Исследование температурной зависимости вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение высшего образования Московской области
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ
(МГОУ)

Физико-математический факультет 
Кафедра общей физики

	



ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на  тему: «Исследование температурной зависимости вольт-амперной характеристики полупроводникового диода»
     




                            ХОЛМОГОРОВОЙ  ОЛЬГИ  РОМАНОВНЫ




по направлению подготовки		03.03.02 «Физика»
                                               

                                             


Руководитель выпускной		Емельянов Владимир Анатольевич,
квалификационной работы		к.ф.-.м.н., доцент                                      
                             
                                                            	 ____________________________                             
                                                                             (подпись, дата) 









Москва
2018
Содержание

Введение…………………………………………………………………….……..3
 Применение полупроводниковых диодов………………………………..4
 Актуальность работы. Цель и задачи……………………………………..6
 Объекты исследования и их основные параметры………………………7
Глава 1. Простейшие свойства полупроводников………………………………8
 Электронно-дырочный переход………………………………………….13
 Вольт-амперная характеристика диоды…………………………………17
 Зависимость ВАХ от материала полупроводников…………………….19
 Температурная зависимость ВАХ……………………………………….20
Глава 2. Методика проведения эксперимента…………………………………22
Глава 3. Результаты измерений и анализ полученных данных……………….24
Заключение……………………………………………………………………….33
Список литературы………………………………………………………………34
Приложение………………………………………………………………………36












Введение

Физика полупроводниковых приборов играет значимую роль в наше время. С возникновением потребности в новых источниках энергии началось исследование свойств полупроводниковых материалов.  На базе полупроводников были созданы современные термоэлектрогенераторы, сегнетоэлектрические и фотоэлектрические приборы. 
В период 19-20 веков физика полупроводниковых приборов стремительно развивалась, полупроводники внедрялись в различные отрасли промышленности, преимущественно в радиотехнической области.
Историю рождения полупроводников можно проследить от изобретения выпрямителя в 1874 году. Десятилетия спустя в 1947 году Бардин и Браттен в Bell Laboratories в США изобрели точечный транзистор, а в 1948 году Уильямом Шокли был изобретен плоскостной биполярный транзистор. Это означало появление транзисторной эры. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер, используя электронновакуумные лампы. Компьютер был настолько велик, что его электронновакуумные лампы занимали все здание, и он потреблял огромное количество электричества и выделял много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный калькулятор (компьютер), и с тех пор компьютеры развивались не по дням, а по часам. В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттену за их вклад в исследования полупроводников и развитие транзистора.
После изобретения транзистора полупроводниковая промышленность быстро росла. В 1959 году Джеком Килби из Texas Instruments была изобретена  первая полупроводниковая интегральная микросхема в США. Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников, и это ознаменовало начало эры интегральных схем. Будучи малыми по размеру и легкими по весу, интегральные микросхемы широко используются в различных электроприборах.
В 1967 году Texas Instruments разработала электронный настольный калькулятор с использованием интегральной микросхемы. В Японии производители электронного оборудования выпускали калькуляторы один за другим, а жестокие «войны с калькуляторами» продолжались до конца 1970-х годов. Интеграция ИМС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная микросхема (LSI). Технологии продолжают развиваться. В 1980-х годах был разработан VLSI (от 100 тысяч до 10 миллионов электронных компонентов на чип), а в 1990-х годах был разработан ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на чип). В 2000-х годах система LSI (многофункциональный LSI с несколькими функциями, встроенными в один чип) была введена в полномасштабное производство. По мере того, как интегральные микросхемы  достигают высокой производительности и множества функций, область их применения широко расширяется. Полупроводники теперь используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.









 Применение полупроводниковых диодов
Полупроводники являются важной частью микропроцессорных чипов, транзисторов и многих других электронных компонентов. Целью полупроводника является установление связи между изоляционными материалами и проводниками.
Полупроводниковые приборы повсеместно встречаются в повседневной жизни . Например, температурные датчики, используемые в кондиционерах, изготовлены из полупроводников. Процессоры, которые управляют персональными компьютерами, также изготавливаются из полупроводников. Многие цифровые потребительские товары в повседневной жизни, такие как мобильные телефоны, смартфоны, цифровые камеры, телевизоры, стиральные машины, холодильники и светодиодные лампы, также используют полупроводники.
Помимо потребительской электроники, полупроводники играют центральную роль в работе банкоматов, поездов, интернета, коммуникаций и других частей социальной инфраструктуры, таких как медицинская сеть. Кроме того, эффективные логистические системы помогают экономить энергию и способствуют сохранению окружающей среды. Количество автомобильных полупроводниковых приборов неуклонно растет. Существует много типов автомобильных полупроводников. В частности, для будущих ADAS (Advanced Driver Assistance Systems - современные системы содействия водителю) ожидается использование большего количества полупроводников.
Достоинства полупроводниковых приборов:
 Поскольку полупроводниковые приборы не имеют нитей накаливания, следовательно, для их нагрева не требуется никакой энергии, чтобы вызвать излучение электронов;
 Поскольку нагрев не требуется, полупроводниковые приборы начинают работать, как только цепь включается;
 Полупроводниковые приборы работают с низким напряжением в отличии от электронновакуумных ламп;
 Из-за их небольших размеров схемы с полупроводниковыми устройствами очень компактны;
 Полупроводниковые приборы являются ударопрочными;
 Полупроводниковые приборы дешевле по сравнению с электронновакуумными лампами;
 Полупроводниковые приборы имеют почти неограниченный срок службы;
 Поскольку в полупроводниковых устройствах не создается вакуум, они не имеют проблем с ухудшением вакуума.
Недостатки полупроводниковых приборов:
 Уровень шума в полупроводниковых устройствах выше, чем в электронновакуумных лампах;
 Обычные полупроводниковые устройства не могут справиться с большой мощностью, как обычные электронновакуумные лампы.












 Актуальность работы. Цель и задачи

Актуальность темы:
Полупроводники являются основополагающей технологией цифрового и информационного века. Чтобы полупроводниковая промышленность продолжала добиваться повышения производительности, необходимы более широкие исследования и комплексный подход, учитывающий все аспекты полупроводниковых технологий, включая новые материалы, новые технологии производства, новые структуры и архитектуру систем. Будущие системы на основе полупроводников - будь то небольшие датчики, высокопроизводительные компьютеры или системы между ними должны максимизировать производительность, сводя к минимуму использование энергии и обеспечивая безопасность и гарантию.            
Полупроводниковые приборы, такие как диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, очень широко используются в различных устройствах специальной и бытовой техники, таких как проигрыватели, телевизоры, автомобили, стиральные машины и компьютеры. 
Полупроводниковые элементы продолжают совершенствоваться, и их цена снижается. Достижения в области компьютерных технологий значительно превосходят успехи в других областях.
Однако полупроводниковые диоды обладают свойством выходить из строя, что приводит к неисправности устройства. Например, если  рассматривать светодиодные лампы, то можно узнать о такой проблеме, как мерцание «стробоскоп». Из-за перегрева  диода в цепи изменяется кристаллическая структура и на полупроводнике образуется неустойчивая область, то пропускающая электрический ток, то нет.
Отсюда, была поставлена цель работы: изучить влияние температуры на вольт-амперную характеристику диода.
Задачами работы являются:
 Изучение экспериментальной установки по измерению вольт-амперной характеристики полупроводниковых диодов при различной температуре.
 Освоение методики измерений вольт-амперной характеристики. 
 Проведение измерений и построение вольт-амперной характеристики германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов.
 Анализ полученных данных.















 Объекты исследования и их основные параметры

Объектами исследования в данной выпускной квалификационной работе были германиевый полупроводниковый диод Д7Ж и кремниевый полупроводниковый диод Д226В.
Германиевые сплавные диоды Д7Ж изготавливаются в стеклянно-металлическом корпусе с гибкими выводами. Масса диодов Д7Ж не превышает 2г. 
Основные технические характеристики:
Uпр=0.5 В – максимальное значение постоянного прямого напряжения;
Uобр=400 В – максимальное значение постоянного обратного напряжения;
Iпр=300 мА – максимальное значение прямого тока;
Iобр= 100 мкА – максимальное значение обратного тока;
?д = 2.4 кГц – рабочая частота полупроводникового диода.
Кремниевые сплавные полупроводниковые диоды Д226В изготавливаются в стеклянно-металлическом корпусе с гибкими выводами. Масса диодов Д226В также не превышает 2г.
Uпр=1 В – максимальное значение постоянного прямого напряжения;
Uобр=300 В – максимальное значение постоянного обратного напряжения;
Iпр=300 мА – максимальное значение прямого тока;
Iобр= 100 мкА – максимальное значение обратного тока;
?д = 1 кГц – рабочая частота полупроводникового диода.





Глава 1.Простейшие свойства полупроводников

     Полупроводник - вещество из класса кристаллических твердых веществ, промежуточных по электропроводности между проводником и изолятором.
     Твердотельные материалы обычно группируются в три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка 10-18-10-10 См на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, как правило, от 104 до 106 сименс на сантиметр. Проводимость полупроводников находится между этими крайностями и в целом чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и небольшим количествам примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз.
     Электрические свойства могут быть определены сопротивлением. Проводники, такие как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и трудно пропускают электричество. Удельное сопротивление полупроводников может изменяться в зависимости от температуры.
     Полупроводники, содержащие один элемент, называются элементарными полупроводниками. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и т. д.
     Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда уровни энергии становятся настолько близко расположенными, что они образуют энергетические зоны. 
     Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своими зонными структурами. Их зонные  структуры показаны на рис.1.

Рис.1. Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов: а) в чистом полупроводнике, б) в полупроводнике n-типа и в) в полупроводнике p-типа
В металлах зона проводимости и валентная зона приближаются друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми где-то внутри. Это означает, что металл всегда имеет электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.
В полупроводниках и диэлектриках валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической зоной  достаточной ширины, а энергия Ферми находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен получить достаточную энергию для скачка через запрещенную зону.
В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, имеется достаточно тепловой энергии, чтобы электроны могли легко просканировать щель и сделать переходы в зоне проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и, следовательно, движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются совершенными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не столь велика, как в металлах, поэтому не может вести ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не так высока, как металл, но также не такая плохая, как электрический диэлектрик. Вот почему этот тип материала называется полупроводником.
Зазор между зонами для изоляторов большой, поэтому очень мало электронов может переломить щель. Поэтому ток не течет легко в изоляторах. Разница между изоляторами и полупроводниками - это размер энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная щель очень велика, и в результате энергия, требуемая электроном для перехода в зону проводимости, также велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень низкая.
Полупроводниковый кристалл, используемый для интегральных схем и т. д., представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и р-типа.

Рис.2. Энергетические уровни в а) чистом кремнии, б) кремнии, легированном донорными примесями, в) кремнии, легированном акцепторными примесями
Диаграмма энергетического диапазона кремния показывает уровни энергий электронов в материале. В чистом кремнии уровень Ферми лежит в середине зазора. Когда чистый  кремний легирован донорными атомами, он становится n-типом, а затем уровень Ферми движется выше, то есть ближе к зоне проводимости. Когда чистый кремний легирован атомами акцептора, он становится р-типом, а уровень Ферми движется к валентной зоне.
Пентавалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют к кремнию высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Уровень энергии донора расположен вблизи зоны проводимости, т. е. энергетическая щель мала. Тогда электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят вклад в проводимость.
С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т.д. добавляется к полупроводнику p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дыры, что способствует проводимости.















 Электронно-дырочный переход

В твердотельной физике полупроводников генерация и рекомбинация носителей – это процессы, с помощью которых создаются и устраняются подвижные носители заряда – электроны и дырки. Процессы генерации и рекомбинации носителей являются фундаментальными для работы многих оптоэлектронных полупроводниковых устройств, таких как фотодиоды, светодиоды и лазерные диоды.
	Электронно-дырочная пара является основной единицей генерации и рекомбинации, соответствующей переходу электронов между валентной зоной и зоной проводимости, где генерация электрона является переходом от валентной зоны к зоне проводимости, а рекомбинация приводит к обратному переходу.
Как и другие твердые тела, полупроводниковые материалы имеют электронную зонную структуру, определяемую кристаллическими свойствами материала. Фактическое распределение энергии между электронами описывается уровнем Ферми и температурой электронов. При абсолютной нулевой температуре все электроны имеют энергию ниже уровня Ферми; но при ненулевых температурах уровни энергии заполняются после распределения Больцмана.
В нелегированных полупроводниках уровень Ферми лежит в середине запрещенной зоны или запрещенной зоны между двумя разрешенными полосами, называемыми валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона, непосредственно ниже запрещенной зоны, обычно почти полностью занята. Полоса проводимости, выше уровня Ферми, обычно почти полностью пуста. Поскольку валентная зона почти заполнена, ее электроны не подвижны и не могут течь как электрический ток.
Однако, если электрон в валентной зоне приобретает достаточную энергию для достижения зоны проводимости, он может свободно протекать между состояниями энергии почти пустой зоны проводимости. Кроме того, он также оставит электронное отверстие, которое может течь как ток точно так же, как физическая заряженная частица. Генерация носителей заряда описывает процессы, при которых электроны приобретают энергию и переходят из валентной зоны в зону проводимости, создавая два подвижных носителя; в то время как рекомбинация описывает процессы, при которых электрон зоны проводимости теряет энергию и снова занимает энергетическое состояние электронной дырки в валентной зоне.
В материале при тепловом равновесии генерация и рекомбинация сбалансированы.  Равновесная плотность носителей, обусловленная балансом этих взаимодействий, описана термодинамикой. Полученная в результате вероятность заполнения энергетических состояний в каждой энергетической зоне определяется статистикой Ферми-Дирака.
Генерация и рекомбинация несущей происходят, когда электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике в результате взаимодействия с другими электронами, дырками, фотонами или самой вибрирующей кристаллической решеткой. Эти процессы должны сохранять как квантованную энергию, так и импульс, а вибрирующая решетка играет большую роль в сохранении импульса, так как при столкновениях фотоны могут передавать очень мало импульса по отношению к своей энергии.
	Перемещение, или дрейф, свободных электронов под действием внешнего электрического поля со средней скоростью ? ?_n, плотность тока в полупроводнике определяется выражением: 
j_n=qn? ?_n  (1).
где n – концентрация электронов.
Плотность дырочного тока:
j_p=qp? ?_p  (2).
где p – концентрация дырок.
Значит, полная плотность тока в полупроводнике – это сумма электронной j_n и дырочной j_p плотностей:
j=q(n?_n+p?_p )E (3),
Используя выражение (3) с учетом, что E=-dU/dx, определяем плотность полного дрейфового тока через границу раздела p- и n-областей:
j_др=-q dU/dx (n?_n+p?_p )  (4).
Плотность полного диффузионного тока, проходящего через границу раздела, можно определить суммой:
j_диф=j_(n диф)+j_(p диф)=q(D_n  dn(x)/dx-D_p  dp(x)/dx)  (5). [19]

Плотность тока, протекающего в полупроводнике, складывается из диффузионной плотности тока (5) и дрейфовой составляющей тока (4):
j=j_диф+j_др=qD_n  dn(x)/dx-?qD?_p  dp(x)/dx+qn?_n E+qp?_p E (6).
Видно, что уравнение (6) зависит от концентрации носителей заряда и напряженности поля E[14,17].
	Контактная разность потенциалов, или разность электрических потенциалов, возникает между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия. Если два проводника приводятся в контакт, между ними обмениваются электроны, и в основном электроны проходят от проводника с меньшей работой выхода к проводнику с большей работой выхода.
	В результате этого процесса проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков, поэтому это приводит к появлению электрического поля, которое препятствует дальнейшему протеканию электронов. В результате достигается равновесие, в котором потоки электронов становятся одинаковыми в обоих направлениях, и между проводниками устанавливается контактная разность потенциалов [12].










 Вольт-амперная характеристика диода.
Вольт-амперная характеристика, или  кривая тока-напряжения, представляет собой соотношение, обычно представленное в виде графика или графика, между электрическим током через контур, устройство или материал и соответствующим напряжением или разностью потенциалов через это.
	Уравнение теоретической вольт-амперной характеристики:
I=I_Т (e^(U/?_T )-1)(7),
где I_Т  – тепловой или обратный ток насыщения.  
	При прямом подключении p-n перехода значение напряжения U ставится с «+», при обратном с «-».
	По данной формуле можно рассчитать теоретическую ВАХ и построить график (рис.3) [11].
 

Рис.3. Теоретическая вольт-амперная характеристика p-n перехода
В случае реальной вольт-амперной характеристики, с ростом Uобр происходит увеличение Iобр.
При достижении напряжения пробоя происходит размыкание p-n-перехода. После того, как случился пробой, даже небольшое увеличение Uобр 
сопровождается резким увеличением Iобр [15].


Рис.4. Реальная вольт-амперная характеристика p-n перехода
 Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.
 Тепловой пробой (кривая 3 на рис. 4).  Такое разрушение происходит при нагреве полупроводника. Условия пробоя и разница между температурой пробоя и температурой окружающей среды зависят либо от энергии активации примесей независимо от полупроводника, либо от ширины запрещенной зоны данного полупроводника.
 Туннельный пробой (кривая 4 на рис. 4)
является типом электрического пробоя, обнаруженного Кларенсом Мелвином Зенером. Это происходит, когда электрическое поле позволяет туннелировать электроны из валентной зоны в  зону проводимости полупроводника, что приводит к большому числу свободных неосновных носителей, которые внезапно увеличивают обратный ток.
 Лавинный пробой (кривая 5 на рис. 4). Лавинный процесс происходит, когда носители в переходной области ускоряются электрическим полем до энергий, достаточных для создания подвижных или свободных электронно-дырочных пар через столкновения со связанными электронами. [8,12].




 Зависимость ВАХ от материала полупроводников

	 Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга полупроводниковым материалом. Чаще всего используются германий или кремний. Вольт-амперные характеристики кремниевых и германиевых диодов показаны на рисунке 5. Сравнивая эти свойства, мы видим, что кремниевые диоды имеют меньший обратный ток из-за меньшей концентрации неосновных носителей. По той же причине прямая ветвь характеристики для кремниевых диодов намного ниже, чем для германиевых диодов [9] . 	Обратный ток p-n-перехода кремния примерно в три-четыре раза меньше, чем обратный ток перехода германия, и определяется током тепловой генерации, т. е. дрейфовым током неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в самом p-n-переходе.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика p-n перехода кремниевого и германиевого полупроводников
	С ростом температуры абсолютная величина изменения обратного тока кремниевых диодов значительно ниже, чем в германиевых [6].








 Температурная зависимость ВАХ

	По мере увеличения температуры разность контактных потенциалов уменьшается, энергия основных носителей заряда увеличивается, увеличивается составляющая диффузионного тока и увеличивается постоянный ток (рис.6). Другими словами, при более высокой температуре p-n-перехода тот же самый прямой ток достигается при меньшем смещении [3].

Рис.6. Вольт-амперная характеристика p-n перехода полупроводникового диода при различных температурах
	При высоких значениях прямого тока нельзя пренебречь сопротивлением основания, которое увеличивается с ростом температуры из-за того, что уменьшается подвижность свободных носителей заряда. Таким образом, результирующая вольт-амперная характеристика диода при прямом смещении сложным образом зависит от T. При малых токах характеристика смещается влево, если температура растёт, и вправо  при больших значениях тока.
	С ростом температуры тепловая генерация электронно-дырочных пар происходит с более высокой скоростью во всех областях p-n-перехода. Это даёт резкое увеличение концентрации неосновных носителей в n и p-областях перехода и, следовательно, увеличивает ток насыщения (рис.6) при U <0 и ухудшает выпрямляющие свойства диода. Следует отметить, что при определенной температуре концентрации основных носителей примерно равны концентрации неосновных носителей, и переход полностью исчезает [4,12].


























Глава 2. Методика проведения эксперимента


Принципиальные схемы установки по определению вольт-амперных характеристик диода при различных температурах представлены на рисунках 7 и 8. Прямое подключение полупроводникового диода показано на рис.7. При таком подключении сопротивление вольтметра много больше сопротивления диода, а сопротивление амперметра сравнимо с сопротивлением диода. Поэтому током, протекающим через вольтметр можно пренебречь, и он будет показывать напряжение на диоде, а амперметр – силу тока, протекающего через диод. Амперметр подключается последовательно к параллельно соединенным диоду и вольтметру.

Рис.7. Принципиальная схема установки при прямом подключении
При обратном подключении (рис.8) сопротивление вольтметра сравнимо с сопротивлением диода, и он может шунтировать диод, а сопротивлением амперметра можно пренебречь. Поэтому принципиальная схема установки меняется. В данном случае вольтметр подключается  параллельно к последовательно соединенным амперметру и диоду. 

Рис.8. Принципиальная схема установки при обратном подключении.
	Исследуемый диод помещался в электропечку. Терморегулятор ТРМ500 при достижении необходимой температуры размыкал цепь питающую электропечку, нагревание прекращалось. Как только температура была ниже необходимой, цепь замыкалась и нагревание продолжалось. Оптимальное время для термостатирования – 45-60 минут. За это время воздух внутри печки и диод достигал необходимой температуры. 
Постоянное напряжение на исследуемый диод подается с источника питания ВИП-010. В качестве вольтметра и амперметра использовались вольтметры универсальные  В7-21А. 
В первую очередь снимались прямые ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) после 60 минут термостатирования, затем снимались обратные ветви ВАХ.
	В данной работе проводились измерения вольт-амперных характеристик германиевого диода д7ж и кремниевого диода д226В при различных температурах, в пределах от 23°С до 75°С. 













 Глава 3. Результаты измерений и анализ полученных данных

Результаты измерений полупроводникового германиевого диода Д7Ж: 
По полученным данным измерений ВАХ полупроводникового диода Д7Ж при температурах в диапазоне от t=23°C до t=75°C (Приложение табл. 1 - 7) построены графики, представленный на рис.9. Из рисунка следует, что при одной величине прямого напряжения с ростом температуры величина прямого тока увеличивается. В качестве примера рассмотрим величину прямого напряжения Uпр=0.2 В. При температуре t=23°C величина прямого тока достигает Iпр=3 мА. При температуре t=75°C при том же напряжении величина прямого тока увеличивается до Iпр=18.25 мА. В случае обратной ветви ВАХ с ростом температуры при равных  величинах обратного напряжения обратный ток  также растёт. Рассмотрим на примере обратного напряжения Uобр=45 В. При температуре t=23°C величина обратного тока достигает Iобр=0,08 мА. При температуре t=75°C при том же обратном напряжении величина обратного тока увеличивается до Iобр=0,91 мА.

Рис.9. ВАХ полупроводникового диода Д7Ж при t=23°C(-),t=28°C(-); t=34°C(-),    t=45°C(-),t=55°C(-),t=65°C(-),t=75°C(-)


Результаты измерений полупроводникового кремниевого диода Д226В:
На рис.10, показаны вольт-амперные характеристики полупроводникового диода Д226В при температурах в диапазоне от t=23°C до t=75°C, построенные по полученным экспериментальным данным (Приложение табл. 8 – 14). Так же, как и в случае полупроводникового диода Д7Ж, при одной величине прямого напряжения с ростом температуры величина прямого тока увеличивается, а при одной величине обратного напряжения с ростом температуры обратный ток тоже растёт. В качестве примера рассмотрим величину прямого напряжения Uпр=0.35 В. При температуре t=23°C величина прямого тока достигает Iпр=1.5 мкА. При температуре t=75°C при том же напряжении величина прямого тока увеличивается до Iпр=45.9 мкА. Ветвь обратной вольт-амперной характеристики полупроводникового диода Д226В рассмотрим на примере обратного напряжения Uобр=20 В. При температуре t=23°C величина обратного тока достигает Iобр=0.03 мкА. При температуре t=75°C при том же обратном напряжении величина обратного тока увеличивается до Iобр=0.23 мкА.


Рис.10. ВАХ полупроводникового диода Д226В при t=23°C(-),t=28°C(-), t=34°C(-), t=45°C(-),t=55°C(-),t=65°C(-),t=75°C(-)
	Для сравнения ВАХ двух диодов Д7Ж и Д226В были построены графики, представленные на рис.11 и рис.12. Рассмотрим прямые ветви  вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов Д7Ж и Д226В при температуре 23°C, представленных на рис.11. При величине прямого напряжения Uпр=0.3 величина прямого тока полупроводникового диода Д7Ж Iпр=22.8 мА, а величина прямого тока полупроводникового диода Д226В Iпр=0,45 мкА. Прямой ток полупроводникового диода Д7Ж больше прямого тока Д226В на 5 порядков.

Рис.11. ВАХ полупроводниковых диодов  Д226В(-) и Д7Ж(-) при t=23°C
Рассмотрим обратные ветви  вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов Д7Ж и Д226В при температуре 23°C. При величине обратного напряжения Uобр=50В величина обратного тока полупроводникового диода Д7Ж Iобр=0,095 мА, а величина обратного тока полупроводникового диода Д226В Iобр=0,04 мкА. Обратный ток полупроводникового диода Д7Ж больше обратного тока Д226В на 4 порядка.
Рассмотрим прямые ветви  вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов Д7Ж и Д226В при температуре 75°C, представленных на рис.12. При величине прямого напряжения Uпр=0.3 величина прямого тока полупроводникового диода Д7Ж Iпр=92,8 мА, а величина прямого тока полупроводникового диода Д226В Iпр=14,4 мкА. Прямой ток полупроводникового диода Д7Ж больше прямого тока Д226В на 4 порядка.


Рис.12. ВАХ полупроводниковых диодов Д226В(-) и Д7Ж(-) при  t=75°C
Рассмотрим обратные ветви  вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов Д7Ж и Д226В при температуре 75°C. При величине обратного напряжения Uобр=50В величина обратного тока полупроводникового диода Д7Ж Iобр=0,95 мА, а величина обратного тока полупроводникового диода Д226В Iобр=0,266 мкА. Обратный ток полупроводникового диода Д7Ж больше обратного тока Д226В на 4 порядка.
	Чтобы убедиться в справедливости уравнения (7), были построены теоретические вольт-амперные характеристики полупроводниковых  диодов Д7Ж и Д226В на одной плоскости с графиками, полученными экспериментальным путём (рис.13 - 16).
Расчёты теоретической ВАХ проводились по формуле:

                                     I_д=I_0 (e^(U_д/(m*?))-1),                               (13)
где:
?=(k*T)/q=T/11600
q= 1.6 ? 10-19 Кл;
mGe=1;
mSi=2.
Результаты расчетов представлены на рисунках 13 - 16.

Рис.13. Экспериментальная (-) и теоретическая (-) ВАХ полупроводникового диода Д226В при t=23°C

Рис.14. Экспериментальная (-) и теоретическая (-)ВАХ полупроводникового  диода Д226В при t=65°C. 
Рис.15.  Экспериментальная (-) и теоретическая (-) ВАХ полупроводникового диода Д7Ж при t=23°C 

Рис.16. Экспериментальная (-) и теоретическая (-) ВАХ полупроводникового диода Д7Ж при t=23°C
	Из рисунков видно, что теоретическое уравнение лучше согласуется с экспериментальными данными, полученными для кремниевого диода Д226В, чем с данными для германиевого диода Д7Ж.
Расчёт энергии активации:
	Энергия активации полупроводника – это минимальное количество энергии, которая необходима для возникновения электропроводности. Если подвести это количество энергии к полупроводнику, то это позволит электронам перейти из валентной зоны в зону проводимости. 
Обратный ток обусловлен движением неосновных носителей заряда, которые образуются при отрыве валентных электронов от атомов полупроводника. Поэтому для расчета энергии активации были построены  графики зависимости Iобр от 1/Т (рис.17, 19), из которых видно, что обратный ток растет с увеличением температуры по экспоненциальному закону. Рост обусловлен увеличением концентрации неосновных носителей зарядов.
Д7Ж:

Рис.17. Зависимость Iобр от 1/Т полупроводникового диода Д7Ж
На рисунках 18 и 20 представлены графики зависимости ln(Iобр) от 1/Т, имеющие линейный характер.

Рис. 18. Зависимость Ln(Iобр) от 1/Т полупроводникового диода Д7Ж
	По тангенсу углу наклона прямой рассчитаны энергии активации исследуемых диодов. Из уравнения Аррениуса:
Е_а= -R*tg?
	где Е_а – энергия активации, R- универсальная газовая постоянная.
Е_а = -((-0.374+1.682)/(0.0029-0.0033))*8.314=2,7*104 Дж/(моль*К)
Д226В:

Рис.19. Зависимость Iобр от 1/Т полупроводникового диода Д226В

Рис.20. Зависимость ln(Iобр) от 1/Т полупроводникового диода Д226В
Е_а =- ((-1.276+3.15)/(0.00287-0.0034))*8.314=2,9*104 Дж/(моль*К)
Из проведенных расчетов видно, что энергия активации собственной проводимости кремния больше энергии активации германия, что удовлетворительно согласуется с литературными данными [12].













Заключение
В данной работе было проведено исследование температурной зависимости вольт-амперной характеристики кремниевого (Д226В) и германиевого (Д7Ж)  полупроводниковых диодов. 
Изучен принцип работы установки по измерению ВАХ при различных температурах.
Получены температурные зависимости ВАХ полупроводниковых диодов Д226В и Д7Ж в диапазоне от 23°С до 75°С.
Рассчитаны теоретические ВАХ для кремниевого и германиевого диодов при t=23°С и t=65°С.  Проведено сравнение с экспериментальными данными.
Также, проведено сравнение ВАХ кремниевого и германиевого диодов при температурах t=23°С и t=75°С.
Рассчитана энергия активации собственной проводимости кремния и германия.
Все полученные результаты удовлетворительно согласуются с теоретическими и литературными данными.
	











Список литературы
 Абакумов, В.Н., Перель, В.И., Яссиевич, И.Н. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках. – СПб.: Петербуржский ин.......................