Nr ćw.	Temat ćwiczenia	Data	Ocena	Podpis
2.	Badanie diod Zenera	1999-11-09

Budowa, własności i zasada działania diody Zenera.

Typowa dioda Zenera złożona najczęściej jest ze złącza pn, czyli ze złącza dwóch rodzajów półprzewodników : półprzewodnika typu p (akceptorowego - większość nośników dodatnich - dziur) oraz półprzewodnika typu n (donorowego - większość nośników ujemnych - elektronów). Charakterystyczną cechą każdego złącza pn, mającą istotne znaczenie dla jego działania oraz parametrów roboczych jest rozkład domieszek w obszarach p i n, zwłaszcza zaś na styku tych obszarów.

W obszarze p nośnikami większościowymi są dziury, natomiast w n - elektrony. Na styku obu obszarów wskutek dużej różnicy koncentracji nośników następuje dyfuzja nośników większościowych : dziur z p do n, elektronów z n do p. Wskutek rekombinacji nośników powstaje tzw. warstwa zaporowa (zubożona). W tym terenie nie ma wolnych nośników : wszystkie dziury zapełnione są elektronami. Co z tego wynika, obszar ten ma bardzo dużą rezystancję.

Płynięcie prądu przez diodę jest możliwe dopiero po zlikwidowaniu warstwy zaporowej (fachowo - przezwyciężenie bariery potencjału). Należy podłączyć zewnętrzne napięcie, tak aby plus był połączony z obszarem typu p, a minus - z obszarem typu n. Takie podłączenie nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Takie spolaryzowanie będzie powodowało zmniejszanie szerokości warstwy zaporowej, powolny wzrost prądu, a jeżeli napięcie zewnętrzne będzie większe od napięcia progowego (krzem ok. 0,7 V, german ok. 0,3 V) to nastąpi zanik warstwy zubożonej i gwałtowny wzrost prądu. Rezystancja złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia to około kilka - kilkaset omów. Diody Zenera jednak rzadko, a prawie wcale nie pracują docelowo w kierunku przewodzenia.

Jeżeli natomiast odwrotnie doprowadzimy napięcie (polaryzacja w kierunku zaporowym) to nastąpi powiększanie się warstwy zaporowej co bardziej będzie uniemożliwiać przepływ nośników większościowych. Przez złącze będą płynąć tylko niewielkie prądy wsteczne rzędu ułamków mikroampera czy kilku mikroamperów (prądy nośników mniejszościowych). Rezystancja złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym waha się w granicach od kilkuset kiloomów do megaomów. Przy pewnej dużej wartości napięcia wstecznego, nastąpi zjawisko przebicia złącza - nagły gwałtowny wzrost prądu wstecznego. Zjawisko to jest odwracalne i nie uszkadza diody, chyba, że nastąpił duży wzrost temperatury złącza. I właśnie w tym zakresie - po przebiciu złącza dioda Zenera spełnia swoją zasadniczą rolę. Tylko w tym zakresie diody Zenera pracują poprawnie, stabilizując napięcie. Stąd włączamy je do obwodu w kierunku zaporowym.

Przebicie złącza następuje po przekroczeniu pewnej wartości napięcia wstecznego. Odpowiedni rozkład domieszek powoduje, że duży wzrost prądu nie powoduje większych zmian napięcia. Można w przybliżeniu przyjąć, że napięcie na diodzie jest stałe, powiedzmy, zmienia się w małych granicach. Wyróżniamy dwa rodzaje przebicia : Zenera oraz lawinowe . Przebicie Zenera jest charakterystyczne dla złącz silnie domieszkowanych i występuje prze napięciach do 5V , natomiast przebicie lawinowe dla złącz słabo domieszkowanych i występuje przy napięciach powyżej 7V. W złączach o średniej koncentracji domieszek przebicia Zenera i lawinowe występują łącznie przy napięciach 5 - 7V.

Te właściwości diod Zenera spowodowały zastosowanie jej głównie w układach stabilizujących napięcie, układach napięcia odniesienia, ogranicznikach, układach zabezpieczających.

Jedne z ważniejszych parametrów diod Zenera :

• rezystancja statyczna - stosunek napięcia na diodzie do płynącego przez nią prądu w danym punkcie pracy

• rezystancja dynamiczna - stosunek przyrostu napięcia na diodzie do przyrostu prądu płynącego przez diodę dla liniowej części charakterystyki

- temperaturowy współczynnik napięcia Zenera. Jest on zależny od napięcia stabilizowanego. Jest ujemny dla diod o U_Z < 5 V, a dodatni dla diod o U_Z < 6 V. Diody stabilizujące napięcia rzędu 5...6 V mają współczynnik ten w przybliżeniu równy zeru. W praktyce - pozwala nam przewidzieć zachowanie diody przy zmianie temperatury (wzrost, czy spadek napięcia stabilizowanego oraz wartość zmiany)

- współczynnik stabilizacji. Wyraża on stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywołanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie. W praktyce - im większy tym lepiej... (im mniejsze zmiany napięcia, które ma być stabilizowane przy większych zmianach prądu, tym dioda lepiej stabilizuje). W idealnej diodzie Zenera mianownik dąży do 0, licznik do nieskończoności, S do nieskończoności - napięcie jest absolutnie stałe przy wielkich zmianach prądu - niestety to tylko teoria...).

Najważniejsze parametry badanych diod :

Parametr	Jednostka	BZP 683 C15	BZP 620 C6v8	BZP 620 C24	BZP 620 C10
UZ	V	13,8 - 15,6	6,4 - 7,2	22,8 - 25,6	9,4 - 10,6
IZ	mA		100	25	50
rZ		30	2	15	4
Ptot	W	0,4	1	1	1

Ćwiczenia

Zestawiamy układ pomiarowy wg poniższego schematu. Na uwagę zasługuje rezystor, który wprowadzamy po to, aby ograniczyć prąd płynący przez diodę. Bez niego prawdopodobnie doszłoby do uszkodzenia diody. Jego wartość można wyliczyć ze wzoru :

My jednak dobieraliśmy jego wartość w zależności od potrzeb, dbając oczywiście o bezpieczeństwo układu.

Przeprowadziliśmy raz pomiary w kierunku przewodzenia dla diody BZP 620 C24, jako, że jest ona najwytrzymalsza w takim zakresie pracy.

Następnie prowadzimy pomiary dla wszystkich diod w kierunku zaporowym. Dla różnych wartości prądu odczytywaliśmy napięcia na badanych diodach, ustaliwszy oczywiście wcześniej na podstawie dopuszczalnej mocy diod, wartości, których przekroczenie mogłoby skończyć się dla nas i dla diod źle.

Schemat układu pomiarowego :

Na podstawie pomiarów wykonanych dla jednej z diod w kierunku przewodzenie widać, że diody Zenera spolaryzowane w kierunku przewodzenia zachowują się tak samo jak typowe diody prostownicze.

Różnice występują przy pracy w kierunku zaporowym. Najpierw płyną bardzo małe prądy wsteczne (rzędu ułamków mikroampera, czy kilku mikroamperów), podobnie jak dla innych diod. Różnice występują przy przebiciu złącza. Specyficzny rozkład domieszek w złączu pn w diodach Zenera, powoduje, że przejście to jest bardziej gwałtowne. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia następuje gwałtowny wzrost prądu, ale powoduje on wiele, wiele razy mniejszy przyrost napięcia niż w innych diodach (charakterystyka jest bardziej „pionowa”). Ponadto diody te są bardziej „odporne” na pracę zaporową.

Niestety, na podstawie wykonanych pomiarów widać, że dane katalogowe, szczególnie odnośnie napięcia stabilizacji, nie zawsze sprawdzają się z wartościami otrzymanymi w praktyce. Właśnie dokładność i precyzja danej diody świadczy o jej jakości. Właściwie żadna z diod nie stabilizowała napięcia w przybliżeniu równego katalogowemu, zawsze były różnice przynajmniej 0,5 V (może z wyjątkiem BZP 620 6v8, którą należy pochwalić za odstępstwo ok. 0,2 V). Oczywiście nigdy nie osiągniemy ideału, ale np. nie można dopuścić do takiej sytuacji, gdzie np. na diodzie BZP 683 C15 otrzymaliśmy spadek napięcia o 2,8 V wyższy niż zakładany. Dioda ta odznacza się najgorszymi parametrami - współczynnik stabilizacji oraz przede wszystkim - charakterystyką. Im charakterystyka prądowo -napięciowa jest bardziej zbliżona do pionu, bardziej stroma, tym dioda jest po prostu lepsza. Wg mnie najprościej rozpoznać klasę diody już po rzucie okiem na charakterystykę. Bez wątpienia najlepszą badaną przez nas diodą była BZP 620 C10 (najbardziej gwałtowne przejście w zakres stabilizacji, najmniejsze zmiany napięcia, najlepsza charakterystyka) . Szkoda tylko, że nie otrzymaliśmy na niej dokładnie 10V. Pozostałe diody cechowały się średnimi parametrami.

Spis przyrządów :

• zasilacz - praca dyplomowa Krzysztof Leja 93/94

• opornice suwakowe : 165  165p

151  151p

- układ do badania diod Zenera PT / P / 23

• miernik cyfrowy III / I / 160 PE - woltomierz

• miernik cyfrowy YF-3503 III / I / 436 PE - miliamperomierz

---