Кремниевый стабилитрон

В этом диоде применяется электрический неразрушающий пробой p-n перехода, который возникает при обратных напряжениях. Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Для лавинного пробоя требуется обратное напряжение более 6- 8-и Вольт (8-150 В), для туннельного – до 6-8 Вольт. Рассмотрим механизм лавинного пробоя. На рис. 14 показан p-n переход при обратном напряжении.

Рис.14. Процессы в p-n переходе при обратном напряжении

Неосновной носитель p- области, электрон , в p-n переходе попадает в сильное электрическое поле и набирает большую кинетическую энергию. При ударении в нейтральный атом кристаллической решетки происходит его ионизация. В результате образуются свободные носители, отрицательные электроны и положительный ион . Вновь образованные электроны ускоряются электрическим полем, набирают достаточную для ионизации энергию и «раскалывают» нейтральный атом. Таким образом, происходит лавинное размножение носителей, лавинная ионизация, которая оценивается коэффициентом лавинного размножения M=n1- число вышедших из перехода электронов/n2 – число вошедших в переход электронов, М>1. Такое же поведение и у дырочных носителей вошедших в переход.

Туннельный пробой наступает переходах малой толщины Δ, что будет при высокой концентрации примеси. Энергетическая диаграмма p-n перехода для этого случая при обратном напряжении показана на рис. 14.

Рис. 14 Энергетическая диаграмма p-n перехода при больших концентрациях

Примесей

Ее особенности таковы.

- обратное напряжение привело к увеличению энергетического барьера на переходе.

- Высокая концентрация примесей образовала энергетические примесные зоны.

- Напротив валентной зоны p-области расположилась зона проводимости n-области.

При перечисленных условиях электроны могут не меняя своей энергии переходить из валентной зоны p в зону проводимости n. Это туннелирование электронов, которое и происходит при пробое. На практике процесс нарастания обратного тока происходит резко, в то время как при лавинном пробое увеличение идет постепенно. Вольт-амперная характеристика стабилитрона показана на рис. 15.

Необходимо заметить, что при больших токах оба электрические пробоя заканчиваются тепловым разрушением перехода, тепловым пробоем.

Туннельный пробой

тепловой

пробой

I_обр.

Рис. 16 Пробои p-n перехода

На рис. 17 отдельно показана вольт-амперная характеристика стабилитрона и по ней введены параметры рабочей ветви.

Рис. 17 ВАХ кремниевого стабилитрона

- U_ст – напряжение стабилизации.

- I_ст max – максимальный ток стабилизации.

- R_ст – статическое сопротивление рабочего участка, R_ст = U_ст / I_ст.

- R_дин – динамическое сопротивление рабочего участка R_дин = ΔU_ст / ΔI_ст .

- ТКН – температурный коэффициент напряжения. Показывает, как изменяется напряжение стабилизации от изменения температуры, ТКН= ΔU_ст/ U_стT, где Т – абсолютная температура.

На рис. 18 показана схема стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы называются параметрические, то - есть в них используются параметры ВАХ.

.

Рис. 18 Схема стабилизатора напряжений.

Назначение элементов в схеме следующее. R₂ – сопротивление нагрузки,

R ₁ – сопротивление, ограничивающее ток и предотвращающее тепловой пробой, VD1 – кремниевый стабилитрон. Основная характеристика стабилизатора Uвых=F(Uвх), ее вид изображен на рис. 19.

Рис. 19 Характеристика стабилизатора

Качество стабилизатора определяется коэффициентом стабилизации, который равен отношению относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного, Kст = (ΔUвх/Uвх)/( ΔUвых/Uвых). Чем больше этот коэффициент, тем выше качество стабилизатора. Обычно Кст=10-30. Полезно запомнить следующее.

- Стабилитрон не включается без ограничительного балластного сопротивления (R1 на рис.18).

- Для увеличения напряжения стабилизации допускается последовательное включение стабилитронов.

- Параллельное включение бессмысленно, т.к. у них большой разброс параметров и первый открывшийся стабилитрон не допустит открывание второго.