Лабораторные работы / 9283_12_лаб_туннельные диоды

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчЁт

по лабораторной работе №12

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Студентка гр. 9283		Зикратова А. А.
Преподаватель		Хадутин В. С.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы.

Исследование вольт-амперной характеристики (ВАХ) туннельного диода и его основных параметров.

Основные теоретические положения.

Туннельный диод (ТД) – это полупроводниковый диод с p-n-переходом, изготовленным на основе вырожденного полупроводника, в котором при прямом напряжении туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС).

Сильное легирование p- и n-областей при изготовлении туннельного диода (N_A,D = 1019…1021 см^–3) создает очень малую протяженность области объемного заряда (около 10^–2 мкм), в результате чего возникает возможность туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер. Следствием сильного легирования является вырождение p- и n-областей. Уровень Ферми в этом случае расположен в разрешенных зонах.

На рис. 1 показаны энергетические диаграммы p-n-перехода на основе вырожденных полупроводников при различных приложенных извне напряжениях.

Рис. 1 - Вольт-амперная характеристика туннельного диода и энергетические диаграммы

При нулевом напряжении (рис. 1, а) уровень Ферми постоянен по координате. Электроны из зоны проводимости n-области могут туннелировать на свободные уровни в валентной зоне p-области и обратно. Встречные потоки электронов равны, и суммарный ток, протекающий через диод, равен нулю.

При небольшом прямом напряжении уменьшается высота потенциального барьера, т. е. энергетические уровни в n-области смещаются вверх относительно энергетических уровней в p-области. При этом заполненные электронами уровни зоны проводимости оказываются напротив свободных разрешенных уровней валентной зоны p-области и вероятность туннельных переходов электронов из n-области в p-область возрастает (рис. 1, б). Это приводит к появлению прямого туннельного тока, который возрастает с увеличением прямого напряжения и достигает максимума (ток пика – I_п) при наибольшем перекрытии уровней, заполненных электронами в зоне проводимости n-области и свободных уровней валентной зоны p-области (рис. 1, в).

При дальнейшем увеличении прямого напряжения взаимоперекрытие этих областей разрешенных зон уменьшается (рис. 1, г) и постепенно уменьшается туннельный ток – практически до нуля (рис. 1, д). Но при этом с подъемом прямого напряжения увеличивается обычный прямой ток, протекающий через p-n-переход (диффузионный, рекомбинационный), что иллюстрирует рис. 1, е.

В результате на прямой ветви ВАХ возникает пик туннельного тока I_п при напряжении U_п и остаточный ток, именуемый током впадины I_в, при напряжении U_в. Между двумя экстремальными токами расположен участок отрицательного дифференциального сопротивления, имеющий большое значение на практике. Вся прямая ветвь ВАХ ТД имеет N-образный вид.

При подаче обратного напряжения на ТД увеличивается потенциальный барьер и возрастает взаимоперекрытие свободных разрешенных уровней зоны проводимости n-области и занятых электронами уровней валентной зоны p-области (рис. 1, ж). Таким образом, обратный ток обусловлен туннелированием электронов, но теперь уже из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. ТД в отличие от выпрямительного диода имеет довольно высокую проводимость при обратном напряжении.

Основными параметрами, характеризующими статическую ВАХ туннельного диода, являются (см. рис. 1): пиковый ток I_п; ток впадины I

Протокол

Обработка результатов эксперимента.

1)

Пример расчёта:

|r_| ≈ (U_в – U_п)/(I_п – I_в) = (0,5 – 0,15)/(1,5 – 0,2) ∙ 1000 = 350/1,3 ∙ 1000 ≈ 269,23 Ом

I_п/I_в = 1,5/0,2 = 7,5 - кратность изменения тока на участке ОДС

Рис. 2

U_п

U₁

U₂

U_рр

U_в

I₀

2)

Диапазон изменения U_х, в пределах которого сохраняется эффект дискретно-аналоговой памяти: [0; 7,6] В

I₀ = (I_п – I_в)/2 = (1,5 – 0,2)/2 = 1,3/2 = 0,65 мА

Из рис. 2 приблизительно были определены два устойчивых падения напряжения при пропускании тока I₀: U₁ ≈ 0,045 В и U₂ ≈ 0,85 В → ΔU = U₂ - U₁ = 0,85 - 0,045 = 0,805 В

Из таблицы 4 дискрет приращения: ΔU_ост = (U_ост(0,4) – U_ост(0) + … + U_ост(10) - U_ост(9,6))/25 ≈ 0,7 В

Из таблицы 4 дискрет изменения U_ост: (0 – 0 + 0,4 – 0,4 + |1 – 0,8| + 1,2 – 1,2 + |1,6 – 1,8| + 2 – 2 + 2,4 – 2 +…+ 10 – 8,4)/26 ≈ 0,4

Рис. 3

3)

На серединах участков резких подъёмов передаточных характеристик при различных R_н:

Для R_н = 100 Ом: k_u = ΔU_ТД(E_G)/ΔE_G = (U_ТД(0,5) - U_ТД(0,4))/0,1 = (0,4 – 0,22)/0,1 = 1,8

Для R_н ≈ 130 Ом: k_u = (U_ТД(0,6) - U_ТД(0,5))/0,1 = (0,42 – 0,2)/0,1 = 2,2

Для R_н = 160 Ом: k_u = ΔU_ТД(E_G)/ΔE_G = (U_ТД(0,7) - U_ТД(0,6))/0,1 = (0,46 – 0,2)/0,1 = 2,6

Рис. 4

4)

Амплитуда осцилляций при E_Gmax = 0,68 В: [U] = 0,1 В/дел; 2А ≈ 0,1 В/дел ∙ 3,8 = 0,38 В, А = 0,38/2 = 0,19 В

А ≈ 0,19 В

Рис. 5 – Осциллограмма колебаний напряжения

Рис. 6 – E_Gmin и E_Gmax на ВАХ туннельного диода

E_Gmax

E_Gmin

Вывод: В ходе лабораторной работы была исследована ВАХ туннельного диода и его параметры. На ВАХ имеется участок ОДС (рис. 1), образующийся (при подаче U_пр) в результате уменьшения взаимоперекрытия разрешённых зон p- и n- областей, в связи с чем количество носителей заряда, способных туннелировать, снижается и ток уменьшается. Эффект дискретно-аналоговой памяти связан с наличием устойчивых напряжений на участках ВАХ с положительным дифференциальным сопротивлением и сохраняется в диапазоне [0; 0,76] В. Усилительный эффект проявляется, если наклон нагрузочной характеристики (ВАХ R_н) очень близок к наклону спадающего участка ВАХ туннельного диода, но при этом она имеет лишь одну точку пересечения с ВАХ туннельного диода. Иными словами, R_н должно быть близким к модулю отрицательного дифференциального сопротивления ТД в окрестности рабочей точки r_–, но не превышать его: R_н  r_–. В этом случае очень малое смещение нагрузочной характеристики при изменении входного напряжения на величину ΔE_G вызывает довольно большое изменение напряжений на ТД (ΔU_ТД). Осцилляции напряжения на катушке и, следовательно, на туннельном диоде появляются в результате ЭДС самоиндукции катушки, которая возникает из-за малых флуктуаций напряжения на тд и изменения тока.