Przemysław Paturaj 184135 14.04.2011

Krzysztof Cal 184055

Grupa 6

III. DIODA ZENERA

Cel ćwiczenia :

Zapoznanie się z zasadą działania diody Zenera, wyznaczenie jej charakterystyki statycznej, napięcia wbudowanego oraz napięcia Zenera. Zakres pomiarów :

• 0 - 1 [mA] co 0,1 [mA]

• 1 - 10 [mA] co 0,5 [mA]

• 10 - 30 [mA] co 1 [mA]

• 30 - 50 [mA] co 2 [mA]

Wstęp teoretyczny :

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).

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 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. 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.

Aparatura pomiarowa :

• multimetr BM857

• multimetr BM811

• oscyloskop

• skrzynka pomiarowa, w której znajduje się badana dioda półprzewodnikowa

Schematy :

Rys.1. Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych złącza p-n metodą „punkt po punkcie”:

a) w zakresie małych oporności diody,

b) w zakresie dużych oporności diody.

Rys. 2. Schemat układu do pomiaru Schemat połączeń obwodu z diodami

charakterystyk I-V diody metoda oscyloskopową do układu pomiarowego

Rys. 3. Schemat układu do pomiaru charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych.

Wzory :

I_D=U_wy/R, U_D=U_WE-U_WY

R_z - rezystancja dynamiczna U_WY - napięcie wyjściowe

R_s - rezystancja statyczna U_WE - napięcie wejściowe

I_D - prąd diody ID

U_D - napięcie diody ID

Przykładowe obliczenia :

Dla diody nr 2 :

Obliczenia dla oscyloskopu są w protokole.

Wykonane zadania :

a)

Dioda Zenera 2 Dioda Zenera 4

Napiecie [V]	Natezenie [mA]
0	0
-2,0582	-0,1
-2,2563	-0,2
-2,3863	-0,3
-2,4753	-0,4
-2,5467	-0,5
-2,612	-0,6
-2,6634	-0,7
-2,7135	-0,8
-2,7547	-0,9
-2,7951	-1
|	|
-4,1783	-30
-4,2008	-32
-4,2222	-34
-4,242	-36
-4,2603	-38
-4,2774	-40
-4,2936	-42
-4,3084	-44
-4,3221	-46
-4,3357	-48
-4,3474	-50

Napięcie [V]	Natężenie [mA]
0	0
-1,081	-0,1
-1,1921	-0,2
-1,2671	-0,3
-1,32	-0,4
-1,3599	-0,5
-1,3956	-0,6
-1,4302	-0,7
-1,4563	-0,8
-1,4799	-0,9
-1,5028	-1
|	|
-2,416	-30
-2,4375	-32
-2,4573	-34
-2,476	-36
-2,4933	-38
-2,5102	-40
-2,5263	-42
-2,5416	-44
-2,5564	-46
-2,5701	-48
-2,583	-50

Wnioski :

Parametry diody zależą od materiału, z jakiego została wykonana i stopnia domieszkowania. Zakres tych zmian jest bardzo duży, a charakterystyki prądowo-napięciowe diod mogą różnić się bardzo znacznie. Po wykonaniu stosownych obliczeń możemy jednoznacznie stwierdzić, że rezystancja statyczna jest kilkakrotnie większa od rezystancji dynamicznej. Diody Zenera głównie cechuje to, iż pracują w zakresie przebicia, co przy innych diodach może skończyć się zniszczeniem diody.

Niewątpliwie ogromną zaletą metody oscyloskopowej jest możliwość obserwacji charakterystyki prądowo-napięciowej dla obydwu kierunków polaryzacji złącza jednocześnie, a także obserwacja wielkości charakterystycznych dla pomiaru takich jak amplitudy napięcia, wartość składowej stałego napięcia. Wadą jednakże tej metody jest stosunkowo mała dokładność.

---