Исследование характеристик стабилитрона

Цель работы: Исследование характеристик стабилитрона, определение параметров и изучить влияние температуры окружающей среды на его свойства.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Для этого используются диоды, у которых на ВАХ имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви ВАХ диода в режиме электрического пробоя. Поэтому рассмотрим вначале пробой р-п перехода.

1.1. Пробой р-п переходов

В реальном р-п переходе, когда обратное напряжение достигает некоторого критического значения, ток через переход резко возрастает, начинается пробой перехода. Величина напряжения, при котором наступает пробой Uпроб. зависит от типа  р-п перехода и составляет от нескольких вольт до нескольких киловольт.

Различают следующие виды пробоя: электрический и тепловой, а электрический в свою очередь разделяют на туннельный и лавинный.

Туннельный пробой – в основе лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Это становится возможным при значительном электрическом поле, т.е. при высоких уровнях легирования (ширина р-п перехода мала). Вероятность туннельного перехода зависит от ширины запрещенной зоны полупроводников. При увеличении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается, ширина перехода уменьшается, напряжение пробоя снижается.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией: неосновные носители, образующие I0, ускоряются приложенным напряжением настолько, что при их соударении  с атомами кристаллической решетки происходит  ионизация атомов. В результате генерируется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка. Вновь появившиеся носители заряда также ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут вызвать ионизацию других атомов. Процесс приобретает лавинообразный характер. Это приводит к резкому увеличению обратного тока, который может быть ограничен только внешним сопротивлением. Лавинный пробой возникает в высокоомных р-п переходах, имеющих большую ширину р-п перехода. Uпроб.  в данном случае растет с увеличением температуры полупроводника, т.к. при увеличении температуры происходит уменьшение длины свободного пробега носителей.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-п перехода, когда количество теплоты, выделяемой при протекании тока, больше отводимой. При этом происходит интенсивная тепловая генерация свободных носителей заряда. Это приводит к увеличению тока, что в свою очередь приводит к дальнейшему повышению температуры, т.е. возникает обратная положительная связь. Происходит тепловой пробой и прибор выходит из строя.

Следует отметить, что при электрическом пробое практически в той или иной степени могут иметь место одновременно и туннельный  и лавинный механизм пробоя.

Необходимо подчеркнуть различие явлений теплового и электрического пробоя. Если при электрическом пробое процессы развиваются в области объемного заряда, то тепловой пробой является следствием нарушения теплового баланса полупроводникового прибора из-за наличия положительной обратной связи между выделением тепла и током.

1.2. Стабилитроны

Действие полупроводниковых стабилитронов основано на электрическом (лавинном или туннельном) пробое р-п перехода, при котором происходит резкое увеличение обратного тока, а обратное напряжение изменяется очень мало. Это свойство использовано для стабилизации напряжения в элек­трических цепях. В связи с тем, что лавинный пробой характерен для диодов, изготовленных на основе полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, исходным материалом для стабилитронов служит кремний. Кроме этого, кремний обладает малым тепловым током Iо и устойчивыми характеристиками в широком диапазоне температур.

Для работы в стабилитронах используют пологий участок ВАХ обратного тока диода (см. рис.1.) в пределах которого резкие изменения обратного тока от Iст.мин. до Iст.макс сопровождаются весь­ма малыми изменениями обратного напряжения (см. рис.1). Т.е. для стабилитрона пробой является нормальным режимом работы. Другими словами стабилитрон – это диод работающий в режиме электрического пробоя.

Пробивное напряжение диода является напряжением стабилизации, которая зависит от толщины р-п перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные типы стабилитронов имеют различные напряжения стабилизации Uст (от 3 до 400 В).

Низковольтные стабилитроны (с напряжением Uст.<6 В) выполняют на основе сильнолегированного кремния с малым удельным сопротивлением. В них возникает узкий р-п переход с высокой напряженностью поля, при которой получается туннельный пробой.

Высоковольтные стабилитроны изготовляют на основе слаболегированного кремния с высоким удельным сопротивлением. В них ширина перехода больше, напряженность поля меньше, чем в низковольтных, а характер пробоя меняется на лавинный.

На рис. 1.а изображена вольтамперная характеристика диода,  на рис.1.б вольтамперная характеристика стабилитрона, а на рис.2 – схема стабилизации постоянного напряжения на нагрузке с использованием стабилитрона. При увеличении, например, входного напряжения возрастут ток Iвх в общей цепи и ток через стабилитрон Iст.. Увеличится падение напряжения на балластном резисторе Rб а напряжения на стабилитроне Uст и нагрузке Rн останутся практически неизменными.

Для стабилизации напряжения разной полярности выпускаются симметричные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Для получения симметричной ВАХ с двух сторон пластинки кремния одновременно формируют два р-п перехода. При подаче напряжения на крайние области структуры эти переходы оказываются включенными встречно.

Помимо стабилизации напряжения источников, стабилитроны нашли применение в качестве ограничителей, фиксаторов уровня, развязывающих элементов переключающих устройств.

1.3. Стабисторы

Диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называются стабисторами. Для изготовления стабисторов используют кремний с относительно большой концентрацией примесей. Это необходимо для получения малого сопротивления базы диода, а следовательно, малого дифференциального сопротивления при прямом включении.

В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (у кремниевых – около 0.7 В, у германиевых – 0.4 В). Оно определяется прямым падением напряжения на диоде. Для расширения диапазона стабилизации напряжения используют последовательное соединение в одном корпусе  нескольких стабисторов.

Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, а их максимальные ток, мощность и тепловые параметры те же, что у выпрямительных диодов. Стабисторы имеют отрицательный ТКН стабилизации. 

1.4. Параметры стабилитронов

Параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе,

минимально допустимый ток стабилизации Iст.мин – ток, при котором пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.

максимально допустимый  ток стабилизации Iст.макс – ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах,

Качество стабилитрона, т. е. его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего через него тока, характеризуется:

дифференциальным сопротивлением гст.диф. Оно определяется отношением приращения напряжения на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока:

rст.диф .= ΔUст./ΔIст.

Так как для лучшей стабилизации максимальным изменениям тока должны соответствовать минимальные изменения напряжения, то качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление.

Важным параметром стабилитрона является:

температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН стабилизации), равный отношению относительного измерения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (%, 10С):

αТКН = ∆Uст./ (Uст ∆ Т)

Для низковольтных диодов с туннельным пробоем ТКН отрицателен, так как вероятность туннельного пробоя возрастает с повышением температуры. При Uст>6 В пробой принимает лавинный характер, а повышение температуры вызывает увеличение напряжения стабилизации, т.е. ТКН положителен. Это объясняется обратной зависимостью пробивного напряжения от подвижности носителей, поскольку ρ ~ 1/μ.

Для уменьшения ТКН стабилизации выпускаются термокомпенсированные стабилитроны, в которых соединены последовательно стабилитрон и р-n переход, включенный в прямом направлении. С повышением температуры падение напряжения на p-n-переходе (включенном в прямом направлении) уменьшается, а на обратносмещенном р-n-переходе (при лавинном пробое) растет. Таким способом у термокомпенсированных стабилитронов, например КС211, удается получить малый ТКН.

Так как ширина запрещенной зоны Eq в Si, Ge и AsGa уменьшается с ростом температуры, то напряжение туннельного пробоя в этих полупроводниках имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. напряжение уменьшается с ростом температуры. Это происходит потому, что при более высоких температурах для достижения данной величины тока пробоя I требуются меньшие обратные напряжения. Температурная зависимость напряжения пробоя часто используется для того, чтобы отличить туннельный механизм от лавинного, т.к. последний имеет положительный температурный коэффициент, т.е. напряжение пробоя растет с ростом температуры.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Лабораторный макет состоит из унифицированного корпуса и ячейки стабилитронов. На передней панели корпуса расположены кнопки переключателей S1-S3. На панели сменного блока приведена блок-схема лабораторной работы (рис.3) и вмонтированы гнезда для подключения источника напряжения и измерительных приборов. Переключение кнопки S1 приводит к изменению полярности напряжения, что позволяет исследовать прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона. При нажатой кнопке S2 производится измерение тока, протекающего через стабилитрон. Переключение кнопки S3 подключает вольтметр к одному из двух стабилитронов. Установка тока стабилитронов производится регулировкой напряжения источника питания ТЕС-88.

Ячейка стабилитронов представляет собой пластиковый корпус, в котором собраны нагреватель и два стабилитрона КС133, Д814. Нагреватель включается в сеть 220 В. После 15-20 мин. прогрева температура на радиаторе стабилитронов составляет 90 °C. Гнездо Т, °С предназначено для присоединения зонда, измеряющего температуру.

Внимание: нагрев осуществлять при выключенном источнике питания.

Рис. 3. Схема для измерения ВАХ стабилитронов.