 |
Порядок виконання роботи
|
|
|
|
Лабораторна робота №8-5
З дисципліни: «Фізика»
На тему: «Принцип роботи та вольт - амперна
характеристика тунельного діода»
Підготував: студент групи МІТ-11(б)
Сікорський Дмитро
Перевірив: к.ф.-м.н.,доц. Стасенко В.А.
Вінниця 2013
Мета роботи: ознайомитись з принципом роботи та використанням тунельних діодів.
Прилади і матеріали: змонтована установка з необхідними електровимірювальними приладами і тунельним діодом.
Теоретичні відомості
При великих (1019…1021 см-3) концентраціях носіїв заряду, що досягається при великих концентраціях домішок, електрони в напівпровідниках n-типу і дірки в напівпровідниках р-типу утворюють вироджений електронний і дірковийгаз. Рівень Фермі ЕF в першому випадку знаходиться в зоні провідності, а в другому випадку – у валентній зоні.
Тунельний діод створений на основі електронно-діркового переходу, в якому напівпровідники n- і р- типу є виродженими. Значна концентрація носіїв приводить до зростання (приблизно в 2 рази) контактної різниці потенціалів uk, а також до суттєвого (в десятки разів) зменшення товщини р-n-переходу порівняно з р- n- переходом у звичайному діоді. В тунельному діоді відбуваються дифузійні і дрейфові рухи носіїв, але основну роль відіграє тунельний ефект, тобто перехід носіїв через бар'єр без зміни їх енергії, яка дещо менша висоти потенціального бар'єра. Оскільки для електронів має місце принцип Паулі, то тунелювання можливе за умови, коли енергетичні рівні з протилежного боку бар'єра є вільними, тобто не зайняті електронами.
При прямому ввімкненні тунельного діода в коло з напругою, висота потенціального бар'єра знизиться на величину eU. При цьому напроти заповнених електронних станів зони провідності n-типу будуть розміщені вільні енергетичні рівні валентної зони р-типу. Завдяки малій товщині р-n-пере-ходу, що забезпечує значну прозорість бар'єра, відбувається тунелювання електронів із n-напівпровідника в р-напівпровідник (рис. 8.5.1).
|
|
|
Рис. 8.5.1
Через р-n-перехід проходить прямий струм, який називається тунельним. Оскільки густина енергетичних рівнів досить велика (відстань між підрівнями 
), то навіть малі прямі напруги приводять до швидкого зростання тунельного струму. З ростом прямої напруги збільшується кількість вільних рівнів, чим і пояснюється зростання тунельного струму (ділянка ОА характеристики на рис. 8.5.5). При значеннях U=Umax рівень Фермі в n-області збігається зі стелею валентної зони р-напівпровідника (рис. 8.5.2).
Рис. 8.5.2
У цьому випадку максимальній кількості зайнятих рівнів відповідає максимальна кількість вільних станів. Тунельний струм досягає максимуму (точка А характеристики). Подальше збільшення напруги U приводить до зменшення тунельного струму і появи ділянки спаду АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором. Якщо пряма напруга дорівнює Umin (точка В, рис. 8.5.5), при якій дно зони провідності збігається зі стелею валентної зони, тунелювання закінчується, оскільки заповненим рівням зони провідності n-напівпровідника відповідають рівні забороненої зони р-напівпровідника (рис. 8.5.3).
Рис. 8.5.3
Ділянка ВС вольт-амперної характеристики описує прямий струм, природа якого є дифузійною як для звичайного р-n-переходу. Якщо ввімкнути тунельний діод в зворотному напрямку (рис. 8.5.4), зайнятим рівням валентної зони р-напівпровідника відповідають вільні рівні зони провідності n-напівпровідника, що приводить до тунелювання неосновних носіїв (електронів з р-напівпровідника в n-напівпровідник). Це приводить до швидкого зростання зворотного тунельного струму із збільшенням зворотної напруги (ділянка ОД, рис. 8.5.5). Таким чином, вольт-амперна характеристика тунельного діода суттєво відрізняється від аналогічної характеристики звичайного діода. Вольт-амперна характеристика тунельного діода зображена на рис. 8.5.5.
|
|
|
Рис. 8.5.4
Наявність ділянки АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором забезпечує використання тунельних діодів для генерації і підсилення електромагнітних хвиль При не дуже сильному виродженні (
) прямий тунельний струм може бути відсутнім, але зворотний струм при цьому значний, що дозволяє використання тунельних діодів для детектування високочастотних електромагнітних коливань.
Рис. 8.5.5
Характерне значення струмів в тунельному діоді складає одиниці міліампер, а напруга – біля одного вольта. При цьому від'ємний диференціальний опір досягає десятків Ом, а ємність - від одиниці до десяти мікрофарад. У даній лабораторній роботі досліджується вольт-амперна характеристика тунельного діода ГІ103.
Електрична схема вимірювальної установки подана на рис. 8.5.6.
Рис. 8.5.6
Порядок виконання роботи
1. Установити границі вимірювальних приладів на 20 мА для міліамперметра і 1,5 В — для вольтметра. Перемикачі П1, П2, П3 поставити в положення "Пр".
2. Змінюючи напругу через кожні 0,01 В записати в таблицю відповідні їм значення прямого струму.
При деякій характерній для кожного типу діода напрузі (0,06¸0,07 В) спостерігається стрибкоподібна зміна напруги до величини 0,6¸0,7 В. При цьому дещо зменшиться величина прямого струму. Збільшуючи величину напруги до 1,0 В легко одержати точки для побудови ділянки АВ характеристики (рис. 8.5.7)
3. Шляхом зменшення напруги в зворотному напрямку від точки В (рис. 8.5.7) можна досягти точки С. Після цієї точки напруга знову стрибкоподібно зменшиться з переходом до точки Д. Всі виміри занести до таблиці.
| Uпp(B) | 0,01 | 0,02 | 0,03… | 0,60 | 0,65 | 0,70 | 0,75 | ||
| Iпp(mA) | |||||||||
| Uзв(В) | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05... | ||||
| Iзв(mA) |
|
|
|
4. Виконані вимірювання дозволяють побудувати ділянки ОМ і СВ вольт-амперної характеристики. З'єднавши точки М і С пунктирною лінією, схематично добудуємо ділянку характеристики з від'ємним диференціальним опором.
Рис. 8.5.7
5. Змінивши полярність зовнішньої напруги перемикачем П1 а також полярність вольтметра і міліамперметра, переключивши при цьому перемикачі П2 і П3 в положення «Зв», виміряти значення зворотного струму через кожні 0,01 В. Результати вимірювань занести до таблиці.
6. Побудувати за даними вимірювань вольт-амперну характеристику тунельного діода згідно з рис. 8.5.7.
7. Зробити висновки про точність вимірювань.
Контрольні запитання
1. Власна провідність напівпровідників відносно зонної теорії.
2. Домішкова провідність напівпровідників.
3. Як працює р - n – перехід в тунельному діоді при створенні зовнішньої різниці потенціалів для:
а) випадку прямого включення;
б) випадку зворотного включення.
4. Розподіл електронів за енергіями Фермі-Дірака і його характеристика. Енергія Фермі.
5. Тунельний ефект і його використання.
|
|
|
II. Методика и порядок составления родословной
II. Порядок выполнения курсовой работы
II. Порядок заполнения страницы 001 формы декларации
II. Порядок обучения по охране труда
II. Порядок подання податкового розрахунку
II. Порядок проведения проверок
II. Порядок расследования пищевых отравлений.
II. Порядок формирования экспертных групп, организация экспертизы заявленных на Конкурс проектов и регламент работы Конкурсной комиссии
II. УСЛОВИЯ И ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ КОНКУРСА
III .Порядок применения
