Физика \ Физика

Изучение работы полупроводникового и туннельного диодов, страница 2

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. 3г).

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.

Температуры 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:

(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 Δφ 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.

Порядок выполнения работы и обработка полученных результатов

На первом этапе эксперимента исследуется ВАХ характеристика p-n перехода при комнатной температуре термостата.

1. Включить установку тумблером «сеть». Включить термометр тумблером «термометр».

2. Изменяя ручкой «U» величину подаваемого напряжения для диода D₂ (Д9Б) снять зависимость силы тока I от напряжения U (15-20 точек) при комнатной температуре. Конструкция установки не позволяет изменять полярность подаваемого напряжения, поэтому исследуется только положительная ветвь ВАХ характеристики (рис.2). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1.

U, мВ	100	150	200	…	600	625	650
I(D₁), мА

3. Переключить тумблер «D₁-D₂» в положение «D₁» и снять ВАХ характеристику туннельного диода (не менее 5 точек в области первого подъема и 15-20 точек в области второго подъема характеристики). Как правило в области отрицательного дифференциального сопротивления измерения затруднительны, поэтому нижнюю часть ВАХ в области второго подъема следует снимать в процессе уменьшения подаваемого напряжения. Результаты измерений записать в таблицу 2.

Таблица 2.

U, мВ	0,5	…	50	375	390	…	650
I(D₂), мА

4. По результатам измерений п.2 и п.3 построить ВАХ обычного и туннельного диодов.

На втором этапе эксперимента изменяя и измеряя температуру термостата при фиксированном значении напряжения прямого включения U снимают зависимость тока в цепи от температуры полупроводника.

5. Установить величину подаваемого на диод D₂ (Д9Б) напряжения U=300 мВ. Включить нагреватель термостата тумблером «нагреватель» и повернуть ручку «нагрев» в крайнее положение по часовой стрелке (положение максимальной мощности нагревателя). В процессе нагрева сопротивлений снять зависимость силы тока I от температуры диода при заданном значении напряжения. (Записывать показания приборов не реже чем через каждые 10⁰С). Нагрев проводить до температуры Т=80 ⁰С. Результаты измерений занести в таблицу 3.

Внимание! В процессе измерений необходимо постоянно контролировать величину установленного напряжения.

Таблица 3.

Т, ⁰С	Т, К	1/Т, К^-1	I(D₁), мА	ln(I/I₀)
20
30
…
80

При построении графика температурной зависимости тока диода последний удобно нормировать на величину тока I₀ соответствующего начальной температуре диода.

6. Используя данные таблицы 3, построить график зависимости ln(I/I₀) от 1/Т. Определив из графика тангенс угла наклона прямой по формуле

Е_Fp―E_Fn = еΔφ = k∙tgα (7)

вычислить разность энергий Ферми полупроводников р- и n-типа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое энергия Ферми и чем она определяется при Т = 0 К? Где расположен уровень Ферми в полупроводниках n-типа и р-типа?

2. Что такое р-n переход? Как он формируется?

3. Почему р-n переход обладает односторонней проводимостью? Где используют это свойство р-n перехода?

4. Что такое туннельный диод? Объясните принцип его работы.

5. Как изменяются электрические свойства полупроводникового диода с температурой?

ЛИТЕРАТУРА

1. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела. М., Высшая школа, 2001.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М., Высшая школа, 1989.

1 2

Скачать файл