Результаты определения постоянных физических величин
из исследования р-n-перехода диода
| 
|  , 
| 
|
Контрольные вопросы
1. Что называют электронно-дырочным переходом?
2. Что называют контактной разностью потенциалов p-n-перехода?
3. От чего зависит и чем определяется концентрация заряда на границах p-n-перехода?
4. Нарисуйте в лабораторной тетради схему и энергетическую диаграмму p-n-перехода в состоянии равновесия.
5. Какое напряжение, приложенное к p-n-переходу, называют прямым, обратным смещением?
6. Какое явление называют инжекцией, экстракцией неосновных носителей заряда?
7. Что называют полупроводниковым диодом?
8. Нарисуйте в лабораторной тетради схему структуры (например, сплавного) полупроводникового диода и его обозначение в электрических схемах.
9. Какую область полупроводникового диода называют эмиттером, базой?
10. Что называют диффузионной емкостью диода?
11. Что называют объединенным слоем и как зависит его толщина от напряжения, приложенного к p-n-переходу? Приведите формулы для резких и линейно плавных переходов.
12. Что такое барьерная ёмкость диода и как меняется ее величина с изменением приложенного напряжения? По какой формуле можно рассчитать барьерную ёмкость плоского p-n-перехода?
13. Как экспериментально определить контактную разность потенциалов 
, толщину объединенного слоя 
и установить однородность распределения примесей в области р-n-перехода?
|
|
|
14. Что такое дифференциальное сопротивление (дифференциальная проводимость) диода?
15. Приведите эквивалентную схему диода и формулу для полного сопротивления диода.
16. Что называют вольтамперной характеристикой диода? Приведите в лаб. тетради аналитическое и графическое выражения ВАХ. диода.
17. Как определить дифференциальное сопротивление (дифференциальную проводимость) диода по его ВАХ.?
18. Что называют током насыщения в полупроводниковом диоде?
19. Что такое пробивное напряжение диода?
20. От чего зависит ход ВАХ диода?
21. Нарисуйте принципиальную схему для исследования дифференциального сопротивления и ВАХ. диода. Расскажите, как снять прямую и обратную ветви ВАХ. и зависимость дифференциального сопротивления от тока диода.
Лабораторная работа № 13
Изучение туннельного эффекта в полупроводниках
Цель работы:определение параметров туннельного диода.
Теоретические сведения
Туннельный эффект в полупроводниках. Если электрическое полев полупроводнике достаточно велико ( 
), вероятность квантово-механического туннелирования, т.е. прямого возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, становится существенной. Использование приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна приводит к следующему выражению для вероятности туннелирования 
:
|
|
|
(1)
где 
– модуль волнового вектора частицы в области барьера, а 
и 
– координаты точек перехода, между которыми расположен барьер.
Туннелирование электрона через запрещенную зону формально идентично туннелированию частицы через барьер. Проанализируем ситуацию в случае треугольного потенциального барьера (рис. 1). Внутри треугольного барьера модуль волнового вектора равен
(2)
где 
– потенциальная энергия, 
– энергия электрона, 
– ширина запрещенной зоны полупроводника, E – напряженность электрического поля. Подставляя выражение (2) в формулу (1), получаем
(3)
Поскольку
при 
,
при 
,
выражение (3) принимает вид:
. (4)
Из этого выражения следует, что вероятность туннельного перехода из зоны в зону растет экспоненциально с ростом напряженности электрического поля E. Кроме того, вероятность туннельного перехода будет больше у полупроводников с малыми значениями ширины запрещённой зоны и эффективной массой 
.
|
|
|
Вероятность туннельного перехода зависит ещё от ширины потенциального барьера. Эффективная ширина барьера 
может быть определена из разности потенциальной энергии электрона в зоне проводимости в точке 
и в валентной зоне – в точке 
. Так как потенциальная энергия с точностью до аддитивной постоянной есть
E 
= 
, (5)
то эффективная ширина барьера
. (6)
Следовательно, ширина потенциального барьера зависит от напряженности электрического поля. Переход электрона из точки в точку связан с переходом сквозь треугольный потенциальный барьер 
.
Классическим примером применения туннельного эффекта является туннельный диод. Благодаря высокой надежности и совершенству технологии изготовления туннельные диоды используются в специальных СВЧ- приборах с низким уровнем мощности, таких как гетеродин и схемы для синхронизации частоты.
Туннельный диод представляет собой простой р-n-переход, обе стороны которого вырождены, т.е. очень сильно легированы примесями ( 
). На рис. 2 (а) приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термодинамического равновесия. В результате сильного легирования уровень Ферми проходит внутри разрешенных зон (в n-полупроводнике – выше дна зоны проводимости, а в р-полупроводнике – ниже потолка валентной зоны). Степени вырождения обычно составляют несколько kT, а ширина обедненного слоя 
и меньше, т.е. намного меньше, чем в обычном р-n-переходе. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.
|
|
|
|
Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в 
-области и к валентной зоне в 
-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (рис. 2).
В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из -области в -область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 2, а).
При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера - -перехода или смещение энергетической диаграммы -области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни -области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями -области, занятым» электронами (рис. 2, б)Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из -области в -область.
При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон -области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны -области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 2, в).
При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество' электронов, способных туннелировать из л-области в -область (рис. 2, г).
Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм - и -областей для свободных электронов л-области не будет свободных энергетических уровней в -области (рис. 2, д). Однако при этом через диод будет проходит прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер - -перехода, т. е. ток, связанный с инжекцией.
С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах (рис. 2, е).
При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 2, ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны -области в зону проводимости -области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжений. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжениях происходит туннельный пробой.
Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Это и является самым интересным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.
Туннельные диоды характеризуются специфическими параметрами (рис. 2):
1. Пиковый ток Iр – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение 
равно нулю.
2. Ток впадины Iв – прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение равно нулю.
3. Отношение токов туннельного диода Iп /Iв – отношение пикового тока к току впадины.
4. Напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току.
5. Напряжение впадины Uв – прямое напряжение, соответствующее току впадины.
6. Напряжение раствора Upp – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.
7. Удельная емкость туннельного диода Сд/Iп – отношение емкости туннельного диода к пиковому току.
Схема для снятия вольтамперной характеристики туннельного диода представлена на рис. 3.
 |
Задание
1.Снять вольтамперную характеристику туннельного диода и построить график. Для этого:
1) Подключить схему к источнику питания с помощью тумблера на макете (рис. 3) и все приборы в сеть.
2) Установить напряжение источника питания 15 В.
3) Увеличивая потенциометром напряжение на туннельном диоде через каждые 10-20 мВ в интервале от 0 до 600 мВ, измерить ток диода I.
4) По полученным результатам построить графикзависимости токи I от напряжения U.
2. Определить основные параметры туннельного диода из графика и результаты свести в одну таблицу.
Контрольные вопросы
1. В чем существенные отличия туннельного диода от обычного полупроводникового диода?
2. Объясните явление туннельного эффекта.
3. Укажите достоинства туннельных диодов.
4. Постройте и объясните вольтамперную характеристику туннельного диода.
5. Как определить величину среднего отрицательного сопротивления
туннельного диода?
6. Поясните смысл понятия «отрицательное сопротивление».
7. Расскажите о применении туннельных диодов.
Лабораторная работа № 14
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 335; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!