Лабораторная работа по дисциплине «Электроника» На тему: «Исследование характеристик и параметров полупроводникового стабилитрона»
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ижевский государственный технический университет имени
М.Т.Калашникова»
(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова»)
Кафедра «Радиотехника»
Факультет «Приборостроительный»
Лабораторная работа по дисциплине «Электроника»
На тему: «Исследование характеристик и параметров полупроводникового
стабилитрона»
Ижевск 2014
Цель работы: исследование основных характеристик и параметров
полупроводникового стабилитрона, а также оценка
влияния на них
температуры окружающей среды.
Ход работы
Таблица 1. ВАХ стабилитрона
Uвх,В(V2)
6
7,5
9
10,5
12
13,5
15
16,5
18
20
Iвх,мА(А2)
0
0,02
1,03
2,54
4,07
5,6
7,13
8,64
10,16
12,33
Без резистора нагрузки, Rогр=1кОм
Uвых,В(V1)
6,01
7,49
8,03
8,06
8,08
8,1
8,12
8,14
8,16
8,19
Iст,мА(А1)
0
0,02
1
2,53
4,06
5,58
7,09
8,62
10,14
12,32
С резистором нагрузки R1=10кОм
Uвых,В
5,5
6,88
8,02
8,04
8,07
8,09
8,11
8,13
8,15
8,18
Iст,мА
0
0
0,26
1,78
3,3
4,82
6,34
7,87
9,38
11,56
С резистором нагрузки R2=3,3кОм
Uвых,В
4,63
5,8
6,95
8,01
8,04
8,06
8,09
8,11
8,13
8,16
Iст,мА
0
0
0
0,17
1,63
3,13
4,66
6,18
7,7
9,83
С резистором нагрузки R3= 1кОм
Uвых,В
3,03
3,79
4,55
5,31
6,06
6,82
7,57
8,03
8,05
8,08
Iст,мА
0
0
0
0
0
0
0,01
0,63
2,12
4,24
Последовательно включенные два стабилитрона
Uвых,В
5,51
6,88
8,21
8,5
8,55
8,6
8,63
8,67
8,7
8,74
Iст,мА
0
0
0,04
1,27
2,75
4,25
5,77
7,27
8,77
10,91
Задание №1. Снимаем обратную ветвь ВАХ п/п прибора без нагрузки.
Для проведения эксперимента подключаем приборы согласно рисунку 2.
Резистор нагрузки из схемы исключаем.
Рис.2. Схема подключения измерительных приборов для оценки ВАХ
Снимаем ВАХ, устанавливая напряжение Uвх в интервале от 0 до Uz и
измеряем соответствующие этим напряжениям значения тока. При
дальнейшем повышении напряжения, устанавливаем необходимую величину
тока, фиксируя соответствующее ему напряжение. Результаты измерений
сводим в таблицу 1.
Определяем значение тока, соответствующее середине рабочего участка:
in
max
+I
ст
=(1+12,32)/2=6,7 мА
2
Зафиксируем напряжение пробоя Uz=9 В
И при токах стабилизации Umin=8,03 В, Umax=8,19 В
Строим график полученной зависимости Iобр=F(Uобр).
Iст, мА
0
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-2
-4
Iст, мА
-6
-8
-10
-12
-14
График1.ВАХ стабилитрона без нагрузки, Rогр=1кОм
Задание №2. Снимаем обратную ветвь ВАХ с нагрузкой.
Подключаем приборы согласно рисунку
2. Проводим измерения
аналогично заданию 1 и заносим все в таблицу 1.
Строю графики полученных зависимостей:
1)C резистором нагрузки R1=10кОм
Iст, мА
0
-8.4
-8.2
-8
-7.8
-7.6
-7.4
-7.2
-7
-2
-4
Iст, мА
-6
-8
-10
-12
-14
График 2. ВАХ стабилитрона с нагрузкой 10 кОм
Imin=1,78 мА
Imax=11,56 мА
in
max
+I
ст
=(1,78+11,56)/2=6,67мА
2
Uz=10,5В
2) С резистором нагрузки R2=3,3кОм
Iст, мА
0
-8.2
-8.1
-8
-7.9
-7.8
-7.7
-7.6
-2
-4
Iст, мА
-6
-8
-10
-12
График 3. ВАХ стабилитрона с нагрузкой 3,3 кОм
in
max
Im
+I
ст
Iср=
=1,63+9,83=5,73 мА
2
2
Uz=12В
3) С резистором нагрузки R3= 1кОм
Iст, мА
0
-8.5
-8
-7.5
-7
-6.5
-6
-0.5
-1
-1.5
Iст, мА
-2
-2.5
-3
-3.5
-4
-4.5
График 4.ВАХ стабилитрона с нагрузкой 1 кОм
in
max
Im
+I
ст
Iср=
=0,63+4,24=2,435 мА
2
2
Uz=16,5В
Задание№3. Снять обратную ветвь двух последовательно соединенных
стабилитронов.
Собираем схему соответствующую рисунку 3.
Рис.3.Схема подключения с термокомпенсацией.
Измерения проводим аналогично заданию 1.
Строю график полученной зависимости:
Iст, мА
0
-9
-8.8
-8.6
-8.4
-8.2
-8
-7.8
-7.6
-7.4
-7.2
-7
-2
-4
Iст, мА
-6
-8
-10
-12
График 5. ВАХ двух последовательно соединенных стабилитронов
in
max
Im
+I
ст
Iср=
=1,27+10,91=6,09 А
2
2
Uz=10,5В
Задание№4. Обрабатываем результаты измерений, выполненных в задании 1
−Uобр+Uz
Вычисляем величину теплового тока I0 по формуле: I=−I
, где
0enэ uт
uт=26мВ-тепловой потенциал при температуре Т=300К;
Uобр+Uz
Отсюда I0= -I *e nэ uт
По нашим данным:
I=1 мА;
Uобр=0,08 В;
Uz=9 В;
Подставляем и получаем:
0,08 +9
I0=-10-3
*e26∗10−3 =10 мкА
Далее определяем по экспериментальной ВАХ при Iср значение
дифференциального сопротивления по формуле:
0,11
Rдиф=∆Uвых
=
∆ I ст
1,51∗10−3 =73 Ом
Дифференциальное сопротивление показывает как и на сколько изменяется
напряжение с изменением тока стабилизации.
Задание №5. Обрабатываем результаты измерений, выполненных в
задании 2.
График ВАХ стабилитрона, выполненного в задании 1, дополняем графиком
из задания 2.
0
-8.4
-8.2
-8
-7.8
-7.6
-7.4
-7.2
-7
-2
-4
-6
Iст, мА
Iст, мА
-8
-10
-12
-14
График 6.
Рассчитаем коэффициент стабилизации по формуле:
Kст=Uвых∗Rогр
=5,6
Uвх∗rдиф =8.
20∗73
Задание
№6.Обрабатываем результаты измерений, выполненных в
задании 3.
График, полученный в задании 1 дополняем графиком из задания 3
0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-2
-4
-6
Iст, мА
Iст, мА
-8
-10
-12
-14
График 7.
Определяем по данной характеристике при токе Iср значение
дифференциального сопротивления пары диод-стабилитрон:
0,04
Rдиф=∆Uвых
∆I ст =1,5∗10−3 =27 Ом
И рассчитаем коэффициент стабилизации:
Kст=Uвых∗Rогр
=16,2
Uвх∗rдиф =8.
20∗27
Вывод: Я исследовал основные характеристики и параметры
полупроводникового стабилитрона, а также оценил влияние на них
температуры окружающей среды. Снял обратную вольтамперную
характеристику стабилитрона при разных сопротивления нагрузки.
Получилось, что при уменьшение сопротивления нагрузки входное
напряжение, при котором наблюдался лавинный пробой, становилось выше.
Контрольные вопросы
1.Физические основы работы p-n перехода.
2.Эквивалентная схема p-n перехода.
3.Физические основы работы стабилитрона.
4.Виды пробоев.( 5.Лавинный пробой и пробой Зенера.)
Различают три вида пробоя p-n-перехода:
I.
Туннельный пробой (А-Б),
II.
Лавинный пробой (Б-В),
III.
Тепловой пробой (за т.В).
Туннельный (пробой/эффект Зенера)пробой возникает при малой ширине p-n-
перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном
напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В
результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная
ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного
соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают
энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые
пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей
зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают
большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими
удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с
широким переходом.
Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-
перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы,
то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения
перехода.
6.Влияние температуры окружающей среды на ВАХ стабилитрона.
7.Способы защиты стабилитрона от влияния температуры.
8.Схема включения стабилитрона и принцип стабилизации.
Принцип стабилизации основан на явлении пробоя. В отличие от обычного
диода у стабилитрона относительно маленькое напряжение пробоя при
обратном включении, а главное, он может поддерживать его на одном уровне
практически независимо от силы тока.
9.ВАХ и основные параметры стабилитрона.
Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально
допустимого значения
во избежание перегрева полупроводниковой структуры и
выхода его из строя.
Основные параметры стабилитронов:
1. Напряжение стабилизации
- напряжение на стабилитроне при
про-текании через него тока стабилизации;
2. Ток стабилизации
- значение постоянного тока, протекающего
через стабидитрон в режиме стабилизации;
3. Дифференциальное
сопротивление
стабилитрона
-
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:
;
10.Физические основы работы варикапа.
11.Физические основы работы туннельного диода .
12.Физические основы работы выпрямительного диода.