Лабораторная работа №2
Исследование стабилитрона.
Цель работы: ознакомление с основными параметрами и характеристиками стабилитрона.
Теоретические сведения.
Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольт-амперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения. Стабилитроны работают при обратном напряжении в режиме электрического пробоя.
Пробой р–n перехода. Обратный ток диода не изменяется, пока обратное напряжение не достигнет значения Uпр. Это так называемое напряжение пробоя, при котором наступает пробой р–n перехода. После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением тока.
Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n- переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.
Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединяются под названием – электрический пробой, который является обратимым.
Туннельный пробой наблюдается тогда, когда напряженность электрического поля такова, что становится возможным туннельный переход из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону полупроводника с электропроводностью другого типа. Как правило, туннельный пробой наблюдается при напряжениях ниже 6 В.
Лавинный пробой обусловлен образованием носителей заряда из-за ударной ионизации атомов полупроводника. Если напряженность электрического поля достаточно велика, то электроны приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать другие электроны из атомов кристаллической решетки. Этот процесс приводит к быстрому (лавинному) нарастанию обратного тока.
К необратимым пробоям относят тепловой и поверхностный пробои.
Тепловой пробой происходит при нагреве перехода. За счет тепловой энергии происходит генерация пар электрон – дырка. Это приводит к увеличению обратного тока и дальнейшему увеличению температуры. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к изменению структуры кристалла, выводя его из строя.
Распределение напряженности электрического поля в р–n- переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.
Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р–п- перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т.е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.
Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р–п -перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р–п -перехода пробой носит лавинный характер. При напряжении стабилизации Uст от 3 до 6 В в p–n -переходах наблюдается практически туннельный пробой. В диапазоне от 6 до 8 В имеют место процессы как туннельного, так и лавинного пробоя, а в пределах 8 - 200 В – только лавинного.
Конструкции стабилитронов очень незначительно, а в некоторых случаях практически не отличаются от конструкций выпрямительных диодов.
Рис. 1.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис.1. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимое значение Iст max во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.
Рис. 2.
Условное изображение стабилитрона в схемах показано на рис. 2.
Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН):
, (1)
который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры прибора на 1 °C.
Основные параметры стабилитронов:
1. Напряжение стабилизации Uст –напряжение на стабилитроне при протекании через него тока стабилизации;
2. Ток стабилизации Iст – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона rст – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т.е. 
;
4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации 
– отношение относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации (формула 1).
Предельные параметры стабилитронов:
1. Минимально допустимый ток стабилизации Iст min – наименьший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации Uст находится в заданных пределах;
2. Максимально допустимый ток стабилизации Iст max – наибольший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации Uст находится в заданных пределах, а температура перехода не выше допустимой;
3. Максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax – мощность, при которой не возникает теплового пробоя перехода.
Порядок выполнения работы.
Отчет сделать в электронном варианте, создав файл MS Word по шаблону «Фамилия_№ группы_Лабораторная 2.docx» и сохранив его в папке «Электронная техника» на диске вашей группы. Отчет должен содержать название работы, цели. Далее после фразы «Ход работы», необходимо по порядку выполнить задания. В отчет поместить ответы на вопросы, заполненные таблицы данных, построенные графики.
Ход работы.
1. Ответить на вопросы (ответы поместить в отчет).
1. Что такое стабилитрон?
2. Перечислите виды пробоев p-n перехода.
3. Чем обратимый пробой отличается от необратимого?
4. На каком типе пробоя работает стабилитрон?
5. Перечислите основные параметры стабилитрона.
6. Перечислите предельные параметры стабилитрона.
2. Собрать схему, изображенную на рис. 3. Стабилитрон D1 брать во вкладке 
Diodes/Zener в соответствии со своим вариантом, источник питания - во вкладке 
Sourses/Power_Sourses/DC_Power, заземление – во вкладке Sourses/Power_Sourses/Ground, резисторы R и Rн брать во вкладке 
Basic/Switch/Resistor, вольтметры и амперметр – во вкладке 
Indicators/Voltmeter и Ammeter соответственно. Переименовать элементы схемы в соответствии с рисунком. Установить значение R и Rн в соответствии со своим вариантом. Амперметр Iст и вольтметр Uст оставить в режиме DC.
Рис. 3.
3. Сделать скрин собранной схемы и поместить в отчет.
4. Изменяя значения Е в соответствии с таблицей 1 (значения Е устанавливать без учета знака!), заполнить таблицу 1. Показания тока и напряжения записывать со знаком «минус»!
Таблица 1.
| Е, В | Uст, В | Iст, А | Iр, А | Рст, Вт |
| -5 | ||||
| -10 | ||||
| -15 | ||||
| -20 | ||||
| -25 | ||||
| -30 | ||||
| -35 | ||||
| -40 |
5. Рассчитать значение Iр по формуле (при расчете учитывайте знаки!)
, где R и Rн – значения сопротивлений, соответствующие Вашему варианту.
Занести результат в таблицу 1.
6. Сравнить значения Iст и Iр. Объяснить разницу в случае несовпадения.
7. Вычислите мощность Рст, рассеиваемую на стабилитроне по формуле
.
Занести результат в таблицу 1.
8. По данным таблицы 1 построить графики зависимости Рст = f(Е), Рст = f(Uст), Рст = f(Iст). Графики поместить в отчет.
9. По данным таблицы 1 построить обратную ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона Uст = f(Iст) и поместить ее в отчет.
10. Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации Uр. Для этого определите значение напряжения Uст min, когда ток не равен нулю, и значение Uст max, соответствующее значению Е = -40 В.
Uст = (Uст min - Uст max)/2.
Занести результат в отчет.
11. Оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона по формуле
,
где 
и 
- значения тока при 
и 
соответственно.
Занести результат в отчет.
12. Написать вывод. В выводе указать, ссылаясь на проведенный эксперимент, действительно ли стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Проанализируйте, в каких пределах изменялся ток и напряжение стабилитрона. Объяснить вид графиков Рст = f(Е), Рст = f(Uст), Рст = f(Iст).
Таблица данных по вариантам.
| Вариант | R, Ом | Стабилитрон | Rн, Ом |
| 1N4475 | |||
| 1N4477 | |||
| 1N4483 | |||
| 1N4490 | |||
| 1N4678 | |||
| 1N4684 | |||
| 1N4697 | |||
| 1N4728A | |||
| 1N4733A | |||
| 1N4746A | |||
| 1N4759A | |||
| 1N4883 | |||
| 1N4955 | |||
| 1N4966 | |||
| 1N4989 | |||
| 1N5073 | |||
| 1N5221B | |||
| 1N5233B | |||
| 1N5245B | |||
| 1N5279B |