9

02.02.13

3.8. Лабораторная работа ″Исследование полупроводниковых стабилитронов″

Цели работы: исследование электрических свойств p-n-переходов и свойств реальных диодов-стабилитронов при различных температурах; определение параметров стабилитрона: вольт-амперных характеристик, напряжения стабилизации, дифференциального сопротивления и др.

Приборы и принадлежности: полупроводниковые стабилитроны типа Д815Б, Д817E, универсальный стенд ЭС1А/2, включающий в себя источники питания; измерительные приборы.

1. Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы

Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы – приборы, предназначенные для фиксации напряжения на какой-либо нагрузке, например, резисторе, в определенных пределах при изменении напряжения в цепи.

Стабилитроны - приборы, работающие в режиме обратимого лавинного или туннельного пробоя при обратном смещении.

Стабисторы - приборы, работающие в режиме обычного диода при прямом смещении.

Вольт-амперные характеристики (зависимости силы тока I_пр через стабилитрон от напряжения U_пр на нем), представлены на рис. 3.6.

Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис. 3.5) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою; стабистора – в области прямых смещений.

Рис. 3.5. ВАХ стабилитронов и стабистора

При минимальном значении напряжения пробоя ток прибора, ранее незначительный, начинает возрастать – наступает пробой p-n-перехода. Данное значение напряжения пробоя называется напряжением стабилизации U_ст прибора. По мере дальнейшего увеличения тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на стабилитроне практически не увеличивается (в реальности, по мере увеличения тока через стабилитрон напряжение на нем незначительно возрастает на доли вольта).

Величина напряжения стабилизации U_ст конкретного стабилитрона зависит от температуры прибора. На рис. 3.5 пунктирными линиями показано смещение характеристик U_ст(Т) при увеличении температуры: напряжение стабилизации U_ст может незначительно уменьшаться или возрастать. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН определяется выражением

ТКН = (1/U_ст)U_cт/T, %/К. (3.4)

Иногда ТКН оценивают по выражению:

ТКН = U_cт/T, мВ/К. (3.5)

Значение ТКН может быть как положительным (ТКН > 0), так и отрицательным (ТКН < 0). Знак ТКН зависит от ряда факторов, прежде всего, от характера (вида) пробоя (рис. 3.6, а).

а) б)

Рис. 3.6. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации (а) и УГО (б) стабилитрона

Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона и стабистора, их УГО представлена на рис. 3.6, б; 3.7. Указанные схемы фактически выполняют функции простейших параметрических стабилизаторов напряжения.

а) б) в)

Рис. 3.7. Схемы на стабилитроне (а), стабисторе (б), переходная характеристика (в)

Нагрузка R_н всегда подключается параллельно стабилитрону (стабистору), поэтому напряжение на нагрузке U_н равно напряжению на стабилитроне U_ст. Это служит гарантией относительно постоянного напряжения на нагрузке при изменяющемся напряжении U_вх на входе схемы. Ток I_вх схемы, потребляемый от источника напряжением U_вх, равен сумме токов стабилитрона (стабистора) I_cт и нагрузки I_н (I_вх = I_cт + I_н). Разность напряжений U_вх и стабилитрона (стабистора) U_ст падает на балластном сопротивлении R_б:

U_ст = U_вх  U_б = U_вх  I_вхR_б. (3.6)

Другими словами, балластный резистор принимает на себя часть избыточного напряжения (″сверх″ напряжения стабилизации).

Переходной характеристикой (рис. 3.7, в) схемы (не путать с ВАХ собственно, стабилитрона) называется зависимость напряжения на нагрузке U_н = U_вых (U_вх) от напряжения на входе U_вх. По мере увеличения напряжения на входе от 0 до напряжения стабилизации, напряжение на выходе растет, а затем U_вых практически не изменяется. Это можно объяснить следующим образом. По мере роста напряжения на входе схемы U_вх от нуля и выше, в области значений U_обр < U_cт (рис. 3.5), напряжение на стабилитроне (а также на параллельно включенной нагрузке R_н) монотонно растет (рис. 3.7, в; область 1). Это связано с тем, что из-за разницы между значениями сопротивления резистора R_б и большого сопротивления обратно включенного стабилитрона в области напряжений до U_ст (рис. 3.5). Т.е. пока стабилитрон не ″пробит″, практически все входное напряжение падает на нем.

Как только напряжение на входе практически достигает величины напряжения стабилизации U_ст, в стабилитроне начинаются соответствующие процессы пробоя. Сопротивление p-n-перехода при этом резко уменьшается, что сопровождается увеличением тока через стабилитрон при незначительном увеличении напряжения на приборе (рис. 3.5). Даже если напряжение на входе U_вх меняется в значительных пределах (U_вх > U_ст), то это не скажется на напряжении выхода, поскольку при пробое стабилитрона сопротивление его p-n-перехода мало по сравнению с сопротивлением R_б и все входное напряжение U_вх, за вычетом U_ст, падает на ограничительном сопротивлении.

Таким образом, напряжение на стабилитроне (и нагрузке, если она включена) при протекании процессов пробоя остается практически постоянным, даже если на входе напряжение изменяется в широких пределах (рис. 3.7, в, область 2).

Величина напряжения стабилизации существенно зависит от температуры.

Напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому с ростом температуры происходит уменьшение Е_з, сужение толщины барьера (при возрастании его высоты), увеличение вероятности туннелирования через барьер, и, соответственно, уменьшение напряжения стабилизации (рис. 3.5).

Напряжение лавинного пробоя связано с длиной свободного пробега и подвижностью носителей. При увеличении температуры увеличивается рассеивание носителей, уменьшается подвижность, носители не могут приобрести необходимую энергию для ионизации атомов, поэтому лавинный пробой начинается при большем напряжении (рис. 3.5).

Напряжения при тепловом пробое значительно больше, чем при лавинном и туннельном.

Дифференциальные сопротивление r_d (несколько десятков Ом) и дифференциальная проводимость _d определяются следующим образом:

_d = 1/r_d = dI_ст/dU_ст (3.9)

или _d = 1/r_d = I_ст/U_ст . (3.10)

Маркировка стабилитрона (стабистора) включает следующие элементы: материал полупроводника (К  кремний); обозначение подкласса (буква С); цифру, указывающую на мощность; две цифры, указывающие напряжение стабилизации, и букву, характеризующую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А (в металлическом корпусе) соответствует маломощному стабилитрону с током стабилизации менее 0,3 А и напряжением стабилизации 6,8 В.