4. Контрольні запитання та завдання

1. Які параметри діода як ключа, визначають його швидкодію?

2. Чим обмежується швидкодія діодів?

3. Чим визначається час відновлення зворотного опору діода?

4. Наведіть класифікацію діодів за часом відновлення зворотнього опору.

5. Які діоди називають ключовими?

6. Поясність ємнісні властивості діодів.

7. Поясніть осцилограму струму, який протікає через діод при роботі з генератором напруги в режимі великих амплітуд.

8. Як змінюється форма струму, що протікає через діод, при збільшенні амплітуди вхідного імпульсу і напруги зміщення?

9. Поясніть осцилограму напруги діода при роботі з генератором струму в режимі великих і малих амплітуд.

10. Чому при збільшенні частоти діода втрачають вентильні властивості?

11. За рахунок яких процесів відбувається обмеження амплітуди імпульсів?

Лабораторна робота 3

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТАБІЛІТРОНІВ

Мета роботи: поглиблення та закріплення знань про основні фізичні процеси, які протікають у зворотно зміщених електронно-діркових переходах, особливості напівпровідникових стабілітронів, їх експлуатаційні параметри; набуття навичок експериментального дослідження таких приладів та визначення показників параметричних стабілізаторів.

1. Стислі теоретичні відомості

Напівпровідникові діоди ефективно використовують і у зворотному увімкненні. Коли зворотна напруга досягає визначеного критичного значення, струм діода починає різко збільшуватись. Це явище називають пробоєм діода. Розрізняють електричний та тепловий пробій. Тепловий пробій викликає руйнування приладу, електричний – використовують для побудови напівпровідникових діодів, зокрема, напівпровідникових стабілітронів. Існує два види електричного пробою, які нерідко супроводжують один одного: лавинний та тунельний.

Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації та за рахунок виривання електронів із атомів сильним електричним полем. Цей пробій характерний для p-n переходів великої товщини і виникає при порівняно малій концентрації домішок в напівпровідниках. Напруга лавинного пробою складає десятки або сотні вольт.

Тунельний пробій пояснюється явищем тунельного ефекту. Він утворюється при сильному електричному полі напругою більшою ніж 10 В/см, яке діє в p-n переході невеликої товщини. При цьому деякі електрони проходять через перехід, не змінюючи своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, отримують при високій концентрації домішок в напівпровідниках. Напруга, що відповідає тунельному пробою, зазвичай не перевищує одиниць вольт.

Вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка використовується для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає зміні зворотного струму в широких межах. До початку пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він стає таким, як і прямий струм. В наш час випускають виключно кремнієві стабілітрони багатьох типів. Їх також називають опорними діодами, тому що стабільну напругу, яку від них отримують, у ряді випадків використовують як еталонну. На рис. 3.1, а дана типова ВАХ стабілітрона при зворотному струмі, яка показує, що в режимі стабілізації напруга змінюється мало. Характеристика прямого струму стабілітрона така ж, як і у звичайних діодів. У точці А, де пробій є достатньо стійкий, струм різко зростає, допустиме його значення I_max обмежується лише допустимою потужністю розсіювання.

а б

Рис. 3.1. Типова вольт-амперна характеристика: а  стабілітрона;

б  схема параметричного стабілізатора

В сучасних стабілітронах I_max коливається в межах від десятків міліампер до декількох ампер. Робоча напруга стабілітрона, яка є робочою напругою p-n переходу, залежить від концентрації домішок у p-n структурі та знаходиться в межах 4 – 200 В.

Для стабілізації малих напруг використовують кремнієві діоди при прямому увімкненні – стабістори. Наприклад, діоди Д219С, Д222С і Д223С забезпечують постійну пряму напругу 1 – 1,5 В (при прямому струмі 50 мА і температурі 25 ) [3, 4].

Відповідно до ГОСТ 10862-72 стабілітрони позначались за наступною системою. Перший елемент позначки  вихідний матеріал: К – кремній; другий – літера, яка характеризує підклас приладів: С – стабілітрони та стабістори. Третій елемент позначки визначає індекс потужності, четвертий – кодовану позначку номінальної напруги стабілізації, п'ятий – послідовність розробки (літери російського алфавіту від А до Я). Розшифровку третього та четвертого елементів позначки знаходять зазвичай за довідником. Приклад позначки: КС 168 А – стабілітрон напівпровідниковий, який призначений для пристроїв широкого використання, кремнієвий, потужністю не більшою ніж 0,3 Вт, з напругою стабілізації 6,8 В, послідовність розробки А [3, 4].

Напруга стабілітрона у робочому режимі мало залежить від струму, що є основою для використання цих приладів для побудови параметричних стабілізаторів напруги. На робочій ділянці характеристики (від I_min до I_max) залежність напруги стабілітрона від струму характеризується диференціальним опором:

Електрична схема параметричного стабілізатора зображена на рис. 3.1, б. Опір обмежуючого резистора R_обм повинен бути значно більшим за диференціальний опір стабілітрона r_ст. Чим більше відношення R_обм /r_ст, тим краща стабілізація напруги.

Напруги і струми у параметричному стабілізаторі зв'язані між собою наступними співвідношеннями (рис. 3.1, б):

При збільшенні вхідної напруги U_вх повинна була б збільшитися і вихідна напруга U_вх. Однак навіть незначне збільшення U_Z призводить до різкого збільшення струму стабілітрона (рис. 3.1, а). В результаті чого збільшується I_o і відповідно – спад напруги I_o R_обм, що компенсує збільшення U_вх, а вихідна напруга залишається майже незмінною. При зменшенні вхідної напруги U_вх струм I_o зменшується, падіння напруги I_o R_обм зменшується, що також компенсує нестабільність U_вх.

Якщо напруга джерела (вхідна напруга) нестабільна (змінюється від U_min до U_max) за умови, що опір навантаження R_н – постійний, значення резистора R_обм для середньої точки:

де U_сер = 0,5(U_min + U_max) – середнє значення вхідної напруги; I_сер = 0,5(I_min + I_max) – середній струм стабілітрона; – струм навантаження.

Другий можливий режим стабілізації використовують в тому випадку, коли U_вх= const, а R_н змінюється в межах R_min … R_max. Як приклад розглянемо випадок, коли R_н зменшується, тобто збільшувати. Тоді струм у нерозгалуженому колі зростає. При цьому спад напруги на обмежувальному резисторі R_обм повинен був би збільшуватись, а на стабілітроні та навантаженні – зменшуватись. Зменшення напруги на стабілітроні викликає різке зменшення струму у ньому (рис. 3.1, а), внаслідок чого вхідний струм I_o, падіння напруги I_o R_обм та напруга на навантаженні майже не змінюються. Таким чином ріст струму навантаження на ∆ автоматично приводить до спаду струму стабілітрона на ∆I_Z. Причому ∆ ≈ –∆ I_Z, так що . Значення резистора R_обм в цьому випадку можна визначити за середнім значенням струмів:

де I_н.сер = 0,5(I_{н. min} + I_{н. max}), причому

.

Наведені формули дозволяють вибрати тип стабілітрона і розрахувати елементи параметричного стабілізатора за електричними параметрами та граничними експлуатаційними даними, які наведені у довідниках.

Якість роботи стабілізаторів напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації , який дорівнює відношенню відносної зміни вхідної напруги до відносної зміни напруги на виході:

Коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора досягає 20 – 50.

Експлуатаційними параметрами стабілітрона є: U_Z – напруга стабілізації; ∆U_Zном – розкид значення напруги стабілізації; I_Zmin – мінімально допустимий струм стабілізації; r_ст– диференціальний опір стабілітрона; – температурний коефіцієнт напруги стабілізації.

Література: [1, c.50-53]; [2, c. 17-19]; [3, с. 55-58]; [4, с. 92-94]; [14].