Отчетные материалы

В лабораторной тетради представляются:

– заполненные таблицы для каждого из исследуемых диодов;

– экспериментальные зависимости ВАХ (прямые и обратные) для всех исследуемых диодов (на одном графике) при комнатной температуре;

– экспериментальные зависимости ВАХ (прямые и обратные) для диода Д2 (на одном графике) при комнатной и повышенной температурах;

– расчетные зависимости дифференциального сопротивления r_d(U) (прямая ветвь и обратная) при комнатной температуре для каждого из исследуемых диодов (на одном графике);

– экспериментальная зависимость обратного тока I_обр и статического сопротивления R_обр(t) (на одном графике) для диода Д2 от температуры;

К защите представляется РГЗ с задачами по темам: ″P-n-переход, ″Реальные диоды″.

Лабораторная работа № 3.2

″Исследование полупроводниковых стабилитронов″

Цели работы: исследование электрических свойств реальных диодов - стабилитронов при различных температурах; определение параметров стабилитрона: вольтамперных характеристик, напряжения стабилизации, дифференциального сопротивления и других.

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

3.2. Полупроводниковые стабилитроны и стабисторы

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

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

Величина напряжение стабилизации U_ст лежит в пределах: тунельный пробой – до 5 В; лавинный пробой – от 6 В до 20-30 В.

Заметим, что напряжение пробоя при необратимом тепловом пробое характеризуется значениями сотни вольт, что значительно больше, чем при лавинном и туннельном пробое.

Стабисторы - приборы, работающие, как и обычный диод, при прямом смещении. Напряжения стабилизации U_ст в этом случае определяется величиной предельного прямого напряжения U_{пр пред} (рис. 3.1, в) и достигает 1 В.

Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис. 3.6) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою; стабистора – в области прямых смещений.

Вольтамперные характеристики (зависимости силы тока I_пр через стабилитрон от напряжения U_пр между контактами прибора), представлены на рис. 3.6.

При напряжениях U < U_ст ток (обратный) через ″закрытый″ стабилитрон крайне мал, а его сопротивление – велико; явления пробоя еще не происходят. При некотором минимальном значении обратного напряжения U_ст ток стабилитрона, 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).

Рис. 3.6. ВАХ стабилитронов и стабистора

Упрощенная схема измерения характеристик стабилитрона и стабистора, их УГО представлена на рис. 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. (3.5)

Другими словами, балластный резистор принимает на себя часть избыточного напряжения, превышающее напряжение 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 нуля до напряжения стабилизации U_cт, напряжение на выходе растет (область 1), а затем, по мере возрастания напряжения на входе, напряжение U_вых практически не изменяется (область 2), оставаясь равным U_cт.

Это можно объяснить следующим образом. По мере роста напряжения на входе схемы U_вх от нуля (обратное смещение), в области значений U_обр < U_cт, 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. Т.е. пока стабилитрон не ″пробит″, практически все входное напряжение падает на нем из-за большого сопротивления обратносмещенного стабилитрона.

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. 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 при изменении напряжения на входе в широких пределах (рис. 3.7, в, область 2).

Величина напряжения стабилизации 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.

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.

В связи с вышесказанным величина напряжения стабилизации U_ст конкретного стабилитрона зависит от температуры прибора. На рис. 3.6 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 = (100/U_ст)(U_cт/T), %/К. (3.6)

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. 3.8, а). Например, если напряжение стабилизации прибора более 6 В, то реализуется обратимый лавинный пробой и ТКН > 0, т.е. по мере возрастания температуры напряжение стабилизации возрастает. Аналогично, при напряжении пробоя менее 5 В в стабилитроне происходит туннельный эффект и ТНК < 0.

а) б) в)

Рис. 3.8. Зависимость ТКН(U_ст) (а), УГО (б) стабилитрона, термостабилизация U_ст (в)

Следует отметить, что в качестве стабистора могут быть выбраны диоды, у которых происходит ″резкое″ увеличение прямого тока при напряжении U_{пр пред} (рис. 3.1, а, 3.2, б). В частности, в этом случае напряжение стабилизации германиевого диода составляет примерно 0,7 В, а диода Шоттки – 0,2- 0,3 В.

Поскольку при повышении температуры прямой ток возрастает и ВАХ прямой ветви смещается немного в область меньших напряжений, то напряжение стабилизации стабистора немного уменьшается, т.е. ТКН < 0. Это обстоятельство используется для термостабилизации напряжения стабилизации ″составного″ элемента (рис. 3.8, в), состоящего из нескольких приборов. Например, при увеличении температуры напряжение стабилизации VD1 и VD2 растет, а у VD3 – падает; в итоге – напряжение на нагрузке практически не изменяется.

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

_d = 1/r_d = dI_ст/dU_ст (3.7)

или _d = 1/r_d = I_ст/U_ст . (3.8)

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.