ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.КОРОЛЕВА»

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИТРОНОВ

Методические указания к лабораторной работе

САМАРА 2007

Cоставитель: Г. П. Ш о п и н

УДК 621.3.049.77

Исследование стабилитронов : Метод. указания к лаборатор. работе / Самар. гос. аэрокосм. ун-т,: Сост. Г.П. Ш о п и н. Самара, 2007. 15 с.

Содержатся краткие теоретические сведения по стабилитронам: принцип действия, основные параметры и характеристики. Приводится расчет параметрического стабилизатора общего назначения и применение специальных стабилитронов. Описывается схема экспериментальной установки для исследования стабилитронов.

Предназначены для студентов, обучающихся по спец. 200401 и 210201. Составлены на кафедре “Электронных систем и устройств”.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета

Рецензент А. С. К а п у с т и н

Задания :

1.Изучить виды электрического пробоя в p-n переходе. 2.Изучить параметры стабилитрона.

3.Расчитать рабочий участок вольтамперной характеристики (ВАХ) стабилитрона(графическим методом).

4.Расчитать режим работы параметрического стабилизатора (аналитическим методом).

5.Ознакомиться с порядком и методикой выполнения работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока. Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения (рис.1).

Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства p-n перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне изменения обратного тока. Электрический пробой делится на лавинный и

туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действиями сильного электрического поля.

образованных при такой ионизации атомов пар электрон-дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает ,а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя

увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины

свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое

соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви вольт-

перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в

невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны p-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводимости энергетические зоны искривляются так , что энергия валентных электронов p-области становится такой же как энергия свободных электронов n-

области (рис.3,∆ Wз - ширина запрещенной зоны).Электроны

переходят на энергетической диаграмме как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе , соответственно, через p-n переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n переходе при туннельном пробое

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного не разрушают p-n переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Наряду с электрическим пробоем, существует так же тепловой пробой p-n перехода. Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда - разрушения ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за

счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока. В результате перегретая часть p-n перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольтамперной характеристике (кривая 3 рис.2) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении

падения напряжения на p-n переходе.

Тепловой пробой может наступать как вследствие перегрева изза недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделенное в p-n переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0.8 от пробивного).

В радиоэлектронной аппаратуре применяют стабилитроны общего

назначения, прецизионные, импульсные, двуханодные и стабисторы. Стабилитроны общего назначения используются в схемах

стабилизаторов источников питания , ограничителей , фиксаторов уровня напряжения и др. Прецизионные стабилитроны применяют в

качестве источника опорного напряжения с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения. Импульсные

стабилитроны используются для стабилизации постоянного и

импульсного напряжения и ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности , а двуханодные - в схемах

стабилизаторов ,ограничителей напряжения различной полярности , в том числе в схемах двустороннего ограничения напряжения , в

качестве опорного элемента с термокомпенсированным напряжением и т.п. Стабисторы предназначены для стабилизации малых значений

напряжений (постоянных , импульсных) , а также используются как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного уровня напряжения в схеме при изменении температуры окружающей среды. Выпускаемые промышленностью стабилитроны могут быть сплавными, диффузионно-сплавными , планарными ,

диффузионными, эпитаксиальными диодами. Исходным материалом для них

номинальное напряжение стабилизации Uст.ном- напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока стабилизации Iст.ном;

разброс номинального значения напряжения стабилизации ∆Uст.ном -

отклонение напряжения на стабилитроне от номинального значения;

допустимые пределы изменения напряжения стабилизации Uст -

значения напряжения стабилизации от минимального Uст.мин до максимального Uст.макс, соответствующих минимальному и максимальному токам стабилизации Iст.мин и Iст.макс;

минимальный ток стабилизации Iст.мин -наименьший ток, при котором сохраняется устойчивое состояние пробоя; поскольку необходимо

получение малого значения Iст.мин стабилитроны изготавливают из кремния;

максимальный ток стабилизации Iст.макс - наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает

максимального допустимого значения Pмакс ,

Iст.макс = Pмакс , Uст

превышение Iст.макс приводит к тепловому пробою p-n перехода и выходу из строя стабилитрона;

дифференциальное сопротивление rдиф- величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему приращению тока (в заданном диапазоне частот)

r = ∆Uст , диф ∆Iст

rдиф определяется в рабочей точке P и характеризует точность стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация;

статическое сопротивление Rстат -сопротивление стабилитрона в рабочей точке при постоянном токе

Rстат = UIст ст

в ряде случаев качество стабилитрона оценивают по критерию качества Кд=Rстат/rдиф ;

емкость стабилитрона Сд-емкость между выводами

стабилитрона при заданном напряжении стабилизации ; в ряде случаев динамические свойства стабилитрона характеризуются

временем выхода на режим стабилизации tвых;

температурный коэффициент напряжения стабилизации αст-

величина, определяемая отношением относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей cреды при постоянном токе стабилизации,

αст=∆Uст/(Uст ∆T),где ∆T-разность двух температур

зависимость αст от напряжения стабилизации приведена на рис.4.

уход напряжения стабилизации

∆Uстt-отклонения напряжения

стабилизации от номинального значения в указанном диапазоне изменения температуры при заданном токе стабилизации.

Рис.4.Зависимость αcт от напряжения

стабилизации ( для кремниевых

Простейшая схема стабилизатора стабилитронов).

напряжения приведена на рис.5 ,

а принцип её работы поясняется рис.6. Стабилитрон VD включен в обратном направлении параллельно нагрузкеRн

Линия нагрузки имеет наклон tgγ~b/Rн (b-

мальный ток через стабилитрон.

Рис.6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и графические построения , иллюстрирующие выбор её рабочего участка.

Участок на обратной ветви ВАХ стабилитрона является рабочим участком стабилизации напряжения. Следует отметить, что уменьшение

, примерно посередине. Из этого условия выбирают балластное сопротивление Rб(ограничивающее ток),нагрузочная линия которого имеет наклон tgϕ=d/Rб (d-коэффициент,В/А).В рабочей точке А напряжение на стабилитроне Uобр=Uст.ном .На сопротивлении Rб падает напряжение EИ-Uст.ном=IRб Rб.При изменении напряжения

стабилизируемого источника EИ на величину ∆E нагрузочная линия смещается в ту или иную сторону параллельно самой себе, рабочая

точка А занимает соответственно положение либо А|, либо А||. При этом напряжение на стабилитроне и нагрузке RН изменяется на

величину ∆Uст.R<<∆E.∆Uст.R зависит от крутизны ВАХ стабилитрона на участке пробоя, и с повышением этой крутизны

∆Uст.R→0,т.е.получается идеальная стабилизация напряжения на нагрузке. Коэффициент стабилизации напряжения Кст=∆E/∆Uст>>1.

Расчет режима работы параметрического стабилитрона.

Среднее напряжение на входе можно представить как сумму

напряжений

Uвх.ср=Uб.ср+Uст,

где Ucт-напряжение на стабилитроне (напряжение стабилизации) при среднем токе стабилизации Iст.ср;Uб.ср-среднее напряжение на

баластном сопротивлении Rб,

Uб.ср=(Iст.ср+IН)Rб.

Средний ток стабилизации

Iст.ср=(Iст.мин+Iст.макс)/2

Ток, текущий через сопротивление нагрузки RН(ток нагрузки IН)

С учетом средних значений входного напряжения Uвх.ср и тока

стабилизации Iст.ср ,требуемое баластное сопротивление Rб может

быть найдено как

Rб=(Uвх.ср-Ucт)/(Iст.ср+IН)

Так как в стабилитронах rдиф<<RН , для параметрического стабилизатора справедливо соотношение