Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя - перехода при включении диода в обратном направлении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для - перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в - переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в - переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме электрический пробой не переходит в тепловой.

Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового, и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рисунке 1.9.

 

Рисунок 1.9- Условное обозначение (а);

вольт-амперная характеристика стабилитрона (b)

 

В точке, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50-100 мкА. После этой точки ток резко возрастает, и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния :

 

. (1.7)

 

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу стабилитрона из строя.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя - перехода, зависит от концентрации примесей в - структуре и лежит в пределах 4 - 200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики

(от до ) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона:

 

. (1.8)

 

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7 - 15 В и большой рабочий ток.

Кроме перечисленных выше, к параметрам стабилитрона относится температурный коэффициент напряжения ТКН, показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:

 

. (1.9)

 

Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом напряжения ( ≈ 10^-3 К^-1). Более высокой температурной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны (рисунок 1.10,а ), в которых последовательно соединены несколько - переходов. Один из них - стабилизирующий - включен в обратном направлении, другие - термокомпенсирующие - включены в прямом направлении.

 

Рисунок 1.10 - Структура прецизионного стабилитрона с термокомпенсирующими переходами (а); условное обозначение двуханодного диода (b)

 

При повышении температуры напряжение на стабилизирующем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах – уменьшается; их количество можно подобрать так, что, результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэффициент получается около

10^-5 К^-1.

Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны (рисунок 1.10, b), которые имеют симметричную вольт-амперную характеристику. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два -перехода, включенных встречно. Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные, «быстрые» стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10^-11 с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве искробезопасного барьера, который предотвращает попадание высокого напряжения в зону повышенной взрывоопасности.

Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Отличительной особенностью стабисторов, по сравнению со стабилитронами, является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны прямой ветви вольт-амперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина - перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт.