Особенности эксперимента.

Ua-k амплит.

В работе исследуют вольт – амперную характеристику туннельного диода с помощью электронного осциллографа, теоретически и экспериментально определяют положение экстремальных точек на вольт – амперной характеристики. Проводят оценку энергии Ферми и энергии, соответствующей максимумам функции плотности распределения носителей в зонах материала туннельного диода.

Снятие ВАХ ТД отличается рядом особенностей, обусловленных отрицательным динамическим сопротивлением диода на падающем участке характеристики от до (см. рис.5.5). Если нагрузочное сопротивление диода, т.е. общее сопротивление цепи, подключённой к диоду, включая сопротивление источника питания и измерительных приборов, больше динамического отрицательного сопротивления диода, то измерить ниспадающую ветвь ВАХ невозможно. Вместо статической ВАХ наблюдается кривая гистерезисного типа (точки 1–4 и штриховые прямые на рис.6в).

Для понимания особенности изменения ВАХ ТД рассмотрим схему из последовательно соединённых ТД и резистора , показанную на рис.6а. Для того, чтобы найти ток через диод, нанесём нагрузочную прямую на ВАХ диода, как показано на рис.6б.

 

	(3.2)

 

 

Точка пересечения нагрузочной прямой (3.2) и ВАХ показывают ток и напряжение на диоде при данном внешнем напряжении . Если плавно увеличивать внешнее напряжение , то получим семейство нагрузочных прямых, изображённых на рис.6в.

 

Заметим, что при увеличении от нуля до нагрузочная прямая пересекает характеристику в одной точке, и ток постоянно возрастает.

В окрестности нагрузочная прямая пересекает характеристику в трёх точках. При этом два решения, отвечающие внешним точкам пересечения, устойчивы, а решение, отвечающее внутренней точке, неустойчиво. При приближении к нагрузочная кривая сходит с горба характеристики, и мы опять получаем одно решение. Таким образом, при плавном увеличении напряжения после прохождения точки 1 ВАХ (рис.6в) будет наблюдаться скачок тока и скачкообразный переход к точке 2 ВАХ. При плавном уменьшении напряжения аналогичный скачок произойдёт в точке 3 ВАХ, и измерить полностью ВАХ ТД при данном нагрузочном сопротивлении оказывается невозможным. Для измерения ВАХ ТД на ниспадающей ветви надо уменьшить нагрузочное сопротивление диода до такой величины, чтобы оно было меньше (по модулю) динамического отрицательного сопротивления ТД. Для этого в данном лабораторном модуле собрано специальное устройство согласования.

Лабораторная установка ФКЛ-5 позволяет снять ВАХ туннельного диода по точкам (аналогично схеме рис. 6 а) с одновременным получением ВАХ на экране осциллографа (схема рис. 6-1). Две схемы работают согласовано.

Пилообразный сигнал с выхода Генератора Линейно Изменяющегося Напряжения (ГЛИН) G подается на исследуемый полупроводниковый туннельный диод через балластное сопротивление. Таким образом, между анодом и катодом диода создаётся ускоряющее напряжение, линейно меняющееся во времени – создается развёртка во времени по оси X осциллографа, а, так как напряжение U_{анод-катод} пропорционально времени t (U_a-к~kt), то развертка по времени есть развёртка по напряжению U_{анод-катод}=U_диода.

С резистора Rбалл. снимается сигнал, пропорциональный току I_. диода. В результате получаем на экране осциллографа вольт-амперную характеристику диода I=I(U).

Плавная регулировка выходного напряжения генератора осуществляется

	Установка Uа-к ампл

переменным резистором R. Измерение амплитудного

 

значения напряжения на диоде и амплитудного значения тока при данном напряжении производится при помощи встроенного цифрового комбинированного «ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА». Таким образом, вольтметр и амперметр показывают фактически значение напряжения и тока в крайней правой точке характеристики диода (рис. 6 б, рис. 8).

Так как цифровой вольтметр на ЖКД индикаторе всегда показывает значение напряжения в крайней правой точке характеристики, то для калибровки оси X (при необходимости) достаточно воспользоваться следующей формулой:

где - установленная амплитуда напряжения с выхода генератора по показаниям измерительного прибора, - количество клеток по оси x, занимаемое характеристикой при данном значении напряжения U_{а-k ампл} рис. 8.

Для начала эксперимента выберите многофункциональной кнопкой «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC» исследуемый образец (переведите курсор на ЖКД дисплее в соответствующее положение), и начните опыт, нажав клавишу «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВХОД». Выход из эксперимента и переход в главное меню выбора образца осуществляется многофункциональной кнопкой «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC»

Исследуемые образцы: SAMPLE1=1И305; SAMPLE2=1И104.

Подготовка к работе. Теоретический расчет параметров.

 

1. Изучить теорию туннельного эффекта для прямоугольного потенциального барьера, ознакомиться с теоретическими сведениями, изложенными в данном методическом руководстве.

2. Оценить энергию Ферми в материале туннельного диода исходя из следующих представлений. При Т=0 К функция Ферми (2.1) для всех энергий Е<Е_F. Тогда концентрация носителей заряда, согласно формуле (2.4) равна:

Используя выражение (2.2) для функции D(E) найдем:

 

 

Откуда получаем выражение для энергии Ферми E_F, которая отсчитывается от энергии дна зоны проводимости Е_С:

(4.1)

При расчетах следует брать типичное значение концентрации электронов и дырок n~3∙10²⁶ м^-3. В качестве эффективной массы электрона можно взять обычную массу покоя электрона m =0,91∙10^{-30 кг.}

 

3. Найти энергию E_m, соответствующую максимуму функции распределения электронов в зоне проводимости. Это можно сделать, исследовав на экстремум функцию (2.2а). Этот анализ довольно трудоемок, поэтому здесь приводим сразу конечный результат:

 

(4.2)

 

4. Оценить значения U_max и U_min вольт – амперной характеристики туннельного диода с помощью формул:

 

(4.3а)

(4.3)