Дослідження характеристик приладів з від’ємним диференційним опором

 

Мета роботи: дослідження характеристик тунельного діода.

Теоретичні відомості

Тунельний діод відноситься до групи напівпровідникових приладів, вольт-амперні характеристики яких мають ділянку, що відповідає негативному диференційному опору приладу. Тунельний діод застосовується як багатофункціональний прилад (посилення, генерація, перемикання та ін.) для роботи переважно в області НВЧ. Він може працювати і на нижчих частотах, проте його ефективність в цьому випадку значно нижче, ніж, наприклад, транзистора.

Тунельний діод створюється на основі виродженого напівпровідника. При цьому висока доза домішки у високолегованому напівпровідниковому матеріалі викликає зміщення рівня Фермі настільки, що він розташовується у електронного напівпровідника в зоні провідності, а у діркового - у валентній зоні (рис. 7.1, а). Таким чином, при виготовленні тунельного діода, як в p- область, так і в n- область вводять легуючі домішки в дуже великій концентрації (приблизно 10¹⁹¸10²⁰ см^{- 3}, що на 2-3 порядки вище, ніж в звичайних діодах). Внаслідок цього ширина переходу дуже мала - порядку 0,01мкм. В середині переходу виникає електричне поле напруженістю Е=10⁵¸10⁶ В/см.

В основі роботи тунельного діода лежить тунельний ефект, суть якого полягає в тому, що електрон, який має енергію, меншу, ніж висота потенційного бар'єру, може проникнути з деякою вірогідністю крізь цей тонкий потенційний бар'єр. Електрон як би користується своєрідним тунелем, щоб пройти крізь бар'єр, не піднімаючись над його рівнем. Цей процес відбувається дуже швидко(із швидкістю світла).

При утворенні p - n- переходу відбувається зміщення енергетичних зон напівпровідників з різним типом провідності такою мірою, що рівень Фермі для них стає прямою горизонтальною лінією. При цьому у разі вироджених напівпровідників нижня межа зони провідності n- області стає нижче верхньої межі валентної зони р- області. Для простоти міркувань вважатимемо, що усі дозволені рівні, розташовані нижче рівня Ферми, зайняті, а розташовані вище його - вільні.

У дуже вузьких p - n- переходах виникають умови для відносно вільного тунельного проходження електронів через потенційний бар'єр. Проте для цього необхідно, щоб напроти зайнятого електроном рівня по одну сторону бар'єру був вільний рівень за бар'єром.

Тепер розглянемо детальніше вольт - амперну характеристику тунельного діода по виділених на ній окремих точках(а, б, в, г, д, е, же, рис. 7.1):

а) при нульовому зміщенні електронам провідності n- області протистоять валентні електрони р- області (рис. 7.1, а). Якщо усі вказані рівні заповнені, то тунельні переходи неможливі. Насправді при кімнатній температурі деяка частина цих рівнів звільняється за рахунок електронів, перекинутих на рівні, розташовані вище за рівень Фермі. Тому існує певна вірогідність, що валентний електрон р - області, не міняючи своєї енергії, вчинить тунельний перехід і займе відповідний рівень в зоні провідності n- області. Існує така сама вірогідність тунельного переходу електрона провідності n- області у валентну зону p- області. Оскільки ця вірогідність однакова, то зустрічні потоки електронів, що здійснюють тунельні переходи, взаємно компенсуються і сумарний тунельний струм виявляється рівним нулю (I_Т=0, рис. 7.1, а). При подальших міркуваннях ці складові враховуватися не будуть;

б) якщо до p - n- переходу прикласти невелику пряму напругу, то енергетичні рівні р- області знизяться відносно енергетичних рівнів n- області (рис. 7.1, б). В цьому випадку рівні деяких електронів провідності n- області розташуються проти вільних рівнів, що знаходяться у валентній зоні р- області, що створює сприятливі умови для їх тунельного переходу. Тому в р- n- переході з'явиться тунельний струм, величина якого залежатиме від зміщення енергетичних зон, від прикладеного прямого зміщення (тунельний струм протікає від р- області до n- області в напрямі, протилежному до руху електронів);

 

Рисунок 7.1 - Енергетичні діаграми тунельного діода при різних напругах зміщення і його вольт-амперна характеристика

в) при збільшенні прямого зміщення тунельний струм збільшуватиметься до тих пір, поки не відбудеться поєднання рівня Фермі n- області з верхнім рівнем валентної зони р-області. В цьому випадку тунельний струм досягає максимуму, оскільки проти рівнів електронів провідності n-області розташовуються усі вільні рівні валентної зони р-області, що перевищують рівень Фермі (рис. 7.1, в);

г) при подальшому збільшенні прямого зміщення деякі рівні електронів провідності n- області розташовуються проти забороненої зони р- області і тунельний струм зменшується (рис. 7.1, г). В результаті на вольт - амперній характеристиці з’являється ділянка з негативним опором;

д) при деякому значенні прямої напруги зона провідності n- області і валентна зона р- області починають розходитися і тунельний струм припиняється (рис.7.1, д, е);

е) при прямій напрузі в р- n - переході разом з тунельним струмом з'являється дифузійний струм, як у звичайного діода(на вольт - амперній характеристиці він показаний штриховою лінією). При розбіжності зони провідності n- області з валентною зоною р- області (починаючи з точки д) існуєт тільки дифузійний струм і тунельний діод за такої умови подібний до звичайного діода, включеного в прямому напрямі (рис.7.1, д, е);

ж) при зворотному зміщенні р- n- переходу тунельного діода валентна зона р- області перекривається з дозволеними і незаповненими рівнями зони провідності n- області. При цьому виникають умови для відносно вільного тунельного проходження валентних електронів р- області в зону провідності n- області. В результаті цього з'являється значний тунельний струм зворотного напряму, величина якого дуже сильно залежить від зміщення зон, т. е. від величини зворотної напруги (рис. 7.1, ж).

Рисунок 7.2 - Вольт- амперні характеристики германієвих і арсенідгалієвих тунельних діодів

Основними параметрами тунельних діодів є:

- максимальний прямий струм I₁ в точці максимуму вольт-амперної характеристики;

- мінімальний прямий струм I₂ в точці мінімуму вольт-амперної характеристики;

- відношення струмів в максимумі і в мінімумі вольтамперной характеристики I₁/I₂;

- негативна диференціальна провідність G на ділянці АВ в точці максимуму похідної;

- напруга перемикання ΔU_n = U₃ - U₁, яке визначає можливий стрибок напруги на навантаженні при роботі тунельного діода в схемі перемикання;

- бар'єрна ємність C(U₂) діода, яка зазвичай вимірюється при мінімумі струму;

- ємність в максимумі струму дорівнює C(U₁) ≈ 0,8C(U₂);

- напруга, що відповідає максимальному і мінімальному значенням струму U₁ і U₂;

- напруга U₃, що відповідає максимальному струму на другій висхідній гілці вольт-амперної характеристики.

Основними перевагами тунельного діода є:

- високі робочі частоти - до 40 ГГц і дуже малий час переключення, які визначаються переважно конструктивними особливостями, а не часом проходження електронами р- n переходу, що становить біля 10^-13сек;

- висока температуростійкість; у арсенід - галієвих тунельних діодів робоча температура досягає +600°С, у германієвих - до +200°С. Можливість роботи тунельних діодів при більш високих температурах в порівнянні із звичайними діодами пояснюється тим, що в них використовується вироджений напівпровідник з великою концентрацією домішок. При великій концентрації домішок концентрація електронів велика і вплив власної електропровідності позначається при більш високих температурах;

- низький рівень шуму;

- велика щільність струму, властива тунельному ефекту, досягає 10³-10⁴ А/см².

Як недолік, слід зазначити малу потужність тунельних діодів із-за низьких робочих напруг і малих площ переходу. До їх недоліків слід віднести те, що вони є двополюсниками. Тому у ряді схем, створених на тунельних діодах, виникають певні складнощі з розділенням ланцюгів входу і виходу. Крім того, тунельні діоди потребують високостабільних джерел живлячої напруги.

Порядок виконання роботи

1.За вольт - амперною характеристикою тунельного діода визначити наступні параметри: U_мах, U _мін, G_д (диференціальну провідність) в 9 точках ВАХ.

2. Побудувати залежність диференціальної провідності від напруги на діоді.

3. Два тунельні діоди ГИ304, вольт- амперна характеристика яких зображена на рисунку 7.3 з’єднані згідно зі схемами (рис.7.4 а, б). Побудувати сумарні вольт - амперні характеристики.

4. Послідовно з тунельним діодом ГИ 304 включений резистор R=2U_мін/I_мах побудувати сумарну ВАХ.

а) б)

Рисунок 7.3- ВАХ Рисунок 7.4 - Схеми з'єднання

Контрольні питання

1. Який напівпровідник називається виродженим?

2. Суть тунельного ефекту.

3. Поясніть вид вольт - амперної характеристики тунельного діода.

4. Переваги і недоліки тунельного діода.

 

 

Лабораторная работа № 8