ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5. з курсу “Функціональна електроніка”

з курсу “Функціональна електроніка”

на тему: “Дослідження логічних схем на тунельних діодах”

Виконали: студенти гр.

Київ 20... р.

1. Мета роботи: Дослідження принципів роботи логічних схем на тунельних діодах

2. Теоретичні відомості:

Тунельні діоди - це діоди з сильнолегованими виродженимн n- та p-областями. При утворенні р-n-переходу у виродженому напівпровіднику викривлення зон настільки сильне, що дно зони провідності матеріалу n-типу виявляється нижчим від найвищого рівня валентної зони матеріалу р-типу. Енергетичну схему р-n-переходу тунельною діода при відсутності зовнішньої напруги (у рівновазі) наведено на рис.1,а. Усі енергетичні стани, що знаходяться нижче від рівня Фермі, заповнені електронами, а ті, що розташовані вище, - вільні. Вільні носії заряду мають велику концентрацію, тому ширина р-n-переходу d дуже мала, приблизно (1÷2) ×10^-8 м. За таких умов імовірність тунельних переходів значна. Якщо зовнішнього поля немає, частота переходу електронів справа наліво і в зворотному напрямку однакова і загальний струм дорівнює нулю. Цей стан відповідає точці «0›› на вольт-амперній характерисгиці.

В міру зростання подачі прямого зміщення перекриття зон зменшуватиметься. Заповнені стани зони провідності n-області, що знаходяться вище від рівня Фермі, виявляються навпроти незаповнених станів валентної зони р-області. Кількість тунельних переходів справа наліво перевищить кількість зворотних переходів, і прямий струм почне зростати (рис.1,б) . Коли дно зони провідності n-області виявиться на одній горизонталі з рівнем Фермі р-області, прямий тунельний струм досягне максимуму (рис.1,в). З подальшим збільшенням прямого зміщення зменшиться сила струму, тому що починає зменшуватись число зайнятих станів у зоні провідності n-області, які лежать навпроти вільних станів у валентній зоні р-області (рис.1,г). Утворюється спадаюча ділянка ВАХ - ділянка негативної диференціальної провідності.

Нарешті, при такому зміщенні, коли зникне перекриття зон, тобто коли положення дна зони провідності n-області збігається з положенням найвищою рівня валентноі зони в р-області, тунельні переходи припиняться, і сила струму досягне максимуму (рис.1,д).

Рис.1. Якісне пояснення вольт-вмперної характеристики тунельного діода

Струм у мінімумі не дорівнює нулю, він зумовлений двома причинами. По-перше, збільшується дифузійна складова струму електронів з n-області і дірок з р-області як у звичайних діодах. По-друге, можливий процес тунелювання через глибокі центри, розміщені в забороненій області напівпровідника n-типу. Електрони захоплюються на домішкові центри, а з них тунелюють у валентну зону діркового напівпровідника. Наступне збільшення прямого зміщення зумовлює інжекцію і появу звичайного діодного струму (рис.1,е).

При подачі негативного зміщення (клема «мінус» джерела приєдна на до р-області, а «плюс› до n-області) перекриття зон збільшується (рис.1,ж) , і при цьому заповнені стани валентної р-області будуть лежати навпроти вільних станів зони провідності n-області. Внаслідок цього кількість тунельних переходів зліва направо перевищить кількість переходів справа наліво, і сила струму збільшиться. Чим більшою буде величина зворотної напруги, тим значніше перекриття зон і тим більша зворотна сила струму.

Найцікавішою властивістю тунельного діода є те, що в деякому діапазоні прямих напруг він має негативну диференціальну провідність. Якраз цю особливість тунельного діода можна використати для генерації і посилення електромагнітних коливань, а також у схемах, що перемикаються.

Оскільки дія тунельннх діодів грунтується на тунелюванні електронів через потеційний бар'єр, а час цього дроцесу дуже малий (приблизно 10^-13 ÷ 10^-14 с) і в базі завдяки невеликим напругам неосновні носії заряду не накопичуються, то тунельні діоди здатні працювати на частотах до сотень гігагерц. Еквівалснтну схему тунельиою діода представлено на рис.2.

Рис.2. Еквівалентна схема тунельного діода

Повний опір тунельного діода при малій синусоїдальііій папрузі становить:

де L - індуктивність діода; ω - циклічна частота; R_д - негативний

диференційний опір (R_д < 0) ; С - зарядна ємність р-n-переходу; r - опір

розтікання, що включає опір напівпровідника, контактів та підвідних

проводів.

Негативний диференціальний опір у тунельного діода існуватиме, якщо дійсна частина повного опору буде меншою від нуля:

або

При великих частотах нерівність (4.і2) не виконуватиметься, і, виходить, тунельний діод не матиме негативного диференціального опору.

Гранична частота, визначена з рівності нулю дійсної складової повного опору діода, становить:

Максимальне значення граничної частоти дістанемо за умови:

Підставляючи (4.14) в (4.13), маємо:

тобто максимальна частота електронних коливань у тунельного діода обернено пропорційна ємності та негативному диференціальному опору.

Характеристики тунельних діодів слабо чутливі до змін температури, впливу світла та навколишнього середовища. Їх витотовляють з германію, кремнію, арсеніду галію та інших напівпровідникових матеріалів з малими ефективними масами електронів.

На основі тунельних діодів створюють малошумливі посилювачі змінкого струму НВЧ діапазону, генератори із самозбудженням, різного роду

перемикачі, логічні схеми та інші прилади й функціональні пристрої.

Рис.3. Припципова схема «АБО» на тунельному діоді (а) та вольт-амперні характеристики до неї (б)

Логічні схеми на тунельних діодах. Такі схеми визначаються простотою і великою швидкодією, можуть працювати в широкому інтервалі температур.

На рис.3 показано принципову схему «АБО» та їі вольт-амперні характеристики. Струм І_н визначається послідовно увімкненими опорами джерела напруги та навантаження. Величину І_н підбирають такою, щоб пряма навантаження перетинала ВАХ тунельною діода в трьох точках, причому стійкими станами є положення а, що відповідає закритому стану, та положення б, що відповідає відкритому стану діода.

У вихідному положенні система знаходиться в стані б - відкритому. При подачі сигналу на вхід пряма навантаження переміститься вертикально вгору, як показано на рис.3,б, і стійкому стану відповідатиме єдине положення в. Отже, на виході буде стрибок напруги від U₁ до U₂. При вимкненні сигналу робоча точка переміститься з положення в₁ у положення в якому відповідає напруга U₃. Система у цьому стані залишиться доти, доки не відключиться джерело напруги U або не буде подано на вхід імпульс негативної полярності. Таке переключення з відкритого стану б в закритий в можна виконати, подаючи імпульс на вхід 1, 2 або 3.

Ця схема може працювати і як схема «І». Для цьою слід знизити величину струму І_н джерела живлення і на вхід 1-2-З подавати імпульси, кожний з яких самостійно неспроможний переключити тунельний діод в положення в₁. Графічну побудову вольт-амперних характеристик для схеми «І» показано на рис.4.

Рис.4. Графічна побудова вольт-амперних характеристик для схеми «І» на тунельному діоді

Якщо на один з виходів подати сигнал, то схема не переключиться в стан з більшим опором, а робоча точка перейде в положення б' . При подачі сигналів на два входи одночасно робоча точка залишається в області низької напруги б' . Якщо ж на всі три входи імпульси надійдуть одночасно, то схема переключиться в стан високого опору.

3. Схема вимірювання:

4. Порядок виконання роботи:

1. Підключити наданий викладачем лабораторний стенд до джерела живлення та осцилографа

2. Подаючи різні комбінації вхідних сигналів визначити тип логічної схеми

5. Обробка результатів:

1. За наданими викладачем даними розрахувати значення опору навантаження та вхідних опорів в схемі в залежності від типу логічної функції

2. Написати висновки по роботі.

6. Контрольні запитання:

1. Що таке тунельні діоди?

2. Принцип роботи тунельного діода

3. Вольт-амперна характеристика тунельного діода

4. Еквівалентна схема тунельного діода

5. Повний опір тунельного діода

6. Напрямки застосування тунельних діодів

7. Таблиця істинності логічної функції «АБО» з трьома вхідними сигналами

8. Таблиця істинності логічної функції «І» з трьома вхідними сигналами

9. Принцип побудови логічної функції «АБО» на тунельному діоді

10. Принцип побудови логічної функції «І» на тунельному діоді

Вимоги до звіту

Звіт повинен містити:

1. Мету роботи.

2. Порядок виконання роботи.

3. Експериментальні результати в табличному та графічному вигляді.

4. Висновки.

Список літератури:

1.Кравченко О. П. Фізичні основи функціональної мікроелектроніки. – К.: Либідь, 1993.- 216с.

2.Руденко В.С., Ромашко В. Я., Трифонюк В.В. Промислова електроніка. – К.: Либідь, 1993.- 432 с.

3.Свечников С. В. Элементы оптоэлектроники. – М.: Советское радио, 1971.- 272с.

4. Єрмаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника.- М.: Техносфера, 2004.- 414 с.

5. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник.- М.: Техносфера, 2005.- 588 с.

Поиск по сайту: