3.2. Стабилитроны

Если ограничить ток при туннельном и лавинном пробое, не допуская перехода в тепловой, то его состояние может поддерживаться долго и воспроизводиться бесконечное число раз. Приборы, рабо­тающие в области туннельного и лавинного пробоя, называются стабили­тронами, а напряжение пробоя – напряжением стабилизации, поскольку стабилитроны используются главным образом для стабилизации напря­жения. Напряжение стабилизации зависит от полупроводникового мате­риала и технологии его обработки. Изготавливают стабилитроны в основ­ном из кремния. У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (3–4 В) возникает туннельный пробой. У стабилитронов с напряжением ста­билизации более 7 В (более высокоомный полупроводник) возникает ла­винный пробой. У стабилитронов с напряжением стабилизации 4–7 В имеет место одновременно туннельный и лавинный механизмы пробоя.

Основными параметрами стабилитронов являются: напряжение стаби­лизации , минимальный и максимальный токи стабилизации,, динамическое сопротивление, температурный коэффици­ент напряжения стабилизациипри.

Минимальный ток стабилизации ограничивается неустойчивостью со­стояния пробоя при малых токах, максимальный – мощностью, которую может рассеять переход.

У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя при малых токах на­блюдаются значительные шумы, которые объясняются тем, что состояние пробоя неустойчиво. Он то исчезает, то возникает вновь. При туннельном механизме пробоя шумы отсутствуют.

Динамическое сопротивление характеризует наклон ВАХ в режиме пробоя оси абсцисс. Типичные значения Ом.

Очень важным параметром является ТКН стабилитрона, характери­зующий температурную стабильность напряжения пробоя.

Знак температурного коэффициента напряжения стабилизации зависит от типа пробоя. При туннельном пробое знак ТКН отрицателен (с увеличе­нием температуры напряжение пробоя уменьшается), при лавинном – по­ложителен (рис. 3.3).

Объясняется это следующим образом. При воз­растании температуры несколько уменьшается ширина запрещенной зоны и поэтому облегчается туннельный переход валентных электронов в зону проводимости. Напря­жение туннельного пробоя умень­шается.

При лавинном пробое с увеличением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда. Чтобы они могли на меньшей длине приобрести энергию, достаточную для ионизации, необходимо уве­личить напряжение. Поэтому напряжение пробоя при этом механизме воз­растает с увеличением температуры.

Так как с увеличением температуры прямое падение напряжения на диоде уменьшается, то, соединив последовательно диод в прямом на­правлении и стабилитрон с лавинным механизмом пробоя, возможно осуществить термокомпенсацию напряжения стабилизации (рис. 3.4).

Такие стабилитроны имеют малый ТКН () и называются тер­мо­ком­пен­си­ро­ванными. Однако хорошая термокомпенсация возможна при определенном токе. Прямой ветвью ВАХ таких стабилитронов явля­ется ВАХ закрытого диода.

3.3. Параметрический стабилизатор напряжения

Основная область применения стабилитронов – параметрические ста­билизаторы напряжения. Схема такого стабилизатора изображена на рис. 3.5.

На нагрузке напряжение равно на­пряжению на стабилитроны. Так как в режиме пробоя напряжение на стабилитроне почти постоянно и равно напряжению стабилизации, то таким оно будет и на нагрузке. Вход­ное напряжениедолжно быть обязательно больше, чем. Разность междуигасится на балластном резисторе

или (3.1)

.

При изменении входного напряжения изменяются падение напряжения на балластном резисторе, ток через этот резистор и, следовательно, ток через стабилитрон. Напряжение на нагрузке остается практически не­измененным.

Пределы изменения входного напряжения, при которых возможна ста­билизация, определяются из (3.1):

; (3.2)

. (3.3)

Снизу этот предел ограничен неустойчивостью пробоя при малых то­ках, сверху – допустимой мощностью, рассеиваемой стабилитроном.

Основными параметрами стабилитрона являются коэффициент стаби­лизации и выходное сопротивление. Коэффициент стабилизации в общем случае определяется как

. (3.4)

Имея в виду, что в режиме пробоя стабилитрон имеет динамическое сопротивление , из схемы (рис. 3.5) находим

. (3.5)

Из (3.4) и (3.5) получаем

. (3.6)

Поскольку в практических случаях и , то

^{. (3.7)}

По поводу соотношения (3.7) следует заметить, что увеличение не приводит к существенному увеличению, так как при заданном токе че­рез стабилитрон одновременно необходимо увеличитьв соответствии с соотношением (3.1).

Если стабилизатор не обеспечивает требуемого коэффициента стаби­лизации, то его можно увеличить цепочечным включением двух или более стабилизаторов.

Выходное сопротивление стабилизатора можно определить как выход­ное сопротивление любого четырехполюсника: найти сопротивление отно­сительно выходных зажимов при и(при коротком замыка­нии на входе для малого сигнала).

Из рис. 3.5 видно, что

.(3.8)

Недостатком параметрического стабилизатора является малый кпд из-за потерь мощности на балластном резисторе. Поэтому он применяется только в маломощных источниках стабильного напряжения.