 |
Методика эксперимента и экспериментальная установка
|
|
|
|
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
По дисциплине «Физика»
Работы 71а, 71б, 71в, 71д, 71е
МОСКВА - 2007
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
Утверждено
Редакционно-издательским
советом университета
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
По дисциплине «Физика»
Работы 71а, 71б, 71в, 71д, 71е
для студентов специальностей
УВМ,УПМ, УПО, УАИ, УИС, АТС, АТЭ, АЭЛ, ЭЭС, ЭЭТ, УПП, ТБЖ, ТРК, ВПО, ВОПУ, ВАТС, ВАУТ, ВЭС, ВЭЛТ, ВЭТ, ВУИ, ВУИТС
Под редакцией
доц. С.Г. Стоюхина
МОСКВА - 2007
УДК 535
K59
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика». Работы 71а, 71б, 71в, 71д, 71е – М.: МИИТ, 2007. – 47 с.
Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов первого и второго курсов специальностей УВМ,УПМ, УПО, УАИ, УИС, АТС, АТЭ, АЭЛ, ЭЭС, ЭЭТ, УПП, ТБЖ, ТРК, ВПО, ВОПУ, ВАТС, ВАУТ, ВЭС, ВЭЛТ, ВЭТ, ВУИ, ВУИТС.
Выполнение работы № 71д планируется в порядке УИРС.
При написании методических указаний использовалась документация поставляемая с экспериментальными установками: рабочая тетрадь лабораторного эксперимента по «Статистической физике»; паспорта работ.
Авторы и составители: А.Н. Кушко
© Московский государственный
университет путей сообщения
(МИИТ) 2007г
Р А Б О Т А № 71а
Изучение работы полупроводникового и туннельного диодов
Целью работы является исследование работы р-n перехода двух полупроводников с различным типом проводимости.
|
|
|
Введение
В современной электронике широко используются р-n переходы – область контакта двух полупроводников (п/п) с различными типами проводимости. Они имеют малые размеры, большой срок службы и потребляют малые мощности.
Р-n переход можно «вырастить», например, когда на германиевую подложку с примесью мышьяка или сурьмы (п/п n-типа) накладывают индиевую таблетку (п/п р-типа) и нагревают в печи до спекания. Полученную конструкцию называют п/п диодом [1]. Принцип работы диода позволяет понять работу более сложных п/п соединений – триодов и интегральных микросхем.
До соединения полупроводников число свободных электронов в п/п n-типа было больше, чем в п/п р-типа, а число дырок наоборот. При контакте электроны из п/п n-типа диффундируют в п/п р-типа, а дырки из п/п р-типа в п/п n-типа. В результате вблизи границы соприкосновения в п/п n-типа образуется избыточный положительный заряд, а в п/п р-типа избыточный отрицательный заряд, т.е. возникает двойной электрический слой, который создает контактное электрическое поле с напряженностью Е к и с определенной разностью потенциалов Δ φ на его границах (рис. 1а). Эта контактная разность потенциалов создает потенциальный барьер на пути дырок и электронов и препятствует их дальнейшему переходу через контактный слой. При определенной высоте потенциального барьера наступает состояние подвижного равновесия, условием которого является равенство химических потенциалов обоих п/п [1,2]:
μ n = μ р (1)
Область запирающего слоя, обедненная носителями тока, имеет сопротивление больше, чем сопротивление глубинных областей полупроводников. Ширина запирающего слоя, а следовательно, и его сопротивление существенно зависят от величины и направления приложенного к р-n переходу внешнего электрического поля. Когда внешнее электрическое поле 
совпадает по направлению с полем 
контактного слоя (рис.1б), электрические поля складываются, что приводит к возрастанию потенциального барьера, ширины запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Такое направление внешнего электрического поля называется запорным или обратным направлением.
|
|
|
Если внешнее электрическое поле по направлению противоположно полю 
(рис. 1в), то поле в области запирающего слоя ослабевает, потенциальный барьер уменьшается, ширина слоя 
Рис. 1
сокращается и его сопротивление падает. Такое направление внешнего электрического поля называется пропускным или прямым. Прямой ток может в несколько сотен раз превышать обратный ток при одном и том же абсолютном значении напряжения. Включая р-n переход в цепь с переменным напряжением, можно получить значительные величины тока только в одном направлении, т.е. «выпрямить» переменный ток.
Основной характеристикой п/п диода является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость тока I протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения U. Общий вид ВАХ p-n перехода показан на рис. 2. Участок АВ соответствует прямому включению диода, а участок ВС – обратному. При больших напряжениях обратного включения возможен «пробой» – участок СD.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.
Из условия (1) можно получить выражение для величины потенциального барьера р-n перехода [1,2]:
е Δ φ = Е Fp― E Fn = A p― A n, (2)
здесь Е Fp и E Fn – энергии Ферми п/п р-типа и n-типа соответственно, A p и A n – расстояния от уровня Ферми до нулевого энергетического уровня свободного электрона в вакууме, е – заряд электрона.
Расчет с использованием статистики Ферми-Дирака зависимости силы тока через р-n переход от величины внешнего напряжения U приводит к выражению [2]:
, (3)
где
, (4)
а В – константа, зависящая от температуры.
Из формулы (3) видно, что в прямом направлении (когда U >0) ток растет экспоненциально с увеличением U. В обратном же направлении (когда U <0) с увеличением напряжения сила тока стремится к насыщению, т.е. к постоянной величине I s. Область «пробоя» р-n перехода выражение (3) не описывает.
|
|
|
Если полупроводники подвергнуть сильному легированию (ввести повышенное количество примесных атомов), то при концентрациях примеси порядка 1019-1020 см-3 примесные энергетические состояния перестают быть изолированными друг от друга в кристалле. Примесные энергетические уровни начинают перекрываться и при небольшой глубине залегания сливаться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещается в одну из зон,
и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Используя сильно легированные вырожденные п/п, можно изготавливать так называемые туннельные диоды, ВАХ характеристика которых имеет необычный вид [1]. На рис.3 а приведена зонная схема
такого перехода: уровень Ферми Е F находится в зоне проводимости n-области и в валентной зоне р-области. В равновесном состоянии выравнивание уровней Ферми происходит за счет туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Если внешнее на-
Рис. 3 Схема процессов, происходящих в р-n переходе туннельного диода
(Е с-дно зоны проводимости; Е v-потолок валентной зоны)
пряжение отсутствует, то результирующий ток через переход равен нулю.
Подача прямого напряжения на р-n переход приводит к уменьшению потенциального барьера, однако, в приборах такого типа более существенным является то, что подъем уровня Ферми в п/п n-типа сопровождается повышением числа туннельных переходов электронов из зоны проводимости этого вырожденного п/п на свободные состояния в валентной зоне вырожденного п/п р-типа. По мере повышения напряжения ток через переход будет расти, достигая максимального значения в момент, когда уровень Ферми донорного п/п сравняется с потолком валентной зоны акцепторного п/п (рис. 3 б). Дальнейшее увеличение напряжения приводит к снижению тока через переход, поскольку перекрытие зон уменьшается, и меньшее число электронов n-области оказывается способным туннелировать сквозь барьер. В этой области напряжений на ВАХ характеристике туннельного диода появляется спадающий участок – диод приобретает отрицательное дифференциальное сопротивление (рис. 3 в).
|
|
|
Спад тока с ростом напряжения продолжается до тех пор, пока дно зоны проводимости в n-области не сравняется с потолком валентной зоны р-области. При дальнейшем увеличении напряжения все более существенными становятся процессы, характерные для обычных диодов: начинается надбарьерное проникновение основных носителей из одной области в другую, ток возрастает, а ВАХ характеристика приближается к показанной на рис.2 (изображена пунктиром на рис.3 в).
В отличие от обычного диода, при подаче обратного напряжения ток в туннельном диоде не выходит на насыщение. Понижение уровня Ферми в зоне проводимости n-области приводит к увеличению потока электронов, проникающих сквозь барьер из валентной зоны п/п р-типа. Именно поэтому при увеличении обратного напряжения ток через туннельный диод также растет (рис. 3 г).
Наличие у туннельного диода участка отрицательного дифференциального сопротивлении позволяет использовать их в качестве быстродействующих переключателей и применять для генерации и усиления СВЧ-колебаний.
Методика эксперимента и экспериментальная установка
Экспериментальная установка схематично изображена на рис. 4. p-n переход с сопротивлением R подключают к источнику напряжения e и помещают в термостат.
Рис. 4. Блок-схема экспериментальной установки.
Температура термостата измеряется цифровым термометром. В установке предусмотрена возможность плавного изменения напряжения источника питания, что позволяет снять ВАХ характеристику исследуемых диодов.
Из формул (3) и (4) видно, что сила тока через р-n переход зависит от его температуры. Разложив экспоненту при малых U в ряд Тейлора, выражение (3) можно записать в виде[3]:
(5)
Прологарифмировав (5), получаем:
, (6)
где 
- величина слабо зависящая от температуры. Таким образом, измерив зависимость тока протекающего через диод от его температуры и построив график функции ln (I) =f (1/T) (см. рис. 5), по значению тангенса угла наклона прямой можно определить разность потенциалов Δ φ р-n перехода и по формуле (2) рассчитать разность энергий Ферми п/п р-типа и n-типа.
Рис. 5. Зависимость логарифма тока от величины обратной
Температуре p-n перехода.
Конструкция установки
Экспериментальная установка выполнена в виде отдельного функционального модуля, заключенного в металлический кожух, на лицевой панели которого расположены:
- мультиметр для измерения тока и напряжения при снятии ВАХ характеристик;
- тумблер «I-U» - для переключения мультиметра из режима измерения тока в режим измерения напряжения;
|
|
|
- цифровой индикатор термометра;
- тумблер включения термометра – «термометр»;
- ручка регулировки напряжения подаваемого на диод – «U»;
- тумблер включения печи нагревателя – «нагреватель»;
- ручка регулировки нагрева печи термостата – «нагрев» (позиция против часовой стрелки до упора – печь выключена);
- переключатель «D1-D2» подключения диодов (позиция D1 – туннельный диод, позицияD2 – диод Д9Б);
- тумблер включения установки – «сеть».
Величина силы тока протекающего через диоды определяется по напряжению на резисторе в 1 Ом, который подключен последовательно с диодами. При этом тумблер « I-U » переводится в положение « I », а величина тока определяется по шкале « 200 mV » или « 2000 mV » мультиметра.
|
|
|
