Исследование полупроводникового стабилитрона.

Стабилитроны и стабисторы - это полупроводниковые диоды, на которых напряжение сохраняется с определенной точностью при изменении протекающего через них тока в заданном диапазоне. Эти приборы предназначены для стабилизации напряжения. Участки ВАХ, соответствующие электрическим режимам стабилитронов и стабисторов в режиме стабилизации, называют рабочими. Рабочий участок стабилитрона расположен на обратной ветви ВАХ, т. е. прибор работает в режиме пробоя.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Принципиальное различие между этими видами пробоя состоит в том, что при электрическом пробое p-n переход сохраняет свою работоспособность, т.е. при определенных условиях этот пробой является обратимым.

а) б)

 

 

Рис.1 Схемы включения стабилитрона

 

 

Рис. 2 Виды пробоя стабилитрона

 

Электрический пробой бывает двух видов: туннельный (или полевой, зелеровский, рис. 2а) и лавинный. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов через потенциальный барьер, если его толщина мала. Он характерен для материалов с малой шириной области объемного заряда, т.е. возникает в p-n переходах, созданных на базе сильнолегированных полупроводников.

Лавинный пробой (рис. 2б) возникает в результате ускорения дырок и электронов, которые приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновениях с атомами полупроводника в области перехода разрывать в нем валентные связи, в результате чего может произойти лавинообразное возрастание новых пар электрон-дырка и лавинное возрастание обратного тока.

Тепловой пробой (рис. 2в) наступает вследствие выделения тепла в переходе при протекании обратного тока.

Стабилитроны используются также в качестве ограничителей постоянного или импульсного напряжения, элементов межкаскадной связи, источников эталонного напряжения и др.

На вольтамперной характеристике стабилитрона имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 3). Такой участок ВАХ наблюдается у диода в режиме туннельного или лавинного пробоя (рис.2). До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка 1 МОм), после пробоя – очень малое дифференциальное сопротивление (R_D=1-50 Ом). Значение напряжения стабилизации U_СТ, определяемое видом пробоя, зависит от уровня легирования полупроводника и составляет от 3 до 200 В. Изготавливают стабилитроны, в основном, из кремния, обеспечивающего низкий ток насыщения.

 

 

Рис.3 Вольтамперная характеристика стабилитрона

 

Для стабилизации малых напряжений (0,2 – 0,3 В для германиевого диода и 0,6 – 0,8 В для кремниевого диода) используют прямую ветвь характеристики диода. Принцип стабилизации виден из рис. 4, из которого следует, что при значительном изменении напряжения источника питания от U¢_n2 до U¢_n1 точка пересечения линии RC c характеристикой диода смещается ненамного, если прямая ветвь характеристики диода имеет большую крутизну (линия R – линия нагрузки).

Для стабилизации малых напряжений по описанному принципу применяются специальные диоды, называемые стабисторами. Напряжение стабилизации кремниевых стабисторов примерно равно 0,7 В.

 

 

 

Рис.4

 

Для стабилизации напряжений от нескольких единиц до десятков и сотен вольт (3 – 400 В) применяются стабилитроны или опорные диоды. Для стабилизации используется обратная ветвь характеристики диода при напряжении, соответствующем области пробоя.

Для изготовления стабилитронов используется кремний, т.к. обратный ток кремниевых диодов, по сравнению с германиевыми, меньше зависит от температуры и, следовательно, меньше вероятность теплового пробоя, а напряжение на участке пробоя почти не изменяется с изменением тока.

При увеличении U_ВХ, как только ток через диод становится выше J_СТmin напряжение на диоде перестает увеличиваться и становится равным U_СТ. Дальнейшее увеличение U_ВХ приводит лишь к росту падения напряжения на R. Поэтому напряжение на нагрузке R_n поддерживается неизменным.

Основными параметрами стабилитронов являются:

-номинальное напряжение стабилизации Uст.ном - среднее напряжение стабилизации стабилитрона при 298^оК при определенном токе стабилизации I_ст.;

-разброс напряжений стабилизации DU_ст. — интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации прибора данного типа;

-температурный коэффициент напряжения стабилизации α_Uст, показывающий, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации U_СТ при изменении температуры окружающей среды на 1 К;

-дифференциальное сопротивление r_ст, определяющее стабилизирующие свойства прибора и показывающее, как напряжение стабилизации зависит от тока:

 

(1)

 

-минимально допустимый ток стабилизации Iст min - минимальный ток через стабилитрон, при котором сохраняются его стабилизирующие свойства; при меньших значениях тока I_ст резко возрастает r_ст. и уменьшается Uст

-максимально допустимый ток стабилизации I_ст - максимальный ток, при котором прибор сохраняет работоспособность длительное время.

 

 

Рис. 5 Координатные оси

 

Значение температурного коэффициента напряжения стабилизации α_Uст и его знак зависят от напряжения U_ст.ном. Стабилитроны, напряжение стабилизации которых больше 5,5 В, имеют α_UCT > 0, т. е. при увеличении температуры напряжение DU_cтувеличивается. При напряжении U_cт.ном < 5,5 В стабилитроны имеютα_Uст < 0 и их напряжение стабилизации с увеличением температуры уменьшается. Стабисторы также имеют αи_ст < 0.

В стабилизаторах напряжения, работающих в широком диапазоне температур, используют прецизионные стабилитроны с внутренней термокомпенсацией, в которых последовательно их р-n переходу включен в прямом направлении обычный кремниевый p-n переход с отрицательным температурным коэффициентом прямого напряжения.

Дифференциальное сопротивление стабистора рассчитывают по формуле.

 

r_стаб(2)

 

Задания:

1.Начертить табл. 1 и 2 для снятия прямой и обратной ветвей ВАХ стабилитрона.

Таблица 1

Прямой ток Uпр, мА	0,1	0,5
Прямое напряжение Uпр, В

 

 

Таблица 2

Обратный ток Iст, мА	0,1	0,5
Обратное напряжение Uст, В

 

 

Таблица 3

Ток стабилизации Iст, мА
Нестабильность напряжения стабилизации dUСТ, мВ

 

2. Начертить координатные оси для построения прямой и обратной ветвей ВАХ (масштаб по осям I_пр — в 1 см 2 мА; .U_пр — в 1 см 0,1 В; I_обр — в 1 см 2 мА; U_обр — в 1 см 1 В).

3. Начертить табл. 3 для записи результатов измерения нестабильности напряжения стабилитрона при изменении проходящего через него тока.

4. Зарисовать исследуемые электрические схемы

5. Собрать схему, используя графические обозначения, нанесенные на сменную панель. Снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона и занести результаты измерений в табл. 1.

6. Установить стабилитрон в обратном включении и занести результаты измерений в табл. 2.

7. Построить прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона в координатных осях.

8. Рассчитать дифференциальные сопротивления стабилитрона и стабистора.

Контрольные вопросы:

 

1. Какие участки ВАХ стабилитрона и стабистора называют рабочими?

2.Как изменяется напряжение стабилитрона при изменении протекающего через него тока?

3.Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением?

4.Почему стабилитрон и стабистор плохо работают при токах, меньших минимальных токов стабилизации?

5.Каковы основные параметры стабилитрона?

Методические рекомендации:

1. При выполнении п. 5 используют: G1 (ГТ) - генератор тока стенда;

РА1(I_пр) - АВ1на пределе измерения «10 мА»;

PV1((U_пр) - АВ2на пределе измерения «10В»;

VD1- стабилитрон Д814А или КС213.

2. При выполнении п. 6 используют: G2 (ГТ)- генератор тока стенда;

РA1(I_СТ) - АВ1 на пределе измерения «10 мА»;

PV1(U_CT) - AB2 на пределе измерения «10 В»;

3. Пункт 2 выполнить для обоих стабилитронов.