Порядок выполнения. Проведение эксперимента

1. Ознакомится с принципиальной блок схемой устройства, изображенной на рис. 6, рис. 6-1.

2. Соединить учебную установку с осциллографом специальными проводами. Выход Y соединяется со входом Y (сигнал) осциллографа. Выход X является дополнительной синхронизацией и соединяется соответственно с входом X осциллографа.

3. Включить установку и осциллограф в сеть напряжением ~220 В.

4. Поставить переключатель «СЕТЬ» на панели модуля и осциллографа в положение «ВКЛ». При этом должен загореться индикатор «СЕТЬ» на панели устройств.

5. Дать устройствам прогреться в течении 3-5 минут.

6. Приступить к снятию вольтамперной характеристики первого образца SAMPLE1=1И305. Для этого с помощью кнопки «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC» выберите эксперимент SAMPLE1 (переведите курсор на ЖКД дисплее в соответствующее положение), и начните опыт, нажав клавишу «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВХОД».

7. Снять прямую ветвь ВАХ диода. Для этого, вращая ручку «УСТАНОВКА U_{a-k max}» по часовой стрелке до упора, установить максимально возможное амплитудное значение напряжения на диоде (≈500 мВ по показаниям цифрового вольтметра).

8. Установить на передней панели осциллографа режимы, позволяющие оптимально наблюдать ВАХ. Рекомендуемые значения: переключатель VOLTS/DIV (Вольт/дел) в положение .1 V — 1 V, переключатель TIME/DIV (Время/дел) в положение .5 — 1 ms, переключатель INT-EXT (слева от входа X) – переключает режим внутренней и внешней синхронизации – в положение EXT (режим внешней синхронизации). Переключатель «AUTO NORM TV» (способ развертки) поставить в положение «NORM» (ждущая). Переключатель«DC ╩ AC» поставить в положение «DC». Переключатель «+ - x-EXT» в положение «+» или «-». Вращением ручки «LEVEL» добиться устойчивого изображения ВАХ на экране.

9. Вращением ручек «POSITION» оси Y и Х, а также ручки VAR осей X и Y установить характеристику таким образом, чтобы она занимала большую часть экрана.

10. Срисовать ВАХ с экрана осциллографа по клеткам на миллиметровую бумагу в координатах X-Y.

11. Определить коэффициент чувствительности оси Х , где - установленная амплитуда линейного импульса по показаниям «ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА», - количество клеток по оси x, занимаемое характеристикой при данном значении напряжения U_{а-k ампл} рис. 8.

12. Для увеличения точности определения коэффициента K_x рекомендуется провести измерение при трех значениях амплитуды развертывающего напряжения на диоде, изменяя её ручкой «УСТАНОВКА U_a-k» и найти среднее значение <K_x>. Таким образом, для каждой точки ВАХ по оси х имеем соответствующее значение напряжения , где x - количество клеток от начала ВАХ до искомой точки.

13. Изменяя ручкой «УСТАНОВКА U_{a-k max}» напряжение, подаваемое на туннельный диод, и, контролируя это значение и значение тока, измеряемые цифровым индикатором,снять вольтамперную характеристику диода по точкам, одновременно наблюдая за разверткой ВАХ на экране осциллографа. Шаг изменения напряжения по возможности делать как можно меньше. Особое внимание обращать на фиксацию результатов в экстремальных точках. При вращении ручки установки амплитуды с выхода пилообразного генератора «УСТАНОВКА Uа-к амп»,вольтамперная характеристика, как и следует ожидать, будет «обрезаться» справа. При этом, так как цифровой вольтметр показывает амплитудное значение напряжения с выхода генератора (напряжение в крайней правой точке характеристики), то, фактически, вращая ручку «УСТАНОВКА Uа-к амп», можно определить значения напряжения на диоде и тока через диод в каждой точке ВАХ образца.

14. По результатам измерений построить на миллиметровой бумаге график зависимости тока туннельного диода от напряжения (ВАХ) в координатах и сравнить полученные вами зависимости со справочной на рис. 9.

15. Из графика найти экспериментальные значения U_max, U_min и I_max.

16. По полученным экспериментально результатам оценить положение уровня Ферми. Формулу для расчета получаем из формулы 4.3а:

(5.1)

17. Определить энергию, соответствующую максимуму функции распределения электронов в зоне проводимости. Формулу для расчета получаем из формулы 4.3:

(5.2)

18. Определить вероятность туннелирования электронов через p-n переход. Формулу для расчета получаем из формулы (4.6), где :

(5.3)

19. Результаты всех измерений, теоретических вычислений и экспериментальных данных занести в таблицы. Значение энергии в Дж для удобочитаемости результата следует перевести в эВ (1эВ=1,6∙10^-19 Дж):

	табл. 1 вольт амперная характеристика диода

U, В	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
I, A	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…

U_max=… В; U_min=… В; I_max=…А

	табл. 2 результаты измерений и вычислений

	Теоретический расчет	Экспериментальный результат
EF - EC
EF - Em
Umax
Umin
D
Imax

20. Приступить к снятию вольтамперной характеристики второго образца SAMPLE2=1И104. Для этого остановить текущий эксперимент нажатием кнопки «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC», с помощью этой же кнопки в главном меню выбрать SAMPLE2 и начать исследование второго образца, нажав клавишу «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВХОД».

21. Повторить теоретический расчет и действия пп. 7 – 18 для второго образца и сравнить полученную ВАХ со справочной на рис. 10.

22. По окончании работы следует выключить установку и осциллограф переключателями «СЕТЬ» и вынуть сетевые вилки из розеток.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит физическое явление, называемое туннельным эффектом?

2. Рассмотреть поведение классической и квантовой частицы при прохождении прямоугольного потенциального барьера (рис. 1.1). В чем различие в их поведении?

3. Получить формулу для коэффициента отражения R и прохождения D прямоугольного потенциального барьера. Могут ли эти коэффициенты быть больше единицы? Почему? Оценить вероятность прохождения через барьер толщиной а~1 нм и энергией U₀ ~ 2 эВ двух частиц – протона и электрона, обладающих одинаковой энергией E ~ 1,5 эВ. Вероятность прохождения какой частицы больше?

4. Какой физический смысл функции Ферми-Дирака (2.1)? Что такое энергия Ферми? Какие выделяют энергетические зоны в твердом теле?

5. Пояснить поведение функции Ферми при различных температурах (рис. 2).

6. Из-за чего возникает необходимость во введении функции D(E) – функцией плотности энергетических состояний?

7. Объяснить механизм образования двойного электрического слоя при контакте полупроводников p и n типа.

8. Объяснить принцип работы обычного полупроводникового диода исходя из представлений зонной теории твердых тел. Почему p-n переход пропускает ток только в определенном направлении?

9. Что такое вырожденные полупроводники? Чем они отличаются от невырожденных?

10. К какому классу полупроводников относится туннельный диод? Что приводит к возникновению туннельного эффекта в полупроводниковом туннельном диоде?

11. Объяснить вольт - амперную характеристику туннельного диода (рис.5.5), исходя из зонной теории. Какая особенность наблюдается в прямой ветви вольт - амперной характеристики?

12. Где в области техники могут применяться туннельные диоды?

13. Объяснить особенность снятия вольт – амперной характеристики туннельного диода и причину возможного появления гистерезиса на ВАХ (рис. 6).

14. Объяснить причины возможные причины расхождения результатов, полученных теоретическим расчетом, с экспериментальными данными, полученными с помощью ВАХ туннельного диода.

Использованная литература.

1. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.

2. Б. Ф. Алексеев, К. А. Барсуков «Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов втузов», М., Высш. шк., 1988 г.

3. К. А. Барсукова, Ю. И. Уханова «Лабораторный практикум по физике», М., Высш. шк. 1988 г.

4. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС. Раздел «Контактные явления»». Мн.; БГУИР, 1998 г.

5. Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома «Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА». М.; «Советское радио», 1979 г.

6. И.П. Жеребцов «Основы электроники». Ленинград, «Энергоатомиздат», 1985 г.

7. Ю. Н. Колмаков «Основы квантовой теории и атомной физики», ТулГУ, Тула, 2003 г. Ту

8. В.В. Новиков «Теоретические основы микроэлектроники». М.; «Высшая школа», 1972 г.

9. К.В. Шалимова «Физика полупроводников». М.; «Энергия», 1976 г.

10. Под редакцией Г.Г. Шишкина «Электронные приборы». М.; «Энергоатомиздат», 1989 г.

11. А.А. Штернов «Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники». М.; «Радио и связь», 1981 г.

НПО УЧЕБНОЙ ТЕХНИКИ «ТУЛАНАУЧПРИБОР», ДЛЯ СВОБОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ.