6. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

С табилитроны работают в режиме электрического пробоя. Под действием сильного поля в области р-n - перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ кремниевого диода в области пробоя (рис. 9) используют для стабилизации напряжения, а также фиксации уровней напряжений в схемах, отсюда другое название кремниевых стабилитронов – опорные диоды.

Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, может изменяться в широких пределах – от 3,5 до 400 В и выше в зависимости от удельного сопротивления кремния. На рис. 9 приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона с указанием минимального и максимального тока стабилизации.

Основные параметры стабилитронов; напряжение стабилизации U_ст, динамическое сопротивление r_дин= dU_ст/dI_ст, при номинальном токе стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации _ст = (dU_ст/dТ) при номинальном токе стабилизации I_ст = const.

Так как реальная ВАХ в области пробоя имеет некоторый наклон, то напряжение стабилизации зависит от тока стабилизации I_ст. Максимальный ток стабилизации I_ст.мах ограничен допустимой мощностью рассеяния Р_мах и возможностью перехода электрического пробоя в тепловой, который является необратимым. Минимальный ток стабилизации I_ст.min соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших токах в диоде возникают значительные шумы, происхождение которых связано с механизмом лавинного пробоя (шумы в предпробойной области используются в специальных приборах – полупроводниковых генераторах шума). Динамическое сопротивление r_дин характеризует качество стабилизации и определяется углом наклона ВАХ в области пробоя (оно возрастает с ростом напряжения стабилизации). Важным параметром стабилитрона является _ст. Зависимость _ст от напряжения стабилизации U_ст приведена на рис.10. Как в идно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов _ст > 0, а для низковольтных _ст < 0. Это объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника. Изменение знака ТКН происходит при концентрации примеси в кремнии около 5·10¹⁷см^-3. При U_ст ≈ 8 В коэффициент _ст минимальный.

Один из способов уменьшения U_ст заключается в последовательном соединении переходов с равными по значению, но противоположными по знаку температурными коэффициентами напряжения стабилизации. Если переход стабилитрона имеет значение _ст, равное 6 мВ/К, то при сборке последовательно с ним подсоединяют три р-n - перехода, которые будут работать в прямом направлении, так как для прямого направления температурный коэффициент напряжения диода ТКН= −2 мВ/К. Такие термокомпенсированные стабилитроны с _ст = 0,5∙мВ/К и менее применяются в источниках эталонного напряжения.

Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрямительных диодов, выбор типа корпуса связан с мощностью рассеяния.

Разновидностью кремниевых стабилитронов являются стабисторы. В этих диодах для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используется прямая ветвь ВАХ р-n - перехода. Для изготовления стабисторов используется сильнолегированный кремний, что позволяет получать меньшие значения сопротивления базы диода. Температурный коэффициент стабилизации стабисторов отрицательный и примерно равен –2 мВ/К.