Стабилитроны и стабисторы

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, в котором из-за электрического пробоя p-n перехода напряжение на нём сохраняется постоянным при значительном изменении тока. В последнее время распространилось большое количество переводной литературы, в которой стабилитроны называют диодами Зенера. Полупроводниковые стабилитроны обычно применяются для создания опорного напряжения в компенсационных или параметрических стабилизаторах. Ещё одним применением стабилитронов в настоящее время стала защита входных цепей радиоаппаратуры от мощных импульсных помех. Типовая вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Несмотря на то, что эта вольтамперная характеристика похожа на ВАХ любого полупроводникового диода, благодаря технологическим особенностям производства стабилитронов удается получить лучшие параметры стабилизаторов по сравнению с обычным полупроводниковым диодом. Стабильность выходного напряжения ΔU при изменении тока, протекающего через стабилитрон, зависит от его дифференциального сопротивления. Дифференциальное напряжение стабилитрона можно определить по его вольтамперной характеристике, как это показано на рисунке 1.

Формула вычисления дифференциального сопротивления стабилитрона

, (1)

Дифференциальное сопротивление уменьшается при росте тока, протекающего через стабилитрон. При этом дифференциальное сопротивление зависит и от напряжения стабилизации, на которое разработан данный стабилитрон. Пример зависимости дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения и тока стабилизации приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения и тока стабилизации

Напряжение стабилизации стабилитрона зависит от концентрации примесей p-n перехода, на основе которого изготавливаются полупроводниковые стабилитроны. Следует отметить, что в зависимости от степени легирования полупроводникового материала, пробой p-n перехода будет либо лавинным, либо туннельным.

Лавинный пробой p-n перехода наступает при концентрации примесей в кремнии меньше 10¹⁷см⁻³. Обратное напряжение, приложенное к стабилитрону должно быть достаточным, чтобы электроны разогнались до такой скорости, что начинали выбивать из атомов дополнительные электроны. При этом одновременно образуются "дырки". Процесс развивается лавинообразно. При этом необходимо следить, чтобы ток через стабилитрон не превысил значение, которое может привести к тепловому пробою.

Туннельный пробой возникает при концентрации примесей в кремнии от 10¹⁷см⁻³ до 10¹⁸см⁻³. При этом толщина p-n перехода становится настолько узкой, что возникает эффект туннельного перехода электронов. Это явление иллюстрируется зонной диаграммой обратно смещенного p-n перехода, приведённой на рисунке 3.

зонная диаграмма обратно смещенного p-n перехода

Рисунок 3. Перекрытие энергетических зон обратносмещённого p-n перехода

Так как толщина p-n перехода при такой концентрации примесей очень мала, то обратное напряжение стабилитрона, при котором возникает туннельный пробой меньше 4,5 В. При концентрации примесей более 10¹⁹см⁻³ диод уже превращается в туннельный диод. Вид вольтамперных характеристик при лавинном и туннельном пробое стабилитрона приведён на рисунке 4.

Рисунок 4. Вид вольтамперных характеристик при лавинном и туннельном пробое

Граница между лавинным и туннельным пробоем соответствует напряжению стабилизации примерно 5,5 В. При напряжении стабилизации меньше 4,5 В, в стабилитроне пробой наступает за счет туннельного пробоя. При напряжении стабилизации больше 7 В пробой наступает за счет лавинного пробоя, а при напряжениях стабилизации от 4,5 В до 7 В в пробое участвуют как лавинный, так и туннельный механизм.

Кроме стабильности напряжения в зависимости от протекающего тока, определяемым дифференциальным сопротивлением, важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент изменения напряжения — ТКН.

Формула вычисления температурного коэффициента изменения напряжения стабилитрона

, (2)

Следует отметить, что температурный коэффициент изменения напряжения при туннельном пробое отрицательный, а при лавинном пробое — положительный. Поэтому при напряжениях стабилизации около 5,6 В, где присутствуют и лавинный и туннельный пробой, удаётся создать прецизионные стабилитроны с очень малыми значениями температурного коэффициента изменения напряжения.

Обратите внимание, что в стабилитронах с подобным напряжением пробоя существует точка нулевого ТКН. Правда, она индивидуальна для каждого стабилитрона. Поставив генератор тока, формирующий ток, соответствующий точке нулевого ТКН, можно добиться высокой стабильности напряжения. Иллюстрация точки нулевого ТКН показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Точка нулевого ТКН в стабилитроне

Дополнительно температурный коэффициент напряжения удается снизить в термокомпенсированных стабилитронах. В них стабилитроны включаются встречно-последовательно. В результате взаимной компенсации ухода напряжения в прямой ветви ВАХ p-n перехода и обратной ветви ВАХ стабилитрона удается получить ТКН порядка 0,0005 %/°C (5 ppm/°C).

Рисунок 6. Принцип работы термокомпенсированного стабилитрона

Условно-графическое обозначение термокомпенсированного стабилитрона приведено на рисунке 7.

УГО термокомпенсированного полупроводникового стабилитрона

Рисунок 7. Условно-графическое обозначение термокомпенсированного стабилитрона

Как видно из вольтамперной характеристики, приведённой на рисунках 1 и 4, для правильной работы стабилитрон должен подключаться в обратном направлении. При этом его ток подбирается таким образом, чтобы при изменении тока нагрузки напряжение на ней не изменялось. Промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации U_cт от 3,3 до 180 В. Классическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

В термокомпенсированных стабилитронах полярность можно не соблюдать, так как они представляют собой встречно включенные стабилитроны. В них токи стабилизации в зависимости от модели электронного прибора могут составлять от 0,5 мА до 1,4 А. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на термокомпенсированном стабилитроне приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Cхема стабилизатора напряжения на термокомпенсированном стабилитроне

Стабилизация напряжения за счет пробоя p-n перехода возможна при относительно больших напряжениях. Обычно больше 3,3 В. Стабисторы, в отличие от стабилитронов, создают стабильное напряжение на прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода.

Стабистор — это полупроводниковый прибор, в котором формирование стабильного напряжения производится на прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода. Пример ВАХ стабистора приведён на рисунке 10.

Рисунок 10. Вольтамперная характеристика стабистора

В этом случае напряжение стабилизации составляет 0,7 ... 1,9 В. Это такие отечественные полупроводниковые приборы как КС107А на напряжение 0,7 В, КС113А на напряжение 1,3 В, КС119А на напряжение 1,9 В. Принципиальная схема включения стабистора в параметрическом стабилизаторе напряжения приведена на рисунке 11.

Принципиальая схема включения стабистора

Рисунок 11. Cхема стабилизатора напряжения на стабисторе

Дата последнего обновления файла 18.08.2024

Вместе со статьей "Стабилитроны и стабисторы" читают: