- •Александр Давидович Бялик
- •Введение
- •Полупроводниковые диоды
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Сравнение характеристик реальных диодов с характеристикой идеализированного p–n-перехода
- •3. Сравнение вах диодов из различных материалов
- •Параметры вах диодов для разных материалов при 300 к
- •4. Описание лабораторной установки
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Вопросы и задания для подготовки и защиты работы
- •Стабилитроны
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Характеристики и параметры стабилитронов
- •Uобр uст iст мин iст Iст макс Рабочая точка I
- •3. Механизмы пробоя
- •4. Описание лабораторной установки
- •5. Порядок выполнения работы
- •7. Вопросы и задания для подготовки к работе
- •Биполярный транзистор в схеме с об
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Характеристики и параметры биполярных транзисторов
- •2.1. Коэффициент передачи тока
- •2.2. Вольт-амперные характеристики транзистора
- •3. Описание лабораторной установки
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Вопросы и задания для подготовки к работе и защиты
- •Тиристор
- •1. Цель и содержание работы
- •2. Основные параметры тиристора
- •3. Описание лабораторной установки
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Вопросы и задания для подготовки к работе
- •Литература
- •Задачи для подготовки и защиты лабораторных работ
Стабилитроны
1. Цель и содержание работы
Целью работы является изучение принципа работы, основных параметров и характеристик стабилитронов, а также исследование влияния рабочей температуры на их параметры. В работе снимаются вольт-амперные характеристики различных стабилитронов, определяются их параметры в рабочей точке. Определяется температурный коэффициент напряжения стабилизации.
2. Характеристики и параметры стабилитронов
Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, где происходит электрический пробой p–n-перехода и наблюдается слабая зависимость напряжения наp–n-переходе от величины протекающего тока (рис. 2.1). Под действием сильного поля в областиp–n-перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ используют для стабилизации или фиксации уровней напряжения.
Uобр uст iст мин iст Iст макс Рабочая точка I
Рис. 2.1. Рабочий участок вольт-амперной
характеристики стабилитрона
Основными параметрами стабилитронов являются следующие:
– напряжение стабилизации , при заданном токе стабилизации:
– дифференциальное сопротивление в рабочей точке
.
Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем лучше стабилизирующие свойства прибора;
– максимальный и минимальный ток стабилизации: ,. Если, то возрастаети стабилизации напряжения не происходит. Привозникает значительный перегрев стабилитрона и возможен выход его из строя;
– температурный коэффициент напряжения стабилизации
.
Применение стабилитронов хорошо иллюстрируется в простейшей схеме стабилизации напряжения (рис. 2.2). Резистор задает ток
UСТ
IСТ
R
UВХ
–
–
Рис. 2.2. Схема простейшего стабилизатора
напряжения
в общей цепи , который изменяется пропорционально нестабилизированному входному напряжению. Поскольку при изменении тока стабилитрон обеспечивает постоянное напряжение, то на выходе получим стабилизированное напряжение.
Различные типы стабилитронов имеют величину напряжения стабилизации = 3.5 – 400 В.
3. Механизмы пробоя
В p–n-переходе могут существовать три вида пробоя: лавинный, туннельный и тепловой. Последний является необратимым.
3.1. Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя сходен с механизмом ударной ионизации в газах. Лавинная генерация электронно-ды-рочных пар происходит в области пространственного зарядаp–n-пере-хода, где напряженность электрического поля составляет104В/см.При этом возникает резкое возрастание токаp–n-перехода. Вольт-ам-перная характеристика в области лавинного пробоя описывается выражением
, (2.1)
где – значение обратного напряжения, при котором происходит лавинный пробой (breakdown-пробой);– значение обратного тока при;– коэффициент, определяемый типом проводимости базы. Для кремниевыхp+–n-переходов3.5.
Множитель называется коэффициентом лавинного умножения
.
Напряжение лавинного пробоя связано с концентрацией примеси в базе стабилитрона следующим соотношением:
, (2.2)
где – ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;– концентрация примеси в базе стабилитрона, см–3;– напряжение лавинного пробоя, В.
Выражение (2.2) позволяет рассчитать концентрацию носителей в базе по заданному напряжению лавинного пробоя.
Напряжение лавинного пробоя возрастает с увеличением температуры. Это объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается длина свободного пробега носителей из-за более интенсивного рассеяния их на колебаниях атомов кристаллической решетки. Поэтому для достижения условия пробоя требуется приложить большее напряжение.
3.2. Туннельный пробой. Представления о туннельном пробоеp–n-перехода основаны на квантово-механическом туннелировании электрона из валентной зоны полупроводникаp-типа в зону проводимости полупроводникаn-типа (рис. 2.3) под действием приложенного обратного напряжения. Такой механизм называется механизмом электростатической ионизации или эффектом Зенера. Вероятность туннелированияэкспоненциально зависит от ширины потенциального барьера
, (2.3)
где – коэффициент пропорциональности.
С ростом обратного напряжения величина уменьшается. При достижении напряженности электрического поля в кремниевомp–n-переходе= 1.4106В/см вероятность туннелирования возрастает и наблюдается резкое возрастание тока черезp–n-переход. Посколь-
Ec
Ev
E
Ec
Ev
–
–
q(к
– U)
Рис. 2.3. Механизм туннельного пробоя
ку ширина потенциального барьера , туннельный пробой происходит при высокой степени легированияр- иn-областей.
Напряжение туннельного пробоя удобно выражать через удельное сопротивлениеиобластей. Для кремниевых стабилитронов зависимостьотивыражается по формуле
; при0.01. (2.4)
С ростом температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, поскольку уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника, снижается потенциальный барьер и возрастает вероятность туннелирования.
Напряжения туннельного и лавинного пробоя зависят от степени легирования областей p–n-перехода. В сильнолегированныхp–n-пере-ходах развивается туннельный пробой, в слаболегированных – лавинный. На рис. 2.4 представлены зависимости напряжений лавинногои туннельного пробояот эффективной концентрации
.
UT
UT
UT
T
U
UЭФФ
Рис. 2.4. Зависимости напряжений лавинного
и туннельного пробоя от эффективной концентрации
Видно, что при <и раньше начинается лавин- ный пробой. При>и развивается туннельный пробой. Для кремнияпримерно составляет 1018см–3и соответствует= 0.03 Омсм. Пробивное напряжение при этом примерно равно 5…7 В.
3.3. Тепловой пробой.Тепловой пробойp-n-перехода происходит, как правило, при его саморазогреве, когда наp-n-переходе выделяется значительная мощность за счет протекающего тока. Возрастание температуры в свою очередь приводит к увеличению тока и т.д. Тепловойпробой реализуетсявp–n-переходах, обладающих значительными об-
Uобр
Uпроб
1
2
3 1 0
Рис.2.5. ВАХ различных видов пробоя:
1 – туннельный; 2 – лавинный; 3 – тепловой
ратными токами (например, германиевые). В кремниевых диодах малые обратные токи и высокие напряжения теплового пробоя приводят к реализации в первую очередь электрических пробоев: туннельного или лавинного. Отличительной особенностью ВАХ при тепловом пробое является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.5), где для сравнения приведены также ВАХ лавинного и туннельного пробоев.