9. Влияние температры на туннельный ток
От температуры зависит ширина запрещенной зоны полупроводника Еg и положение уровней Ферми.
С повышением температуры ширина запрещенной зоны полупроводника уменьшается. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера и увеличению вероятности туннелирования электронов. Следовательно этот фактор приводит к увеличению туннельного тока р-n-перехода.
С повышением температуры уровни ферми в вырожденных р- и n-полупроводниках смещаются в сторону запрещенной зоны. Если рассмотреть энергетическую диаграмму туннельного р-n-перехода на рис. 5в, то смещение уровней Ферми приводит к уменьшению числа заполненных электронами уровней в зоне проводимости n-области и уменьшению свободных уровней в валентной зоне р-области. А это приводит к падению числа электронов туннелирующих из n- в р-область и уменьшению туннельного тока.
Какой из факторов является преобладающим, зависит в основном от концентрации примеси. В сильно легированных полупроводниках определяющим фактором является уменьшение ширины запрещенной зоны Еg, в слабо легированных – смещение уровней Ферми.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Описание лабораторной установки
Для изготовления туннельных p-n-переходов испльзуют такие полупроводниковые материалы как германий Ge, арсенид галлия GaAs и др. Эти полупроводники имеют различные значения ширины запрещенной зоны, эффективной массы электрона и т.д. Но для вида вольт-амперной характеристики туннельного p-n-перехода нибольшее значение имеют величины плотности состояний в зоне проводимости NC и валентной зоне NV. Эти величины при заданном значении концентрации легирующей примеси определяют положение уровня Ферми. Чем меньше величина NC или NV, тем больше значение ЕFn – ЕС или EV – ЕFр в вырожденном полупроводнике (рис. 8).
В
лабораторной работе в качестве туннельных
p-n-переходов используются германиевый
и арсенид галлиевый туннельные диды,
которые размещены в термостате.
Подключение к измерительным цепям
одного их диодов осуществляется
переключателем «Диоды» с положениями
«1» и «2».
Для снятия вольт-амперной характеристики используются стрелочные индикаторы: «Измерение V» с пределом 0,1 и 1 В; «Измерение J» с пределом 100 mA. Изменение напряжения смещения, подаваемого на диод, осуществляется ручкой «Регулировка U». Тумблер «Полярность U» с положениями «+» и «-» служит для подачи на диод прямого или обратного смещения. Нагрев диодов происходит при включении тумблера «Нагрев» и при достижении температуры 600С загорается сигнальная лампочка. Включение установки в сеть осуществляется тумблером «сеть вкл».
Исходное положение ручек управления: напряжение смещения в крайнем левом положении, тумблер «Полярность» в положении «+», тумблер «Нагрев» в положении «выкл», переключатель «Диоды» в положении «1».
Порядок выполнения работы
Включить установку в сеть и прогреть в течении 5 минут.
Исследование вольт-амперных характеристик p-n-переходов при комнатной температуре.
Вращая ручку «Регулировка U» снять 10 – 12 точек прямой ветви характеристи ки. Обратить особое внимание на точки максимального и минимального значения туннельного тока. Ручку «Регулировка U» установить в крайнее левое положение.
Тумблер «Полярность» установить в положение «-». Вращая ручку «Регулировка U» снять 5 – 7 точек обратной ветви характеристики.
Повторить измерения для второго туннельного диода.
Исследование вольт-амперных характеристик p-n-переходов при температуре 600С.
Включить тумблер «Нагрев». После загорания сигнальной лампочки повторить измерения п.1.
По результатам измерений построить для каждого диода на одном графике вольт-амперные характеристики при комнатной температуре и при 600С.
По графикам определить: а) полупроводниковый материал из которого изготовлен диод; б) величину отрицательного дифференциального сопротивления. (Ge: NС ≈ NV ≈ 1019 cм-3; GaAs: NС ≈ NV ≈ 1017 cм-3).
Рассчитать прозрачность потенциального барьера используя следующие данные:
a) Ge Eg = 0.66 эВ, m*=1,49*10-30 кг
b) GaAs Eg = 1,42 эВ, m*=0,06*10-30 кг
ћ = 1,054*10-34 Дж*с h = 6,626*10-34 Дж*с d = 100 Å