Туннельный эффект(4 семестр ФЭЛ)
.docОбработка результатов измерений:
1. Построить график зависимости тока диода от направления смещения (ВАХ). Указать доверительные интервалы.
ВАХ туннельного диода.
|
Номер измер. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
U,mB |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
58 |
190 |
200 |
210 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
I1,mA |
0 |
0.15 |
0.32 |
0.4 |
0.52 |
0.63 |
0.69 |
0.73 |
0.77 |
0.79 |
0.8 |
0.81 |
0.31 |
0.32 |
0.33 |
|
I2,mA |
0 |
0.15 |
0.3 |
0.41 |
0.52 |
0.61 |
0.69 |
0.73 |
0.76 |
0.79 |
0.8 |
0.8 |
0.31 |
0.32 |
0.34 |
|
I3,mA |
0 |
0.14 |
0.32 |
0.4 |
0.52 |
0.63 |
0.69 |
0.72 |
0.76 |
0.78 |
0.8 |
0.81 |
0.31 |
0.32 |
0.34 |
|
I4,mA |
0 |
0.15 |
0.32 |
0.42 |
0.51 |
0.62 |
0.68 |
0.74 |
0.77 |
0.79 |
0.8 |
0.81 |
0.3 |
0.32 |
0.35 |
|
I5,mA |
0 |
0.15 |
0.31 |
0.41 |
0.52 |
0.63 |
0.69 |
0.73 |
0.77 |
0.79 |
0.8 |
0.8 |
0.31 |
0.32 |
0.34 |
|
Icp,mA |
0 |
0,148 |
0,314 |
0,408 |
0,518 |
0,624 |
0,688 |
0,73 |
0,766 |
0,79 |
0,8 |
0,806 |
0,328 |
0,32 |
0,34 |
|
Номер измер. |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
|
U,mB |
220 |
230 |
240 |
250 |
260 |
270 |
280 |
290 |
370 |
|
|
|||||||||
|
I1,mA |
0.34 |
0.35 |
0.36 |
0.37 |
0.38 |
0.39 |
0.4 |
0.4 |
0.1 |
|
I2,mA |
0.34 |
0.36 |
0.36 |
0.37 |
0.38 |
0.39 |
0.4 |
0.41 |
0.08 |
|
I3,mA |
0.34 |
0.35 |
0.37 |
0.37 |
0.38 |
0.4 |
0.4 |
0.41 |
0.1 |
|
I4,mA |
0.35 |
0.37 |
0.36 |
0.37 |
0.38 |
0.39 |
0.4 |
0.4 |
0.09 |
|
I5,mA |
0.34 |
0.36 |
0.36 |
0.38 |
0.38 |
0.39 |
0.4 |
0.41 |
0.1 |
|
Icp,mA |
0,342 |
0,358 |
0,362 |
0,372 |
0,38 |
0,392 |
0,4 |
0,406 |
0,094 |
2. Определение Umax, Umin, Imax. Оценить доверительную погрешность результатов.
а) Среднее значение:
Icp.=
=
=
0,148 mA
б) Среднее квадратичное отклонение(СКО):
в) СКО среднего:
г) Коэффициент Стьюдента:
с вероятностью
Р=95% и п=5
д)
при
е)
Измерение погрешностей:
таблица 1
-
Номер измер.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
U,mB
0
5
10
15
20
25
30
35
40
I1,mA
0
0.15
0.32
0.4
0.52
0.63
0.69
0.73
0.77
I2,mA
0
0.15
0.3
0.41
0.52
0.61
0.69
0.73
0.76
I3,mA
0
0.14
0.32
0.4
0.52
0.63
0.69
0.72
0.76
I4,mA
0
0.15
0.32
0.42
0.51
0.62
0.68
0.74
0.77
I5,mA
0
0.15
0.31
0.41
0.52
0.63
0.69
0.73
0.77
Icp,mA
0
0,148
0,314
0,408
0,518
0,624
0,688
0,73
0,766
0
0,074
0,157
0,204
0,259
0,312
0,344
0,365
0,383
Наличие промахов
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
0
0,033
0,070
0,091
0,116
0,139
0,154
0,163
0,171
0
0,076
0,161
0,267
0,321
0,354
0,376
0,395
0,406
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,077
0,162
0,210
0,267
0,322
0,355
0,377
0,391
таблица 1(продолжение)
-
Номер измер.
10
11
12
13
14
15
16
17
18
U,mB
45
50
58
190
200
210
220
230
240
I1,mA
0.79
0.8
0.81
0.31
0.32
0.33
0.34
0.35
0.36
I2,mA
0.79
0.8
0.8
0.31
0.32
0.34
0.34
0.36
0.36
I3,mA
0.78
0.8
0.81
0.31
0.32
0.34
0.34
0.35
0.37
I4,mA
0.79
0.8
0.81
0.3
0.32
0.35
0.35
0.37
0.36
I5,mA
0.79
0.8
0.8
0.31
0.32
0.34
0.34
0.36
0.36
Icp,mA
0,79
0,8
0,806
0,328
0,32
0,34
0,342
0,358
0,362
0,394
0,4
0,403
0,154
0,16
0,17
0,171
0,179
0,181
Наличие промахов
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
0,176
0,179
0,18
0,069
0,071
0,076
0,076
0,080
0,081
0,412
0,415
0,158
0,165
0,175
0,176
0,184
0,186
0,191
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,406
0,413
0,416
0,159
0,165
0,176
0,177
0,185
0,187
таблица 1(продолжение)
-
Номер измер.
19
20
21
22
23
24
U,mB
250
260
270
280
290
370
I1,mA
0.37
0.38
0.39
0.4
0.4
0.1
I2,mA
0.37
0.38
0.39
0.4
0.41
0.08
I3,mA
0.37
0.38
0.4
0.4
0.41
0.1
I4,mA
0.37
0.38
0.39
0.4
0.4
0.09
I5,mA
0.38
0.38
0.39
0.4
0.41
0.1
Icp,mA
0,372
0,38
0,392
0,4
0,406
0,094
0,186
0,19
0,196
0,2
0,203
0,047
Наличие промахов
нет
нет
нет
нет
нет
нет
0,083
0,085
0,087
0,089
0,091
0,021
0,195
0,202
0,206
0,207
0,21
0,048
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,010
0,192
0,196
0,202
0,207
0,21
0,049
при U=58mB
при U=370mB
3. Оценить положение уровня Ферми, максимума плотности распределения электронов в зоне проводимости, вероятность туннелирования электронов через р-п переход.
Положение уровня Ферми
Дж
Максимум распределения электронов в зоне проводимости
Дж
Вероятность туннелирования через переход:
при S=10-3
см2,
N=8*1025
м-3
Вывод:
В данной работе были изучены элементы теории туннельного эффекта, а также проявление данного эффекта в туннельном диоде.
Туннельным диодом
называют полупроводниковый диод на
основе р-п перехода с сильнолегированными
областями. Была построена ВАХ диода от
прямого напряжения. В полупроводнике
п-типа все состояния в зоне проводимости
вплоть до уровня Ферми заняты электронами,
а в полупроводнике р-типа – дырками.
Для прямого тока характерна большая
высота потенциального барьера,
следовательно, чтобы получить типичные
значения прямого тока, нужно приложить
большое прямое напряжение, которое
будет больше или примерно равно половине
ширины запрещенной зоны(
).
Для обратного тока концентрация
неосновных зарядов мала и поэтому
обратный ток тоже будет мал.
При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения.
При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне.
Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости. По мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне. Туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона р-полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.
При дальнейшем росте прямого напряжения наблюдается значение обычного прямого тока р-п перехода.
Было найдено положение уровня Ферми:
.
Также была рассчитана энергия частицы:
.
Найдена вероятность туннелирования частицы через п-р переход:
Теоретический подсчет:
1.
2.
3.
4.
5.
