Главная | Обратная связь

Лабораторна робота №57

ВИВЧЕННЯ ТУНЕЛЬНОГО ДІОДА

 

Мета роботи: експериментально вивчити роботу тунельного діода, побудувати та дослідити його вольтамперну характеристику, знайти основні параметри.

Обладнання: вольтметр, міліамперметр, випрямляч, тунельний діод.

 

Розглянемо проходження частинки через прямокутний потенціальний бар’єр висотою і шириною (рис. 1,а).

 

а) б)

Рис. 1

 

Згідно класичних уявлень поведінка частинки однозначно визначається величиною її енергії. Якщо енергія частинки більше висоти бар’єра , то частинка без перешкод проходить “над” бар’єром. Якщо ж , то частинка відбивається від бар’єра і летить в протилежний бік. Проникнути через бар’єр частинка не може.

Згідно квантової теорії при існує відмінна від нуля ймовірність того, що частинка відіб’ється від бар’єра і полетить в протилежний бік, а при існує відмінна від нуля ймовірність того, що частинка проникне “крізь” бар’єр і появиться в області ІІІ з .

Відношення квадрата модуля амплітуди хвилі де Бройля, що пройшла через потенціальний бар’єр до квадрата модуля амплітуди хвилі, що падає на бар’єр,

(1)

дає ймовірність проникнення частинки через бар’єр і називається коефіцієнтом проникнення (або коефіцієнтом прозорості) бар’єру.

Для випадку одномірного потенціального бар’єра прямокутної форми (рис. 1,а):

,

(2)

Якщо одномірний потенційний бар’єр має довільну форму, що задається функцією , то знаходиться за формулою:

.

(3)

Перехід частинки з області І в область ІІІ відбувається через область ІІ, де повна енергія менша від потенціальної. При подоланні потенціального бар’єру частинка проходить ніби через тунель в цьому бар’єрі (див. pаштриховану область на рис. 1,б), тому таке явище називають тунельним ефектом.

Тунельний діод, в основі якого лежить тунельний ефект, був створений в 1958 році японським фізиком Есакі.

Для створення тунельного діода необхідно:

1. Вузький р-n перехід 10^–6 – 10^–5 см;

2. Вироджений матеріал з концентрацією домішок 10¹⁹ – 10²⁰ см^-3;

Виродження приводить до того, що вільні рівні зони провідності розташовуються проти рівнів енергії заселених електронами у валентній зоні, вузькість переходу забезпечує велику ймовірність тунельного ефекту. На рис. 2а показано енергетична схема р-n переходу тунельного діода без зовнішньої напруги і зміщення енергетичних рівнів. Тут n- і р- – електронна і діркова області напівпровідника, – дно вільної зони, – стеля валентної зони.

 

а) б) в) г)

Рис.2

 

Виродження виражається в тому, що рівень Фермі лежить вище в n- області і нижче в р- області.

Електрон, маючи деяку енергію , може знаходитись як в n- так і в р- області, а, значить, він може переходити із n- в р- область, і навпаки. Але такий перехід вимагає подолання електроном потенціального трикутного бар’єру.

На рис. 3 зображено трикутний потенціальний бар’єр для ідеалізованого р-n переходу з постійним в ньому електричним полем.

 

Рис.3.

 

Для переходу електрона із стану І в стан ІІ він повинен пройти через трикутний потенціальний бар’єр з основою і висотою . При постійному полі в межах переходу коефіцієнт прозорості бар’єру задається формулою:

.

(4)

Якщо на діод не накладено зовнішнє поле , то сила струму через перехід рівна нулю, тому, що число переходів ліворуч і праворуч однакове.

Якщо зробити пряме підключення р-n переходу, тобто n- область з’єднати з мінусом джерела струму (див. рис. 2,б), то в цьому випадку рівні в р- області опускаються нижче порівняно з рівнями в n- області, і кількість переходів справа наліво буде більше кількості переходів зліва направо. В такому випадку через перехід потече струм від р- до n- області. Зі збільшенням напруги кількість переходів з n- в р- області буде збільшуватися. Але починаючи з напруги, приблизно рівної , число вільних рівнів в р- області, розташованих проти заповнених рівнів в n- області, буде зменшуватись і в момент, коли в n- області буде співпадати з , перехід електронів припиниться (рис. 2, в, г). При подальшому зростанні напруги струм знову буде збільшуватися за рахунок звичайного механізму провідності діода.

Таким чином, вольтамперна характеристика тунельного діоду має ділянку спаду (рис. 4), для якої характерний диференціальний від’ємний опір.

 

г)

в)

б)

а)

Рис.4

 

Основними параметрами тунельних діодів є струми і напруги, що вказані на вольтамперній характеристиці. Це – сила струму максимуму і мінімуму , напруга максимуму і мінімуму , найбільша напруга , що відповідає струму на другій зростаючій частині характеристики, різниця напруг , що називається наругою перемикання, або напругою стрибка, відношення та від’ємний диференціальний опір . До параметрів діода також відноситься ємність діода, час перемикання , максимальна або критична частоти.

Тунельний діод використовується для генерації і підсилення коливань частотою 10⁹ – 10¹⁰ Гц і може бути використаний для частот до 10¹² Гц.

В наш час тунельні діоди широко використовуються в техніці СВЧ, та в інших імпульсних радіоелектронних швидкодіючих пристроях.