Полупроводниковый стабилитрон
Полупроводниковый стабилитрон – это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Состояние пробоя не ведет к порче стабилитрона, а является его нормальным рабочим состоянием.
Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n -перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой.
Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения.
Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.
Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности.
Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.
Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.
Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона
Напряжение на обратной ветви ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 – УГО стабилитрона и его вольтамперная характеристика
|
Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U стлишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.
Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:
1. напряжение стабилизации U ст.
Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I ст min ... I ст max , называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизации U стнезначительно зависит от тока I ст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.
В общем случае U стопределяется шириной запирающего слоя p-n -перехода, то есть концентрацией примесей в полупроводнике. В случае большой концентрации примеси p-n -переход получается тонким, и в нем даже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n -переход имеет значительную ширину, и лавинный пробой наступает раньше. Иногда помимо напряжения стабилизации нормируется разброс величины напряжения стабилизации Δ U ст ном, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.
2. минимально допустимый ток стабилизации I ст min .
При малых обратных токах стабилитрон работает на начальном участке вольтамперной характеристики, где значение обратного напряжения неустойчиво и может колебаться в пределах от 0 до U ст. Величина минимально допустимого тока стабилизации I ст min задает минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n -перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации U ст.
3. максимально допустимый ток стабилизации I ст max .
Максимально допустимый ток стабилизации – это максимальный ток, при котором гарантируется надежная работа стабилитрона. Он определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью прибора. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения I ст max во избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.
4. номинальный ток стабилизации:
5. номинальное напряжение стабилизации U ст ном– падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I ст ном.
6. динамическое (дифференциальное) сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:
Чем меньше r д, тем лучше стабилизация напряжения.
7. статическое сопротивление стабилитрона R ств данной рабочей точке характеризует омические потери:
8. коэффициент качества стабилитрона:
Коэффициент качества представляет собой отношение относительного изменения напряжения на стабилитроне к относительному изменению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше Q.
9. температурный коэффициент напряжения стабилизации.
Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации:
В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает из-за уменьшения ширины запрещённой зоны. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.
В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН.
Минимальный ТКН имеют кремниевые стабилитроны с напряжением пробоя 5-7 В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.
Путем последовательного соединения двух или более p-n -переходов с различными по знаку ТКН удается получить прецизионные стабилитроны с ТКН не более 0,0005 %/°C в широком диапазоне температур.