Tomasz Ducin - Opracowanie laboratorium z Elektroniki – dioda Zenera

Laboratoria z Elektroniki – ćw. 5 Badanie

charakterystyk diody Zenera

Tomasz Ducin, II rok informatyki dziennej

Z

AGADNIENIA

TEORETYCZNE

Dioda Zenera (stabilitron) to odmiana diody, której głównym parametrem jest
napięcie przebicia złącza P-N. W kierunku przewodzenia (anoda
spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda,
natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio
względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego
napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach
(do ok. 6V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, powyżej - przebicie
lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i
zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia
(dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda
półprzewodnikowa, podstawowe różnice pozwalające wydzielić diodę Zenera
jako oddzielną kategorię elementów to dokładne określenie napięcia przebicia,
z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby
nie było mniejsze od zadanej wartości), minimalizacja rezystancji
dynamicznej, czy zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu
przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce).

Podstawowym zastosowaniem diody
Zenera jest źródło napięcia
odniesienia, ponadto używana bywa
do przesuwania poziomów napięć,
jako element zabezpieczający i
przeciwprzepięciowy (transil).

Rys.1. symbol diody Zenera

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n
spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu
(prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną
charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera.
Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie"
nie powoduje uszkodzenia złącza.

W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku
przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzcji wstecznej takiego

-1-

Tomasz Ducin - Opracowanie laboratorium z Elektroniki – dioda Zenera

złącza będzie większe od napięcia Zenera, to górna krawędź pasma
walencyjnego obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna krawędź pasma
przewodzenia obszaru typu N. Dlatego jeśli elektron znajdujący się na
poziomie walencyjnym w obszarze typu P przejdzie przez obszar ładunku
przestrzennego do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie się tam
swobodnym nośnikiem – elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia
półprzewodnika typu N. Takie przejście nazywane jest przejściem
tunelowym.

rys.2. Ilustracja zjawiska Zenera; UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji, q

- ładunek elementarny

Ilustracja zjawiska Zenera; UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie
polaryzacji, q – ładunek elementarny.
Pojawienie się tych swobodnych nośników w obszarze N powoduje zwiększenie
prądu płynącego w obwodzie. Nawet niewielki wzrost napięcia polaryzującego
(przekraczającego napięcie Zenera) daje bardzo duży przyrost prądu.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6V.

-2-

Tomasz Ducin - Opracowanie laboratorium z Elektroniki – dioda Zenera

W

YKONANE

ĆWICZENIA

1.

Wyznaczyć charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera. Określić
następnie wartości U

z

, I

z

min

oraz wartości oporu dynamicznego R

d

, i

oporu statycznego diody dla natężenia prądu

I

z

= I

z

max

/2

Przy zdejmowaniu charakterystyki w kierunku przewodzenia i w
kierunku zaporowym zestawić obwód według schematu podanego na
rys.10.10a.

Dioda Zenera

Kierunek przewodzenia

Kierunek zaporowy

U(V)

I(mA)

U(V)

I(mA)

0.676

4

1

0

0.694

8,5

5

0

0.706

14

9,55

0,2

0.717

20

9,68

0,3

0.720

23

9,77

0,5

0.723

26

9,81

0,75

0.725

28

9,82

2,25

0.729

32

9,83

5

0.731

35

9,87

11

0.733

37

9,88

18

0.735

40

9,91

50

0.738

45

0.740

50

tabela.2.wyniki uzyskane podczas badania diody Zenera w obu kierunkach.

-3-

Tomasz Ducin - Opracowanie laboratorium z Elektroniki – dioda Zenera

rys.3.charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia

rys.4.charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym

Izmin=0,75mA, Uz=9,81V

Czyli:
Izmax=7,5mA, Umax=9,85V

Rd=

∆

U/

∆

I=(9,85-9,81)/(7,5-0,75)=0.005925=5,925

Ω

Niech Iz=5mA, wówczas: Rs=U/I=9.83/5=1.966=1966

Ω

Rd oznacza opór dynamiczny
Rs opór statyczny

koniec sprawozdania.

-4-