Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений; их работа основана на использовании явления электрического пробоя р-n-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 (сравнительно высокоомных) пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для создания р-n-переходов стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряжение р-n-перехода значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в р-n-переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее электрический пробой р-n-перехода. В режиме пробоя нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

В качестве примера на рис. 1.15,а приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона Д814Г при различных температурах. На рис. 1.15, б показано условное обозначение стабилитронов в принципиальных схемах.

Основные параметры стабилитронов:

напряжение стабилизации - падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации;

максимальный ток стабилизации ;

минимальный ток. стабилизации ;

дифференциальное сопротивление , которое определяется при заданном значении тока на участке пробоя как ;

температурный коэффициент напряжения стабилизации — относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на :

.

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10-20%. Это объясняется тем, что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков, на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, дифференциальное сопротивление стабилитрона близко к значению собственного сопротивления базы .

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей. Поэтому в стабилитроне инерционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей. Включение полупроводниковых стабилитронов в схему стабилизации выходного напряжения показано на рис. 1.15, в. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и на нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R. Другими словами, почти все приращение напряжения питания падает на резисторе R, а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

Туннельные диоды

Туннельные диоды — это полупроводниковые приборы, вольт-амперная характеристика которых имеет участок с отрицательным сопротивлением.

На вольт-амперной характеристике туннельного диода (рис. 1.16, а) можно выделить три участка. Участок 0-1 соответствует напряжению U<U1, на котором ток определяется дрейфом носителей зарядов через р-n-переход. Участок 1-2, имеющий отрицательное сопротивление, характеризуется в основном туннельным током. Участок 2-3 характеризуется диффузионным током.

Для получения туннельных диодов используют материалы с очень высокой концентрацией примесей в р- и n-областях. В итоге энергетические уровни примесных атомов расщепляются в зоны, которые в свою очередь перекрываются с соответствующими основными зонами областей р и n. Как известно, такой полупроводник называют вырожденным. Уровни Ферми у него, как и в металле, располагаются в разрешенных зонах: в валентной зоне у области р и в зоне проводимости у области n. Энергетическая диаграмма такого р-n-перехода приведена на рис. 1.17, а.

Уровень Ферми для такого полупроводника даже при абсолютном нуле оказывается несколько выше дна зоны проводимости. Следовательно, при этой температуре возможно нахождение электронов в нижней части зоны проводимости и полупроводник при абсолютном нуле обладает некоторой электропроводностью. Поэтому приборы, в которых используются вырожденные полупроводники, могут работать при очень низких температурах. С другой стороны, когда все примесные уровни ионизированы, концентрация примесных носителей заряда оказывается очень высокой и мешающее действие электронов и дырок собственной электропроводности сказывается только при дальнейшем повышении температуры. Приборы, выполненные на основе вырожденных полупроводников, удовлетворительно работают при более высоких температурах.

Из зонной диаграммы видно, что нижняя часть зоны проводимости области n и верхняя часть валентной зоны области p разделены весьма узким запорным слоем. Если его ширина порядка 0,01 - 0,02 мкм, то носители заряда имеют возможность переходить в смежную область по «горизонтали» (как показано на диаграмме стрелками), не преодолевая потенциального барьера. Это явление обусловлено туннельным эффектом, поэтому диоды и называются туннельными.

При отсутствии приложенного напряжения потоки электронов, проходящие через р-n-переход, уравновешивают друг друга и ток отсутствует.

Если к диоду приложить внешнее напряжение обратной полярности (плюсом к слою n), то происходит увеличение степени перекрытия зон (рис. 1.17,б). В зоне проводимости полупроводника n-типа возрастает число свободных энергетических состояний. Поток электронов из области р в область n увеличивается. Обратный поток электронов остается почти

неизменным, так как с увеличением перекрытия зон концентрация свободных электронов в зоне проводимости полупроводника n-типа и концентрация дырок в валентной зоне полупроводника р-типа, на который возможен переход электронов, убывают и этот дополнительный переход будет незначительным. Кроме того, такому переходу препятствует имеющееся электрическое поле.

Следовательно, в этом случае результирующий ток, обусловленный разностью потоков электронов, будет протекать из области n в область р.

Увеличение обратного напряжения приводит к сильному возрастанию тока, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны велика и даже небольшое увеличение перекрытия существенно изменяет поток электронов из слоя p в слой n.

Если к диоду приложить небольшое прямое напряжение, то поток электронов из области р в n сильно убывает, а их обратный поток до определенного значения напряжения изменяется мало. При этом результирующий ток протекает из области р в область n и возрастает при небольшом увеличении напряжения. Граница этого участка (точка 1 на вольт-амперной характеристике) соответствует равенству энергий потолка валентной зоны и квазиуровня Ферми (рис. 1.17,в).

При дальнейшем увеличении приложенного напряжения поток электронов из области n в область р убывает (рис. 1.17, г) и на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок. Конец падающего участка соответствует такому напряжению, при котором дно зоны проводимости полупроводника n-типа и потолок валентной зоны полупроводника р-типа совпадают. Это соответствует точке 2 вольт-амперной характеристики.

Если приложенное напряжение продолжать увеличивать (рис. 1.17, д), то запрещенная зона становится «сквозной» и туннельный эффект исчезает. Ток снова увеличивается, но уже за счет обычного механизма - преодоления электронами потенциального барьера.

Основные параметры туннельных диодов:

ток максимума , соответствующий пику вольт-амперной характеристики;

ток минимума , соответствующий минимуму этой характеристики;

напряжение пика , соответствующее току максимума;

напряжение , соответствующее току минимума;

прямой максимальный ток (на правой ветви характеристики);

напряжение, соответствующее прямому максимальному току;

постоянное обратное напряжение - напряжение при предельном обратном токе;

емкость диода.

Туннельные диоды используют в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия и простых малогабаритных автогенераторах. Электронные цепи, в которых используются туннельные диоды, могут работать до частот порядка 1000 МГц.

Интересной разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность — это практическое отсутствие участка с отрицательным сопротивлением на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 1.18). В этом диоде прямую ветвь можно считать обратной (пунктир) и наоборот. Обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем обычные диоды, и может быть применен для выпрямления малых напряжений. Значения обратного напряжения тоже малы.