Development of a laboratory installation for studying the tunnel effect

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.

tunnel diode, potential barrier, current-voltage characteristic, negative differential resistance, sawtooth voltage generator, push-pull emitter follower, instrumentation amplifier, oscillograms, current surge, falling diffusion branch, self-excitation, inductance

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.