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 Е_c<E<E_f-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 E_f<E<E_v – 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 J_n^d =J_p^d. 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 J_n^т ( рис.1, ). При цьому звичайно збільшуються, хоча і дещо слабкіше, звичайні дифузійні струми J_n^d та J_p^d. 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

1. 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

1. Результати вимірювань занести у таблицю наступного вигляду:

U, В	I, мA
0
0,05
...
...
1

Таблиця № 1

2. За даними таблиці 1 графічно побудувати ВАХ тунельного діоду ;

3. Визначити з графіку ВАХ параметри характерних точок: ;

4. Визначити величину негативного диференційного опору за наступною формулою: (2), користуючись параметрами, які отримані в п.3;

Контрольні питання

1. Опишіть головні відмінності тунельного та звичайного діодів.

2. Роз’ясніть суть терміну «диференційний негативний опір». Як такий опір визначається?

3. Чому ВАХ тунельного діоду називають -подібною ?

4. Які фізичні причини обумовлюють величину максимуму струму (() рис.1) на ВАХ?

5. Яке квантово-механічне явище покладено в основу дії тунельного діоду?

Література

1. Электроника. Энциклопедический словарь. Под ред. В.Г. Колесникова. М.: „Советская энциклопедия”, 1991.

2. И.В.Савельев. Курс общей физики, т.1. – М.: Наука, 1987.

3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики, т.1. – М.: Наука, 1989.

4. С.Г.Каленков, Г.И.Соломахо. Практикум по физике. Механика.–М.:Высшая школа,1990.

© 2004

стор. 3 з 3