Туннелирование электронов и других квантовых частиц через потенциальный барьер лежит в основе многих явлений атомной и ядерной физики, физики твердого тела и сверхпроводников. С туннельным эффектом начинают знакомиться в школе (и продолжают в вузе) в рамках раздела «квантовая физика», имеющем свою специфику, связанную с характером изучаемых квантовых явлений, для наблюдения за которыми необходимо достаточно сложное экспериментальное оборудование. В связи с этим возникает актуальная проблема в разработке доступного, недорогостоящего лабораторного оборудования для изучения квантовых явлений. В настоящей работе описывается опыт разработки авторами лабораторной установки для построения вольтамперной характеристики туннельного диода (ТД) динамическим способом и исследования туннельного эффекта путем анализа особенностей вольтамперной характеристики туннельного диода. Произведен обзор литературы, в том числе патентный поиск. Произведена постановка задачи по разработке лабораторной установки, не уступающей существующим аналогам. Описан состав экспериментальной установки, представлены принципиальные схемы основных элементов: генератора пилообразных напряжений, двухтактного эмиттерного повторителя напряжений, инструментальных усилителей. Показан внешний вид прибора «Туннельный эффект», размещенного в пластмассовом корпусе размером 180х120х70 мм и весящего не более 400 г. В качестве результатов представлены осциллограммы напряжения и синхроимпульсов, выдаваемые генератором пилообразных напряжений, а также осциллограмма вольтамперной характеристики арсенид-галлиевого туннельного диода АИ306К. Полученные параметры данного диода хорошо согласуются со справочными данными. В разработанной лабораторной установке авторам удалось подавить высокочастотный скачок и существенно уменьшить амплитуду низкочастотного скачка на вольтамперной характеристике, снизив её до 15 % от максимального тока. Полученные результаты количественно и качественно превосходят результаты измерений ряда аналогов. В заключении отмечается, что авторами был разработан и изготовлен эффективный аналоговый блок подавления паразитной генерации туннельного диода на падающем участке вольтамперной характеристики.
Tunneling of electrons and other quantum particles through a potential barrier underlies many phenomena in atomic and nuclear physics, solid state physics and superconductors. They begin to get acquainted with the tunnel effect at school (and continue at the university) within the framework of the section "quantum physics", which has its own specifics associated with the nature of the quantum phenomena under study, for which observation requires rather sophisticated experimental equipment. In this regard, an urgent problem arises in the development of affordable, inexpensive laboratory equipment for the study of quantum phenomena. This paper describes the experience of the authors developing a laboratory setup for constructing the current-voltage characteristic of a tunnel diode in a dynamic way and studying the tunneling effect by analyzing the features of the current-voltage characteristic of a tunnel diode. The literature was reviewed, including patent search. The task was formulated for the development of a laboratory facility that is not inferior to existing analogues. The composition of the experimental setup is described, schematic diagrams of the main elements are presented: a sawtooth voltage generator, a push-pull emitter voltage follower, instrumental amplifiers. The external view of the "Tunnel effect" device, placed in a plastic case measuring 180x120x70 mm and weighing no more than 400 g, is shown. The results are oscillograms of voltage and sync pulses produced by the sawtooth voltage generator, as well as an oscillogram of the current-voltage characteristic of the gallium arsenide tunnel diode AI306K. The obtained parameters of this diode are in good agreement with the reference data. In the developed laboratory setup, the authors managed to suppress the high-frequency jump and significantly reduce the amplitude of the low-frequency jump on the volt-ampere characteristic, reducing it to 15% of the maximum current. The results obtained are quantitatively and qualitatively superior to the results of measurements of a number of analogs. In conclusion, it is noted that the authors have developed and manufactured an effective analog block for suppressing the parasitic generation of a tunnel diode on the falling section of the current-voltage characteristic.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.