МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчЁт

по лабораторной работе №10

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИТРОНОВ

Студент гр.		ы
Преподаватель		Никонова В. А.

Санкт-Петербург

2025

Цель работы: исследование ВАХ и основных параметров полупроводниковых стабилитронов.

Основные теоретические положения.

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В зависимости от физических явлений, приводящих к электрическому пробою, различают лавинный и туннельный пробои. Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей заряда под действием электрического поля. Он наблюдается в широких p-n-переходах. В этом случае носители заряда, проходя через переход, ускоряются в сильном электрическом поле на длине свободного пробега и приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь возникающие электронно-дырочные пары тоже ускоряются полем, поэтому ударная ионизация сопровождается размножением носителей заряда, что приводит к увеличению тока. Туннельный пробой связан с туннельным эффектом. Туннелирование возможно, если толщина потенциального барьера довольно мала. Такие условия возникают в узких p-n-переходах при определенной напряженности электрического поля, когда имеет место большой наклон энергетических зон. В этом случае электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости без изменения энергии – туннелируют сквозь узкий потенциальный барьер благодаря своим квантово-механическим свойствам.

Для характеристики свойств стабилитронов используют ряд параметров. Напряжение стабилизации Uст – это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока. Пробивное напряжение диода, а значит, и напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода и, следовательно, от удельного объемного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В). Низковольтные стабилитроны (Uст < 6 В) изготавливают на основе сильнолегированного кремния. В них наблюдается туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны (Uст > 6 В) делают из слаболегированного кремния. Их работа связана с лавинным пробоем. Малые напряжения стабилизации стабисторов (0,7…2В) определяются прямым смещением p-n-переходов нескольких последовательно включенных диодов (от одного до трех).

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ст – это величина, определяемая отношением относительного изменения напряжения стабилизации к изменению температуры окружающей среды при неизменном токе стабилитрона или стабистора:

Дифференциальное сопротивление стабилитрона (стабистора) rст – это отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в режиме стабилизации:

СХЕМА УСТАНОВКИ

Рисунок 1 - Схема для исследования стабилитронов

Резистор R1 предназначен для ограничения тока, проходящего от регулируемого источника питания G через исследуемый диод VD при лавинном или туннельном пробое или при прямом смещении его электронно-дырочного перехода. Для измерения тока, протекающего через стабилитрон, и напряжения на нем используется один универсальный электронный прибор. Характер измеряемой величины (тока или напряжения) определяется положением переключателя рода работ на передней панели универсального прибора. При нажатой кнопке "Uст" переключателя S1 ("Uст "–"Uвх "–"Iст") универсальный прибор включен в схему как вольтметр PV и может измерять напряжение на стабилитроне, при нажатой кнопке "Uвх" – напряжение на входе схемы. В положении "Iст" универсальный прибор включен в схему как амперметр PA и может измерять ток, текущий через стабилитрон, или ток в цепи параметрического стабилизатора напряжения (соответствующая этому положению коммутация на схеме не показана). Кнопочный переключатель S2 (на рисунке не показан) позволяет включить в схему один из восьми стабилитронов, предназначенных для исследования. Стабилитрон 9 предназначен для исследования в схеме параметрического стабилизатора напряжения с нагрузкой (резистор R2). В установке предусмотрен нагрев стабилитронов в термостате до температуры 75 C для определения температурных коэффициентов напряжения стабилизации различных диодов.

Обработка результатов

1. Построить график обратной ветви вах стабилитрона.

Таблица 1. Зависимость тока от напряжения на стабилитроне 4

U, В	0	1,114	2,008	3,020	4,117	5,077	5,570
I, мА	0	0	0	0,005	0,108	1,590	10,940

Таблица 2. Зависимость напряжения от тока на стабилитроне 4

I, мА	1,159	2,064	3,043	4,051	5,068	6,046	7,100	8,108	9,108	10,630
U, В	4,971	5,135	5,275	5,347	5,403	5,448	5,487	5,516	5,543	5,556

Рисунок 2 – Обратная ветвь ВАХ исследуемого стабилитрона

2. Рассчитать температурные коэффициенты напряжения стабилизации и дифференциальные сопротивления для каждого из стабилитронов 1...8.

Таблица 3. Значения температурных коэффициентов и дифференциальных сопротивлений стабилитронов

Номер стабилитрона	1	2	3	4	6	7	8
	8,175	8,175	8,080	8,123	8,088	8,026	8,079
	3,042	3,517	4,328	5,513	6,773	7,457	8,730
	4,169	4,040	4,079	4,125	4,150	4,075	4,139
	1,048	3,254	4,105	5,372	6,710	7,430	8,705
	2,980	3,470	4,303	5,542	6,796	7,580	8,837
αст,	-0,00037	-0,00024	-0,00011	9,54⋅	6,16⋅	0,000297	0,000221
rст, кОм	0,497753	0,063603	0,055736	0,035268	0,015998	0,006834	0,006345
	3,01	3,49	4,32	5,53	6,78	7,52	8,78

Пример расчетов для первого стабилитрона:

Рисунок 3 – Температурные коэффициенты напряжения стабилизации

Рисунок 4 – Дифференциальные сопротивления

3. Построить график зависимости выходного напряжения параметрического стабилизатора напряжения от входного напряжения.

Таблица 4. Зависимость напряжения на стабилизаторе от напряжения на входе

	3,050	4,016	5,049	6,067	7,043	8,075	9,056	10,079	11,049
	3,046	4,020	5,005	6,070	6,977	8,020	8,947	9,074	9,108

Рисунок 4 – Зависимости выходного напряжения параметрического стабилизатора напряжения от входного напряжения

На графике видно, что исследуемый компонент стабилизирует напряжение при значениях 9В.

Рисунок 5 – Схема простейшего параметрического стабилизатора, собранного на стабилитроне

При подключении нагрузки R2 ток, протекающий через балластный резистор, делится. Часть его продолжает течь через стабилитрон, часть питает нагрузку. 

Вывод: в ходе лабораторной работы были исследованы основные параметры полупроводниковых стабилитронов.

Прямая ветвь ВАХ является рабочим режимом для традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. На рисунке 2 видно, что при увеличении обратного напряжения в определенный момент наступает пробой и ток через стабилитрон резко возрастает (первый участок (>5 В)). При этом напряжение напротив остается практически неизменным, то есть стабилизированным. Этот участок является рабочим. На втором участке

(<4 В) стабилитрон закрыт.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации напряжения α_ст имеет положительные значения для высоковольтных стабилитронов и отрицательные для низковольтных, что связано с различной температурной зависимостью пробивного напряжения при лавинном и туннельном пробое

р-n-перехода. По графику к высоковольтным стабилитронам можно отнести с 4 по 8 стабилитрон (характерен лавинный пробой), а к низковольтным с 1 по 3 (характерен туннельный пробой).

Что касается температурной зависимости, то в случае лавинного пробоя с повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда успевает приобрести в электрическом поле. Таким образом, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое. В случае туннельного пробоя с повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает, а значит, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь. Следовательно пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры.

По значению дифференциального сопротивления стабилитрона на рисунке 4 прослеживается, как при малых напряжениях стабилизации значение возрастает, что в свое очередь связано с меньшим числом туннельных переходов при увеличении уровня легирования p- и n-областей диодной структуры.