Ім'я файлу: Лаб 1Тунельний ефект.docx
Розширення: docx
Розмір: 298кб.
Дата: 07.10.2023
скачати
Пов'язані файли:
Поняття Реформацii.doc
курсова робота.docx
фрагмент уроку з аудіювання.docx
Перешлюга Н.Р.docx
Проблема підвищення якості вищої освіти..docx
5.9 Текст лекції Тема № 9 Технологія виробництва та перереробка
Внесок української науки в розгром над окупантами.pptx
презентація.pptx

1 ДОСЛІДЖЕННЯ ТУНЕЛЬНОГО ЕФЕКТУ


    1. Мета роботи


Вивчення фізичного явища - тунельного ефекту, а також фізичних процесів, які відбуваються в тунельних електронно-діркових переходах; дослідження вольт-амперних характеристик і параметрів деяких тунельних діодів.


    1. Вказівки з організації самостійної роботи


Під час підготовки до роботи необхідно розібратися в явищі тунелювання, яке виявляється в проходженні мікрочасткою потенціального бар'єру в випадку, коли її повна енергія менше висоти бар'єра (див., наприклад, [1]). Енергія частки при цьому більшою частиною не змінюється: частка нібито проходить крізь тунель, не підіймаючись на вершину бар'єра. Тому таке проникнення частки крізь потенціальний бар'єр образно називають тунельним ефектом.

Для бар'єра будь-якої форми коефіцієнт прозорості визначається виразом

, (1.1)

де і – відповідно енергія і (ефективна) маса частинки, – ширина бар’єра. Як бачимо, імовірність проходження мікрочасток крізь бар'єр тим вище, чим менше частка, висота і ширина бар’єра.




Рисунок 1.1 – Енергетична діаграма тунельного діода
Явище тунелювання покладене в основу роботи тунельного діода. В порівнянні зі звичайними напівпровідниковими діодами тунельний діод містить сильно леговані домішками р- і п- області, так що рівень Фермі знаходиться або в зоні провідності (для -області), або у валентній зоні (для -області) (рис. 1.1).

Такі напівпровідники є виродженими, і ступені виродження становлять декілька , а ширина збідненого шару менше 10 нм,




Рисунок 1.2 – Потенціальний бар’єр трикутної форми
 що на два порядки менше, ніж у звичайному переході. Такі вузькі потенціальні, бар'єри електрони можуть подолати за рахунок тунельного ефекту. В цьому випадку можна припустити, що бар'єр має трикутну форму (рис. 1.2).

Усередині переходу потенціал описується прямолінійною залежністю , де - напруженість поля. Імовірність проходження частки крізь такий бар'єр дорівнює

.

Враховуючи, що при , після перетворення отримаємо

, (1.2)

де – ширина забороненої зони напівпровідника.





Рисунок 1.3 – До пояснення ВАХ тунельного діода.
Тунельний діод має вольт-амперну характеристику (ВАХ), яка якісно відрізняється від інших характеристик напівпровідникових пристроїв - переходами (рис. 1.3). На прямій-гілці є ділянка з негативним диференціальним опором, а при малих зворотних напругах спостерігаються значні струми. Все це зв'язано з фізичними процесами тунельного проходження електрона.

Принцип дії тунельного діода легко зрозуміти з рис. 1.3. При відсутності зовнішньої напруги (зміщення) потоки електронів за рахунок тунельних переходів зліва направо і справа наліво рівні і обумовлений ними струм-дорівнює нулю (а на рис. 1.3).

Застосовуємо до діода невелике пряме зміщення (плюсом до -області). Відбувається зміщення зон: заповнені становища, -області виявляються напроти вільних становищ -області, кількість прямих переходів буде більше кількості зворотних і з'явиться прямий струм (б на рис. 1.3).

Відповідно до зростання напруги перекриття зон збільшується, нарешті, при деякій напрузі зони повністю перекриваються, тобто заповнені становища -області будуть знаходитися напроти вільних становищ -області. В цей момент струм досягає максимуму (в на рис. 1.3).

Якщо далі збільшувати напругу, перекриття зон зменшується, і струм, обумовлений тунельними переходами, починає зменшуватися (г на рис. 1.3). Нарешті, при деякій напрузі, коли дно зони провідності співпадає зі стелею валентної зони, перекриття зон зникає і струм досягає мінімуму (д на рис. 1.3). Зазначимо, що в реальних приладах, струм ніколи не падає до нуля. З’являється так званий «надмірний» струм. Оскільки він протікає при відсутності перекриття зон, то його наявність зв'язують з тунельними переходами крізь додаткові рівні, які з'являютьсяв заборонених зонах у випадку сильно легованих напівпровідників (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Щодо пояснення природи «надмірного» струму

Якщо і далі збільшувати напругу, то це призводить до інжекції і появи значного дифузійного струму (е на рис. 1.3).

Підведемо тепер до діода зворотне зміщення. Тоді заповнені становища -області виявляються напроти вільних (вище рівня Фермі) становищ -області, що призведе до тунельних переходів електронів із в -область, і в ланцюзі з'явиться зворотний струм. Збільшення зміщення призведе до швидкого зростання струму (ж на рис. 1.3). Таким чином, на відміну від звичайних переходів з невиродженими областями тунельний діод не має характеристик зачинення.

Еквівалентна схема тунельного діода (рис. 1.5) складається з негативного резистора , який визначається спадаючою ділянкою ВАХ, послідовного омічного опору ємності переходу і сумарної індуктивності виводів діода.




Рисунок 1.5 – Еквівалентна схема тунельного діода

Властивості тунельного діода зручно характеризувати параметрами екстремальних точок (рис. 1.3). Типове значення параметрів тунельних діодів надані в табл. 1.1.

Таблиця 1.1– Деякі параметри тунельних діодів

Матеріал
Параметр

, мА
, мА


, мВ
, мВ
, мВ
, пФ
, Ом

Германій
1-5
0,1-0,5
5-10
55-60
250-300
0,4-0,6
10-100
5-30

Арсенід

галлія
5-10
0,5-1
10-20
100-140
500-700
0,8-1,2
10-40
50-80

Величина омічного опору близько 1 Ом. ВАХ тунельного діода залежить від температури. Залежність струму визначається ступенем легування і типом матеріалів. При відносно низьких рівнях легування зменшується зі зростанням температури. Однак зі збільшенням легування піковий струм зростає зі збільшенням температури. Така поведінка обумовлюється впливом двох факторів: зміною ступеня перекриття і ширини зачиняючого шару . При високих концентраціях домішки, переважаючим є вплив температури на ширину зачиняючого шару. В результаті піковий струм зростає; напруга , яка відповідає піковому струму, від температури практично не залежить. Мінімальний струм і відповідна йому напруга залежать від температури, причому зі зростанням температури збільшується, а напруга зміщується в напрямку менших значень.

Диференціальний негативний опір залежить від імовірності тунельного переходу, тобто визначається ступенем легування, типом матеріалів

і величиною додатного зміщення. Для визначення найчастіше треба користуватися емпіричними формулами, які отримані на базі статистичного матеріалу. Так, для обчислення мінімального негативного опору гермавієвих діодів треба використовувати формулу

. (1.3)

Для дослідження, тунельного ефекту в роботі використовують промислові зразки тунельних діодів, які звичайно виготовляються з германію або арсеніду галію. Для германію як акцепторна домішка використовують алюміній, галій, індій, а як донорна -миш'як, фосфор, сурму. Для арсеніду галію як акцепторна домішка використовують цинк і кадмій, а як донорна - олово, свинець, селен, сірку.

Вузький -перехід одержують методом вплавленій домішок, досягаючи виключення процесів дифузії. При загальній ширині переходу 10-15 нм припустимим вважається дифузійне проникнення домішок на глибину до 1 нм.

Знімання спадаючої ділянки ВАХ пов'язано з деякими труднощами, котрі викликані необхідністю виконання умов стійкості схеми, яка містить елементи з негативним диференціальним опором. Найпростіший ланцюг замкнутого послідовно тунельного діода (рис 1.5) і джерела напруги з внутрішнім опором , буде стійким у межах спадаючої ділянки ВАХ; якщо виконуються умови стійкості по постійному і змінному струму

, (1.4)

. (1.5)

Якщо не виконується умова (1.4), то виявляються стрибки струму і напруги (рис. 1.6а). Для виконання цієї умови стійкості необхідне низькоомне джерело живлення з внутрішнім опором менше мінімального модуля диференціального негативного опору діода. При невиконанні умови (1.5) в ланцюзі збуджуються паразитні коливання, які призводять до спотворення форми характеристики (рис. 1.6б). Ця умова важко виконується, тому що реально завжди до індуктивності діода додається індуктивність з'єднуючих провідників. Тому для зменшення сумарної індуктивності паралельно діоду підключають низькоомний резистор.


Рисунок 1.6 – Спотворення форми вольт-амперної характеристики тунельного діода

1.3 Опис лабораторної установки

Схема для зняття статичної ВАХ тунельного діода наведена на рис. 1.7. Тунельний діод вмикається паралельно одному з плечей мостової схеми. Резистор виконує роль шунта. Дільник служить для балансування моста при вимкненому діоді. Вольтметр ПВ вимірює, напругу, що пропорційна струму через тунельний діод.

, (1.6)

де – внутрішній опір приладу.

1.4. Порядок виконання роботи

  1. Перед увімкненням схеми дільник повністю вивести (за допомогою повороту проти годинникової (стрілки) і вимкнути діод.

  2. Виконати балансування моста ручкою БАЛАНС ( ) по прибору ПВ, постійно збільшуючи напругу резистора . При балансі показники приладу ПВ повинні дорівнювати нулю. Після цього потенціометром зменшити напругу до нуля.

  3. Увімкнути тунельний діод у прямому напрямку. Зняти ВАХ, збільшуючи потенціометром напругу на тунельному діоді до значення, що відповідає . Зафіксувати точні значення і , і відповідні їм напруги.

  4. Після зняття прямої гілки ВАХ повністю вивести потенціометр і перемкнути діод для зняття характеристики у зворотному напрямку. Зняти зворотну гілку ВАХ.






Рисунок 1.7 – Схема для зняття вольт-амперної характеристики тунельного діода

  1. За отриманими характеристиками визначити основні параметри тунельного діода:

    • піковий струм ;

    • мінімальний струм ;

    • відношення струмів ;

    • напругу , відповідно до пікового струму;

    • напругу , відповідно до мінімального струму;

    • напругу , відповідно до струму дифузійної гілки;

    • приріст ;

    • приріст ;

    • негативний інтегральний опір ;

    • мінімальний негативний диференційний опір, і порівняти його с розрахованим за формулою (1.3).

  2. Розрахувати імовірність проходження електрона крізь потенціальний бар'єр трикутної форми при заданих викладачем параметрах.

  3. Розв'язати задачу. Коефіцієнт проходження прямокутного потенціального бар'єра висоти визначається виразом . Оцінити величину для електрона при еВ, в тому випадку, коли: а) б) в) d =1,0 нм.

1.5 Зміст звіту

Звіт повинен бути оформлений у відповідності з Державного стандарту України 3008-95 «Документация. Отчеты в сфере науки и техники. Структура и правила оформления» та міждержавного ГОСТ 2.105-95 і містити: формулювання мети роботи; схему установки вимірювання; розв'язання задач відповідно до пп. 6 і 7 параграфа 1.4; результати вимірювань ВАХ у вигляді таблиць і графіків; розрахунки основних параметрів тунельних діодів; індивідуальні висновки по роботі, які містять якісну і кількісну оцінку результатів роботи.

1.6 Контрольні запитання та завдання

  1. У чому полягає сутність тунельного ефекту?

  2. Поясніть так званий «парадокс» тунельного ефекту.

  3. Побудуйте енергетичну діаграму для рівноважного -переходу, утвореного невиродженими напівпровідниками.

  4. Яка залежність рівня Ферми в домішкових напівпровідниках від концентрації домішків і температури?

  5. Наведіть енергетичну діаграму для -переходу на основі сильно легованих напівпровідників.

  6. Яка ширина переходу в тунельному діоді?

  7. У чому полягає основна відмінність ВАХ звичайного та тунельного діодів?

  8. Поясніть за допомогою енергетичних діаграм різні ділянки ВАХ тунельного діода.

  9. У чому полягає природа надмірного струму?

  10. Які експериментальні складнощі виникають при знятті ВАХ тунельного діода?

  11. Назвіть основні параметри тунельного діода.

  12. 3 яких напівпровідникових матеріалів виготовляються сучасні тунельні діоди?

  13. Де застосовуються тунельні діоди?




Вольт-амперна характеристика тунельного діода GaAs



скачати

© Усі права захищені
написати до нас