Разработка лабораторной установки для исследования туннельного эффекта

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.

туннельный диод, потенциальный барьер, вольтамперная характеристика, отрицательное дифференциальное сопротивление, генератор пилообразных напряжений, двухтактный эмиттерный повторитель, инструментальный усилитель, осциллограммы, скачок тока, спадающая диффузионная ветвь, самовозбуждение, индуктивность

1. Мустафаев, Г. А. Расчет энергетической диаграммы многобарьерной полупроводниковой гетероструктуры / Г. А. Мустафаев [и др.] // Вестник Академии наук Чеченской Республики. - 2018. - № 6 (43). - С. 43-47.

2. Кащенко, М. П. Роль электронной составляющей тока в образовании квазимолекулярного состояния, ведущего к синтезу элементов / М. П. Кащенко, Н. М. Кащенко // Письма о материалах. - 2020. - Т. 10. - № 3 (39). - С. 266-271.

3. Rostampour E. Effect of position-dependent effective mass on electron tunneling of InAs/GaSb type-II superlattice having triangular and parabolic geometries // Optics and Laser Technology. - 2021. - V. 138. - No. 106840.

4. González Rosado L., Hassler F., Catelani G. Long-range exchange interaction between spin qubits mediated by a superconducting link at finite magnetic field // Physical Review B. - 2021. V. 103. - Is. 3. - No. 035430.

5. Лахно, В. Д. Трансляционно-инвариантные биполяроны и сверхпроводимость / В. Д. Лахно // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2020. - № 9. - С. 1-75.

6. Аль-Алвани, A. Ж. К. Исследование свойств полупроводниковых квантовых точек на диэлектрическом монослое ленгмюра / А. Ж. К. Аль-Алвани [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2019. - Т. 9. - № 1 (30). - С. 56-67.

7. Фетисов, Ю. К. Спинтроника: физические основы и устройства / Ю. К. Фетисов, А. С. Сигов // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2018. - Т. 10. - № 3. - С. 343-356.

8. Das S., Chattopadhyay A., Tewari S. Minimization of Drain-End Leakage of a U-Shaped Gated Tunnel FET for Low Standby Power (LSTP) Application // Lecture Notes in Electrical Engineering. - 2021. - V. 692. - P. 393-402.

9. Tamersit K. Computational Study of p-n Carbon Nanotube Tunnel Field-Effect Transistor // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2020. - V. 67. - Is. 2. - No. 8948342. - P. 704-710.

10. Кревчик, П. В. Эффекты диссипативного туннелирования: теория и сравнение с экспериментом / П. В. Кревчик, В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2016. - № 2 (38). - С. 147-180.

11. ФКЛ-5У. Изучение туннельного эффекта с помощью полупроводникового туннельного диода : методическое руководство по выполнению лабораторной работы. - Тула : НПО Учебной техники «ТулаНаучПрибор», 2011. - 28 с.

12. Глушков, В. В. Туннелирование электронов в вырожденном p-n-переходе: лабораторная работа / В. В. Глушков. - Москва : МФТИ, 2008. - 30 с.

13. Батоврин, В. К. LabVIEW: Практикум по аналоговой и цифровой электронике: лабораторный практикум / В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мошкин. - Москва : МИРЭА, 2009. - 132 с.

14. Выменец, А. А. Устройство для измерения удельного тока туннельного диода / А. А. Выменец, Я. К. Киршнер // Патент СССР № 437029 от 25.07.1974.

15. Henkel H.-J. Tunnel Diode with Parallel Capacitance // USA Patent 3.292.055. Patented Dec. 13, 1966.

16. Пчельников, Ю. Н. Способ измерения статической характеристики туннельного диода / Ю. Н. Пчельников, Б. В. Калинин, Е. В. Пронская // Патент СССР № 568912 от 15.08.1977.

17. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк // Том 1. - 12-е издание, перевод с немецкого. - Москва : ДМК Пресс, 2008. - 832 с.: ил.

18. Kumar H., Basu R. Effect of Defects on the Performance of Si-Based GeSn/Ge Mid-Infrared Phototransistors // IEEE Sensors Journal. - 2021. - V. 21. - Is. 5. - No. 9252964. - P. 5975-5982.

19. Kuhn T., Vázquez-Martín S. Microphysical properties and fall speed measurements of snow ice crystals using the Dual Ice Crystal Imager (D-ICI) // Atmospheric Measurement Techniques. - 2020. - V. 13. - Is. 3. - P. 1273-1285.

20. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл // Том 3. - 4-е издание переработанное и дополненное. - Москва : Мир, 1993. - 397 с.

21. Сидоров, А. С. Способ измерения параметров вольтамперной характеристики туннельного диода / А. С. Сидоров // Патент СССР № 151724 от 01.01.1962.

22. Kim D. C., Tatarinov P. S., Tomskiy K. O. Installation for studying of tunnel effect by means of the tunnel diode // 2016 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2016. - Proceedings. - 2016. - V. 1. - No. 7802214. - P. 66-70.

23. Ким, Д. Ч. Установка для динамического измерения вольт-амперной характеристики туннельных диодов / Д. Ч. Ким [и др.] // Патент на полезную модель RU 172271 U1 от 03.07.2017.

24. Ким, Д. Ч. Сборник лабораторных работ по курсу «Физика»: учебное пособие / Д. Ч. Ким, А. С. Семенов, П. С. Татаринов. - Новосибирск : Издательство СГУВТ, 2018. - 162 с.