоді спричиняє зменшення струму. Цю область вольтамперної характеристики (ВАХ) називають областю негативного диференційного опору ( OНDО ):
(1)
Наявність такої ділянки на ВАХ дозволяє використовувати тунельний діод ( як і інші структури, які демонструють ОНДО )для підсилення і генерування СВЧ- коливань або як перемикаючий швидкодіючий елемент імпульсивних пристроїв. Два стабільних стани діоду Есакі (мінімум струму та максимум струму) дозволяють уживати його як елемент пам’яті з двоїчним кодом.
Опис експериментальної установки
Схема експериментальної установки для зняття ВАХ тунельного діоду зображена на рис.2.
На схемі відповідно позначені:
-
Б – батарея живлення з вимикачем;
-
- потенціометр зміни напруги на діоді;
-
- вольтметр та мілліампер-метр;
-
- тунельний діод АУ-301;
-
- електричні опори (резистори);
Проведення експерименту
-
Зняти ВАХ тунельного діоду АУ-301, для чого необхідно:
-
перевірити схему та вмикнути з дозволу викладача, або лаборанта, батарею живлення;
-
змінювати напругу, яка підводиться до діода в діапазоні від 0 до 1 В з інтервалом 0,05 В, контролюючи її величину вольтметром і вимірюючи відповідні значення струму мілліамперметром. Вимірювання проводити з вмиканням у схему резисторів R2, R3 (схема рис. 2).
Обробка результатів
-
Результати вимірювань занести у таблицю наступного вигляду:
U, В |
I, мA |
0 |
|
0,05 |
|
... |
|
|
|
... |
|
1 |
|
-
За даними таблиці 1 графічно побудувати ВАХ тунельного діоду ;
-
Визначити з графіку ВАХ параметри характерних точок: ;
-
Визначити величину негативного диференційного опору за наступною формулою: (2), користуючись параметрами, які отримані в п.3;
Контрольні питання
-
Опишіть головні відмінності тунельного та звичайного діодів.
-
Роз’ясніть суть терміну «диференційний негативний опір». Як такий опір визначається?
-
Чому ВАХ тунельного діоду називають -подібною ?
-
Які фізичні причини обумовлюють величину максимуму струму (() рис.1) на ВАХ?
-
Яке квантово-механічне явище покладено в основу дії тунельного діоду?
Література
-
Электроника. Энциклопедический словарь. Под ред. В.Г. Колесникова. М.: „Советская энциклопедия”, 1991.
-
И.В.Савельев. Курс общей физики, т.1. – М.: Наука, 1987.
-
Д.В.Сивухин. Общий курс физики, т.1. – М.: Наука, 1989.
-
С.Г.Каленков, Г.И.Соломахо. Практикум по физике. Механика.–М.:Высшая школа,1990.
© 2004
стор.