Особенности работы, вольт – амперная характеристика туннельного диода

Предложенный в 1958 г. японским учёным Л. Ёсаки туннельный диод изго-
товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей
(10¹⁹ — 10²⁰ см^-3), т. е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или
тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупро­водники с малым
сопротивлением относят к классу вырожденными. Электронно-дырочный пере­ход в вырожденном полупроводнике, как было сказано ранее, получается в десятки раз тоньше (10^{-6 см),} чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных
полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно поло-
вине ширины запрещённой зоны, а в туннельных диодах она несколько больше
этой ширины. Вследствие малой толщины перехода на­пряженность поля в нём даже
при отсутствии внешнего напряжения достигает 10⁶ В/см.

Рассмотрим процессе, происходящие в туннельном диоде и поясним его вольт-амперную характеристику.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических
диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости-
в n- и р -областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в n-р -переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потен­циального барьера,
выраженную в электрон-вольтах.

На рис.5.1-5.4 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для
того чтобы не усложнять рассмотрение тун­нельного эффекта, диффузионный ток
и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диа­грамма рис. 5.1 соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята
для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ (типичные значения для туннельных диодов).

Горизонтальными ли­ниями в зоне проводимости (ЗП) и в валентной зоне (ВЗ) показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне
и зоне проводимости изображены также незаштри­хованные горизонтальными
линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами.

Как видно, в зоне проводимости полупроводника n -типа и в валентной
зоне полупроводника р -типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход
электронов из области n в область р (прямой туннельный ток i_пр) и из области р
в область n (обратный туннельный ток i_обр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 5.2 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счёт
которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет
0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области n в область р
усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни,
соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электро­нами
в зоне проводимости области n. А переход электронов из валентной зоны области
р в область n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной
зоне области р, соответст­вуют в области n энергетическим уровням запрещённой-
зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный
ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда U_пр=0,05В,
существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше
прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального,
получающе­гося при U_пр= 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 5.3 соответствует U_пр= 0,2 В, когда высота
потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход
невозможен, так как уровням, занятым элек­тронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находя­щиеся в запрещённой зоне.
Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем пря­мом
напряжении. Следует помнить, что при возрастании
прямого напряжения увеличивается пря­мой
диффузионный ток диода. При рассмотрен-
ных значениях U_пр = 0,2 В диффузионный ток
го­раздо меньше туннельного тока, а при
U_пр>0,2 В диффузионный ток возрастает и
достигает значе­ний, характерных для прямо
го тока обычного диода.

 

На рис. 5.4 рассмотрен случай, когда обратное напряжение U_обр=0,2В.
Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число
уровней, занятых электронами в валентной зоне р -области и соответствуют их
свободным уровням в зоне проводимости n -области. Поэтому резко возрастает
обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток
при прямом напряжении.

 

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 5.5) поясняет рас-
смотренные диа­граммы. Как видно, при U=0 ток равен нулю. Увеличение
прямого напряжения до 0,1 В дает возрас­тание прямого туннельного тока до
максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого на­пряжения до 0,2 В
сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получа­ется
минимум тока и характеристика имеет падающий участокАБ, для которого
характерно отрица­тельное дифференциальное сопротивление:

(3.1)

 

 

После этого участка ток снова возрастает за счет прямого диффузионного
тока. Обратный
ток получается такой же, как прямой, т. е. вo много раз больше, нежели
у обычных диодов.

Туннельные диоды могут применятся в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энерги от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством туннельных диодов. К сожелению, эксплутация этих диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти иоды подвержены значительному старению, то есть с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в целиндрических герметичных малостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Особенности эксперимента.

Ua-k амплит.

В работе исследуют вольт – амперную характеристику туннельного диода с помощью электронного осциллографа, теоретически и экспериментально определяют положение экстремальных точек на вольт – амперной характеристики. Проводят оценку энергии Ферми и энергии, соответствующей максимумам функции плотности распределения носителей в зонах материала туннельного диода.

Снятие ВАХ ТД отличается рядом особенностей, обусловленных отрицательным динамическим сопротивлением диода на падающем участке характеристики от до (см. рис.5.5). Если нагрузочное сопротивление диода, т.е. общее сопротивление цепи, подключённой к диоду, включая сопротивление источника питания и измерительных приборов, больше динамического отрицательного сопротивления диода, то измерить ниспадающую ветвь ВАХ невозможно. Вместо статической ВАХ наблюдается кривая гистерезисного типа (точки 1–4 и штриховые прямые на рис.6в).

Для понимания особенности изменения ВАХ ТД рассмотрим схему из последовательно соединённых ТД и резистора , показанную на рис.6а. Для того, чтобы найти ток через диод, нанесём нагрузочную прямую на ВАХ диода, как показано на рис.6б.

 

	(3.2)

 

 

Точка пересечения нагрузочной прямой (3.2) и ВАХ показывают ток и напряжение на диоде при данном внешнем напряжении . Если плавно увеличивать внешнее напряжение , то получим семейство нагрузочных прямых, изображённых на рис.6в.

 

Заметим, что при увеличении от нуля до нагрузочная прямая пересекает характеристику в одной точке, и ток постоянно возрастает.

В окрестности нагрузочная прямая пересекает характеристику в трёх точках. При этом два решения, отвечающие внешним точкам пересечения, устойчивы, а решение, отвечающее внутренней точке, неустойчиво. При приближении к нагрузочная кривая сходит с горба характеристики, и мы опять получаем одно решение. Таким образом, при плавном увеличении напряжения после прохождения точки 1 ВАХ (рис.6в) будет наблюдаться скачок тока и скачкообразный переход к точке 2 ВАХ. При плавном уменьшении напряжения аналогичный скачок произойдёт в точке 3 ВАХ, и измерить полностью ВАХ ТД при данном нагрузочном сопротивлении оказывается невозможным. Для измерения ВАХ ТД на ниспадающей ветви надо уменьшить нагрузочное сопротивление диода до такой величины, чтобы оно было меньше (по модулю) динамического отрицательного сопротивления ТД. Для этого в данном лабораторном модуле собрано специальное устройство согласования.

Лабораторная установка ФКЛ-5 позволяет снять ВАХ туннельного диода по точкам (аналогично схеме рис. 6 а) с одновременным получением ВАХ на экране осциллографа (схема рис. 6-1). Две схемы работают согласовано.

Пилообразный сигнал с выхода Генератора Линейно Изменяющегося Напряжения (ГЛИН) G подается на исследуемый полупроводниковый туннельный диод через балластное сопротивление. Таким образом, между анодом и катодом диода создаётся ускоряющее напряжение, линейно меняющееся во времени – создается развёртка во времени по оси X осциллографа, а, так как напряжение U_{анод-катод} пропорционально времени t (U_a-к~kt), то развертка по времени есть развёртка по напряжению U_{анод-катод}=U_диода.

С резистора Rбалл. снимается сигнал, пропорциональный току I_. диода. В результате получаем на экране осциллографа вольт-амперную характеристику диода I=I(U).

Плавная регулировка выходного напряжения генератора осуществляется

	Установка Uа-к ампл

переменным резистором R. Измерение амплитудного

 

значения напряжения на диоде и амплитудного значения тока при данном напряжении производится при помощи встроенного цифрового комбинированного «ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА». Таким образом, вольтметр и амперметр показывают фактически значение напряжения и тока в крайней правой точке характеристики диода (рис. 6 б, рис. 8).

Так как цифровой вольтметр на ЖКД индикаторе всегда показывает значение напряжения в крайней правой точке характеристики, то для калибровки оси X (при необходимости) достаточно воспользоваться следующей формулой:

где - установленная амплитуда напряжения с выхода генератора по показаниям измерительного прибора, - количество клеток по оси x, занимаемое характеристикой при данном значении напряжения U_{а-k ампл} рис. 8.

Для начала эксперимента выберите многофункциональной кнопкой «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC» исследуемый образец (переведите курсор на ЖКД дисплее в соответствующее положение), и начните опыт, нажав клавишу «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВХОД». Выход из эксперимента и переход в главное меню выбора образца осуществляется многофункциональной кнопкой «РЕЖИМ РАБОТЫ. ВЫБОР/ESC»

Исследуемые образцы: SAMPLE1=1И305; SAMPLE2=1И104.

Подготовка к работе. Теоретический расчет параметров.

 

1. Изучить теорию туннельного эффекта для прямоугольного потенциального барьера, ознакомиться с теоретическими сведениями, изложенными в данном методическом руководстве.

2. Оценить энергию Ферми в материале туннельного диода исходя из следующих представлений. При Т=0 К функция Ферми (2.1) для всех энергий Е<Е_F. Тогда концентрация носителей заряда, согласно формуле (2.4) равна:

Используя выражение (2.2) для функции D(E) найдем:

 

 

Откуда получаем выражение для энергии Ферми E_F, которая отсчитывается от энергии дна зоны проводимости Е_С:

(4.1)

При расчетах следует брать типичное значение концентрации электронов и дырок n~3∙10²⁶ м^-3. В качестве эффективной массы электрона можно взять обычную массу покоя электрона m =0,91∙10^{-30 кг.}

 

3. Найти энергию E_m, соответствующую максимуму функции распределения электронов в зоне проводимости. Это можно сделать, исследовав на экстремум функцию (2.2а). Этот анализ довольно трудоемок, поэтому здесь приводим сразу конечный результат:

 

(4.2)

 

4. Оценить значения U_max и U_min вольт – амперной характеристики туннельного диода с помощью формул:

 

(4.3а)

(4.3)