|
Исследование туннельного эффекта в p-n переходе Нижнетагильский государственный педагогический институт Научный руководитель: Фискинд Евгений Эмильевич, к.ф-м.н. Волновая природа микрочастиц обусловливает их проникновение через потенциальный барьер. Этот квантовомеханический эффект, называемый туннельным, проявляется в самых разнообразных физических явлениях: радиоактивном a - распаде, термоядерной реакции, процессах на контакте двух полупроводников или сверхпроводников и т.д. Наиболее удобным объектом изучения туннельного эффекта в лабораторном практикуме является туннельный диод (ТД), что обусловлено его доступностью, дешевизной, а также традиционной для полупроводниковых диодов методикой исследования. Учебный эксперимент по изучению туннельного эффекта включает в себя следующие этапы:
Для изучения этого эффекта используется измерительная схема оригинальной конструкции. При разработке измерительной схемы были учтены особенности режима питания ТД, заключающиеся в обеспечении низкого уровня пульсаций, узкого диапазона напряжений смещения (до 1 В) и малого шага его изменения при снятии ВАХ (до 10 мВ).
рис.1 Результаты исследования ВАХ ТД, типа ГИ 305Б приведены на (рис. 1). При увеличении напряжения смещения до 90 мВ ток монотонно возрастает, достигая максимального значения Iр = 10,2 мА. Дальнейшее повышение напряжения в интервале (110 ? 380) мВ приводит к падению тока до величины IV = 1,7 мА. Затем, с увеличением напряжения, ток экспоненциально возрастает, достигая значения I =11,8 мА при U=500 мВ. Наблюдаемая N-образная ВАХ, обусловлена особенностями зонной структуры p-n-перехода в ТД, представляющего собой диод на основе сильно легированных полупроводников p- и n-типа. В состоянии теплового равновесия в вырожденных полупроводниках
по обе стороны p-n-перехода уровень
Ферми, характеризующий среднюю энергию носителей заряда, лежит в пределах
разрешенных энергетических зон. Ширина
p-n-перехода в ТД составляет ~
100 Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: уровни энергии в зоне, из которой туннелируют электроны, должны быть заполнены, и соответствующие уровни энергии в зоне по другую сторону p-n перехода должны быть вакантны. Напряжение смещения V изменяет высоту потенциального барьера eVk (Vk – контактная разность потенциалов) на величину eV, что обеспечивает различие степени “перекрытия” валентной зоны полупроводника p-типа и зоны проводимости полупроводника n-типа а значит, различные значения туннельного тока. Для туннельного диода типа ГИ 305Б были получены следующие характеристические параметры:
Методические трудности при изучении туннельного эффекта в p-n переходе могут быть существенно уменьшены при компьютерной поддержке лабораторного эксперимента. Для объяснения принципа работы ТД нами предлагается использование слайдфильма, созданного с помощью программы Power Point, и содержащего изображения энергетических зон в области p-n перехода при различных напряжениях смещения. Слайдфильм, позволяет при выборе характеристической точки на ВАХ, вывести на экран соответствующую картину энергетических зон при данных условиях. Обработка результатов эксперимента осуществляется с помощью математического пакета MathCad 2000 Pro. |
, т.е. намного меньше, чем в “обычном” диоде. Эти факторы
создают предпосылки для туннелирования электронов из зоны проводимости
n-области в валентную зону
p-области при прямом смещении или в
противоположном направлении при обратном смещении.| (c) АСФ России, 2001 |