Zenerdiode karakteristiek

Datum : februari 2002 

Principe:

Het opnemen van de karakteristiek van een zenerdiode.

Meetschema:

Benodigd:

Multimeter
Weerstand 100 W
voedingsspanning van 9V (bv batterij)
Zener diode van ca. 5V
Potentiometer 5 kW

Werkwijze:

  • Bouw de meetschakeling op zoals in het meetschema is weergeven.
  • Regel Uin met P achtereenvolgens op de waarden van onderstaande tabel.
  • Meet bij elke waarde van Uin de zenerspanning Uz en de zenerstroom Iz
  • Meet de zenerstroom indirect, dwz meet de spanning UR over de 100 W weerstand en bereken vervolgens de zenerstroom mbv de Wet van Ohm (Iz = IR = UR/R). Op deze wijze heft de schakeling niet onderbroken te worden.

Meetresultaten:

Uin
(V)
Uz
(V)
UR
(V)
Iz
(mA)
0 0 0 0
1 1 0 0
2 2 0 0
3 3 0 0
4 3.98 0.00249 0.02
5 4.79 0.210 2.05
6 5.15 0.85 8.32
7 5.27 1.72 16.83
8.08 5.34 2.72 26.61
8.11 5.35 2.76 27.01

De weerstand hebben we nagemeten m.b.v. de multimeter: 102.2 W.

Discussie en conclusie:

In de karakteristiek van een zenerdiode is de stroom door de zenerdiode uitgezet tegen de spanning over de zenerdiode. Om deze op te nemen moeten we een regelbare spanning hebben. Deze maken we met een potentiometer, die we op een voedingsbron aansluiten. De regelbare loperspanning voeren we toe aan de zenerdiode. 

Beneden de zenerspanning vloeit er door de zenerdiode alleen een lekstroom. Boven de zenerspanning gaat de zenerdiode sterk geleiden. De stroom moeten we bergenzen met een serieweerstand. 

De grootste stroom vloeit bij de hoogste spanning. Dit is het geval als de loper van de potentiometer bovenaan staat, waardoor Uin = 9V. Over de zenerdiode zal 5 V komen, zodat er over R dan een spanning van 9 V - 5 V = 4 V staat. Als R = 100 W, dan kan de stroom dus maximaal 4V/100 W = 40 mA worden. 

Opmerkingen:

  •  De relatie tussen de stroom door en de spanning over een element is een karakteristieke eigenschap van een elektrisch bouwelement.

Literatuur:

  • A. Schommers; Elektronica echt niet moeilijk, deel 1: experimenten met gelijkstroom; Elektuur BV; 1988; ISBN 9070160358; p 80-82.
  • A.J.Dirksen; Leerboek Elektronica, Deel 3; De Muiderkring; 1986; ISBN 9060822633; p 45-49.

Achtergrondinformatie:

Elke diode lekt (laat een klein beetje stroom door) in de sperrichting, maar als er meer dan ongeveer 60 volt op komt te staan laat de diode alle stroom door, en gaat hij meestal ook kapot.
Van dit effect wordt gebruik gemaakt bij zenerdiodes. Bij zenerdiodes ligt de drempel veel lager, en gaat de diode er niet stuk van.
Zenerdiodes worden veel gebruikt bij voedingen om de spanning constant te houden:

  

Halfgeleiders

Halfgeleidermateriaal is de grondstof voor vele onderdelen in de moderne elektronica, zoals diode, transistor, lichtgevoelige weerstand. Hiertoe behoren ook de ic's, waarin transistors en weerstanden worden bijeengebracht. 

Halfgeleiders zijn materialen, die de elektrische stroom matig geleiden. Het meest gebruikte halfgeleidermateriaal is silicium. Vroeger werd germanium veel gebruikt. Deze stoffen vormen kristallen met een zogenaamd diamantrooster, waarin elk atoom omringd wordt door 4 buurtatomen. De verbindingen met deze buuratomen worden door 4 elektronen uit de buitenste schil verzorgd. Deze elektronen zijn heel stevig gebonden aan hun atomen. Er is vrij veel energie voor nodig om ze los te krijgen. Daarom wordt bij kamertemperatuur maar een heel geringe fractie door de warmtebeweging 'losgemaakt'. Bij lage temperaturen komen helemaal geen elektronen vrij en bij 0 K is een halfgeleider een isolator. Als een elektron wordt losgemaakt, blijft er een atoom achter met een elektron tekort. Zo'n plaats waar een elektron ontbreekt noemt men een gat; het losgemaakte elektron heet vrij elektron. Door de warmtebeweging wordt gelijktijdig een vrij elektron en een gat gegenereerd, een proces dat men paarvorming noemt. Het gat kan op twee manieren worden opgevuld. Een vrij elektron kan de plaats opvullen, men spreekt dan van recombinatie. Hierbij verdwijnt dus een paar. Het gat kan echter ook worden opgevuld door een elektron dat hoort bij een buuratoom. Op deze manier kan een gat zich van atoom tot atoom verplaatsen. Als er een elektrisch veld heerst kan een gat zo bijdragen tot elektrische geleiding. Het gedraagt zich als een vrij bewegende positieve elektrische lading. In een halfgeleiderkristal worden voortduren paren gegenereerd, terwijl ook voortdurend paren verdwijnen door recombinatie. Bij een hogere temperatuur worden er meer paren gegenereerd dan bij een lagere temperatuur. De concentratie van vrije elektronen en gaten is dan groter, zodat de kans op recombinatie dan ook groter is. Bij elke temperatuur zal het aantal paarvormingen gelijk zijn aan het aantal recombinaties, maar bij hogere temperaturen zijn de aantallen groter. De elektrische geleiding in een hafgeleider wordt 'verzorgd' door vrije elektronen en gaten. Zolang het materiaal niet verontreinigd is, zijn er precies evenveel gaten als vrije elektronen. Zuiver materiaal noemt men wel intrinsiek.

Als aan zuiver silicium een kleine hoeveelheid fosfor wordt toegevoegd, kunne de fosfor-atomen op silicium plaatsen in het rooster gaan zitten. Omdat fosfor 5 elektronen in de buitenste schil heeft, en er maar 4 nodig zijn voor de bindingen met de buuratomen, heeft elk fosforatoom een elektron over. Dit elektron kan vrij gemakkelijk worden losgemaakt: er is maar een kleine hoeveelheid energie voor nodig. Het gevolg is dat bij kamertemperatuur vele elektronen zich losmaken, onder achterlating van een positief fosfor ion, dat niet van zijn plaats kan. Het fosfor 'levert' dus vrije elektronen aan het silicium. Het wordt daarom donor genoemd. Het toevoegen van een stof als fosfor heet doping. In het silicium zelf treedt natuurlijk de zopas genoemde paarvorming op, waarbij evenveel vrije elektronen als gaten ontstaan. Aangezien er nu vele extra vrije lektronen aanwezig zijn, zullen door recombinatie maar weinig gaten overblijven, veel minder dan in intrinsiek silicium. Als silicium dus met een donor wordt verontreinigd, zullen in het silicium veel vrije elektronen en weinig gaten aanwezig zijn. De vrije elektronen zijn de meerderheidsladingsdragers; de gaten de minderheidsladingsdragers. Omdat elektronen een negatieve lading hebben, noemt men silicium dat met een donor verontreinigd is: n-type silicium. Men kan het silicium ook dopen met een element dat 3 elektronen in de buitenste schil heeft, zoals gallium. Een gallium-atoom heeft dan een elektron te weinig om alle bindingen met buuratomen te verzorgen. Het zal graag een elektron van een buuratoom willen opnemen, waardoor echter bij het buuratoom een gat ontstaat. Omdat er weinig energie voor nodig is om zo'n elektron op te nemen, zullen er veel gaten ontstaan. Het gallium wordt daarom een acceptor genoemd. Ook nu geldt dat de paarvorming gewoon doorgaat. Omdat er nu veel gaten zijn, zullen door recombinatie maar weinig vrije elektronen overblijven. de gaten (die zich gedragen alsof ze een positieve lading hebben) zijn de meerderheidsladingsdragers en de vrije elektronen de minderheidsladingsdragers. Men spreekt nu van p-silicium.              

Halfgeleiderdiode

We beschouwen nu eerst een halfgeleiderdiode, waarop nog geen spanning is aangesloten. De ene helft van de diode bestaat uit p-materiaal en de andere uit n-materiaal. Omdat de concentratie gaten in het linkerdeel veel groter is dan rechts, zullen er geen gaten naar het rechterdeel gaan en daar recombineren met vrije elektronen; andersom zullen er vrije elektronen naar links gaan en daar recombineren. Hierdoor ontstaat er links een overmaat aan negatieve lading en rechts een overmaat aan positieve lading, waardoor een elektrisch veld ontstaat in de grenslaag. Over de grenslaag staat hierdoor een potentiaalverschil F

In de grenslaag zelf blijven heel weinig vrije ladingsdragers over, ze zouden nl. direct kunnen recombineren. Men noemt de grenslaag daarom ook wel de depletielaag of uitputtingslaag. Door het elektrisch veld in de grenslaag wordt de gatenstroom van p naar n tegengewerkt, evenals de elektronenstroom van n naar p. Slechts een kleine fractie van deze meerderheidsladingsdragers heeft voldoende thermische energie om de grenslaag te passeren. Voor de minderheidsladingsdragers is de richting van het elektrisch veld juist gunstig. De (weinige) gaten in het n-materiaal kunnen dus allen de grenslaag over. Aangezien er voortdurend nieuwe paren gegenereerd worden, is er een kleine stroom gaten van n naar p. Zolang er geen uitwendige spanning wordt aangelegd, zal deze gatenstroom precies even groot zijn als die van p naar n. Het elektrisch veld in de grenslaag stelt zich automatisch zo in, dat er evenwicht is. 

Veronderstel nu, dat we het elektrisch veld in de grenslaag kleiner maken, door uitwendig een spanning aan te sluiten op de diode, met de pluspool aan de p-kant en de minpool aan de n-kant. De stroom van de minderheidsladingsdragers verandert daardoor niet, maar de fractie van de meerderheidsladingsdragers die de grenslaag kan passeren, wordt daardoor groter. Nu ontstaat er een netto elektronenstroom van n naar p. Dat betekent dat er een elektrische stroom (positieve lading) van p naar n loopt. De grootte van deze elektrische stroom hangt af van de aangelegde spanning, volgens

Hierin is I0 de elektrische stroom van de minderheidsladingsdragers, q de lading van het elektron, V de aangelegde spanning, k de constante van Boltzmann en T de absolute temperatuur.

De eerste term van het rechter lid is de stroom van de meerderheidsladingsdragers; de tweede die van de minderheidsladingsdragers. De stroom van de meerderheidsladingsdragers neemt exponentieel toe met de aangelegde spanning.

We kunnen het elektrisch veld in de grenslaag ook groter maken door de spanning andersom aan te sluiten. De stromen van de minderheidsladingsdragers veranderen daardoor niet, maar de fractie van de meerderheidsladingsdragers, die de grenslaag passeert, wordt kleiner. Als de spanning een paar Vol is, is deze fractie praktisch nul. Dan blijft dus alleen de stroom van de minderheidsladingsdrager over: Io. Deze stroom heet lekstroom of sperstroom. De elektrische stroom (positieve lading) loopt van n naar p. Omdat het aantal minderheidsladingsdragers dat per seconde gegenereerd wordt, sterk van de temperatuur afhangt, is de lekstroom ook sterk temperatuur-afhankelijk.

De p-kant van de diode noemt men wel anode; de n-kant kathode. Als de pluspool van de spanning aan de p-kant is aangesloten, zeggen we, dat V>0 en dat de diode in doorlaatrichting is aangesloten. Is de pluspool aan de n-kant aangesloten, dan noemen we V<0 en is de diode in de sperrichting aangesloten. In het eerste geval is I>0 en in het tweede is I<0, volgens onderstaande formule:

 

We kunnen bovenstaande in een aantal figuren samenvatten.                

geen aansluiting
V=0, I=0
doorlaten
V>0, I >0
sperren
V<0, I<0

In doorlaatrichting kan een diode in principe een grote stroom doorlaten, maar door zo'n stroom wordt een vermogen I*V in de diode afgegeven. Het hangt van het type af, hoeveel vermogen er gedissipeerd mag worden; wordt het toegestane maximum overschreden dan wordt de diode te heet en gaat hij kapot. Om deze reden ziet men vrijwel altijd in serie met een diode een weerstand, die de stroom begrenst.

De lekstroom is zeer klein (in de orde van nA), zodat in principe vrij grote spanningen in de sperrichting aangesloten kunnen worden. Maar elke diode heeft een maximale spanning, waarboven doorslag in de grenslaag optreedt en de diode vernield wordt.

Vaak is men meer geÔnteresseerd in de verandering is stroom als V een klein beetje verandert. Men noemt dit de differentiŽle of dynamische weerstand van de diode: r= dV/dI

We kunnen de dynamische weerstand eenvoudig berekenen uit de bovenstaande formules, waarbij we de 1 verwaarlozen:

waaruit  

dus

Ook de dynamische weerstand hangt dus van het instelpunt af. Gezien de afwijking van de diode ten opzichte van de theorie zal ook deze r slechts een benadering van de werkelijkheid zijn.

In de Zener-diode wordt gebruik gemaakt van het "doorslaan" van de diode in de sperrichting. Hij is zo gemaakt, dat dit bij een goed gedefinieerde spanning gebeurt. De stroom kan dan in een vrij groot gebied variŽren, terwijl de spanning over de diode nauwelijks verandert. Door deze eigenschap kan hij gebruikt worden voor het leveren van een stabiele spanning. Het is natuurlijk wel zaak te zorgen dat de stroom niet te groot kan worden. Daarvoor wordt meestal een serieweerstand gebruikt. Zener diodes zijn te verkrijgen in waarden die variŽren van een paar Volt tot 75 Volt.


08-01-2017