2.1. Общие сведения
При равномерном распределении тока лавинного пробоя по площади р–n-перехода полупроводниковый прибор способен пропустить значительный обратный ток без его повреждения. Это явление используется в диодах малой мощности, получивших название кремниевых стабилитронов или опорных диодов. Стабилитрон имеет схемное обозначение (рис. 2.1). При изготовлении стабилитронов наиболее широко используются сплавной и диффузионный методы (подразд. 1.4) получения р–n-перехода. Исходным материалом при изготовлении стабилитронов служит пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р–n-переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус. |
Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратному электрическому пробою р–n-перехода. Лавинный механизм электрического пробоя р–n-перехода наблюдается как у кремниевых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, сопровождающее эти процессы, приводит для германия к дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину лавинного пробоя. В этой связи в качестве исходного материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.
2.2. Вольт -амперная характеристика стабилитрона
Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольт-амперная характеристика (рис. 2.2).
В прямом включении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь характеристики имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Благодаря этому при изменении в широких пределах обратного тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов позволяет использовать их в качестве стабилизаторов. Поскольку электрический пробой стабилитрона наступает при сравнительно низком обратном напряжении, то мощность, выделяющаяся в р–n-переходе даже при значительных обратных токах, будет небольшой, что предохраняет р–n-переход от необратимого теплового пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.
2.3. Основные параметры стабилитрона Основные параметры кремниевых стабилитронов. Напряжение стабилизации – значение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации . Этим значениям соответствует рабочая точка на обратной ветви ВАХ. Минимальный ток стабилизации – ток, при котором возникает устойчивый лавинный пробой и обеспечивается заданная надежность работы. Этому значению тока соответствует точка на рис. 2.2. |
Максимально допустимый ток стабилизации – ток, при котором достигается максимально допустимая мощность рассеивания . Это значение тока показано буквой на рис. 2.2.
Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации
. (2.1)
Величина характеризует степень постоянства напряжения стабилизации при изменении тока пробоя и определяется из построений, приведенных на рис. 2.3. Максимальная мощность рассеивания – наибольшая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды, %/°С,
. (2.2) |
Величина показывает на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 °С.
Важнейшие параметры стабилитрона соответствуют рабочей точке вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 2.2). Обычно точка располагается на середине рабочего участка обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона.
В качестве примера в табл. 2.1 приведены основные параметры стабилитрона Д814Д, используемого в цепях стабилизации блоков управления электровозов.
Таблица 2.1
Основные параметры стабилитрона Д814Д
, В |
мА |
мВт |
, Ом |
, %/°С |
||||
мА |
мА |
|||||||
13 |
5 |
340 |
11,5 |
14 |
18 |
9,5 |
3 |
24 |
2.4. Параметрический стабилизатор напряжения
Наиболее распространенная схема стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне приведена на рис. 2.4.
Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора и стабилитрона. При изменении питающего напряжения напряжение на стабилитроне и соответственно на сопротивлении нагрузки изменяется незначительно, в чем и выражается стабилизирующее действие схемы. Из рисунка следует, что стабилитрон включен на обратное напряжение, которое поступает на вход схемы. С помощью резистора устанавливается рабочий режим стабилитрона, т. е. такой режим, когда при холостом ходе (отключении ) в цепи стабилитрона протекает ток , которому соответствует напряжение стабилизации (точка на рис. 2.2). Для повышения температурной стабильности работы схемы стабилизатора последовательно со стабилитроном включают в прямом направлении дополнительный диод . С повышением температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде , а на обратно включенном р–n-переходе стабилитрона – возрастает. . |
При колебаниях температуры напряжения на стабилитроне и диоде изменяются с различными знаками, так как ТКН стабилитрона положителен, а германиевого диода – отрицателен. За счет такой компенсации напряжений обеспечивается температурная стабильность схемы. В схеме рис. 2.4 могут использоваться диоды Д7А–Д7Г, Д310, Д311, Д18, Д9А–Д9Г.
Вместе с тем схема (рис. 2.4) может обеспечивать стабилизацию напряжения маломощной нагрузки с током, не превышающим 20 % тока стабилизации стабилитрона . Поэтому такая схема используется, как правило, в качестве источника опорного напряжения в других типах стабилизаторов напряжения.
2.5. Стабисторы
Стабисторы – полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. В полупроводниковых стабисторахиспользуют кремний с относительно большой концентрацией примесей. В отличие от стабилитронов, стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (кремниевые стабисторы – около 0,7 В, а германиевые – 0,4 В).
Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, а их максимальные значения тока, мощности и тепловые параметры аналогичны тем, которые имеют выпрямительные диоды.
2.6. Маркировка стабилитронов
Современная маркировка кремниевых стабилитронов состоит из нескольких позиций. Первая буква в обозначении указывает на исходный материал (кремний), из которого изготовлен стабилитрон. Вторая буква указывает на тип полупроводникового прибора – стабилитрон. Следующие три цифры маркировки косвенно указывают величину напряжения стабилизации . Последняя бука указывает на принадлежность стабилитрона к группе. В качестве примера в табл. 2.2 приведены маркировки и параметры соответствующих стабилитронов, которые получили наибольшее распространение в схемах питания интегральных микросхем.
Таблица 2.2
Маркировки и параметры стабилитронов
Тип |
, мА |
, мА |
, В |
, Вт |
КС147А КС447А КС456А |
3 3 3 3 |
58 55 159 139 |
4,2…5,2 5,0…6,2 4,0…5,3 4,8…6,2 |
0,3 0,3 1,0 1,0 |
Как следует из таблицы, средние значения напряжения стабилизации стабилитронов соответствуют двум последним цифрам их маркировки.
Кроме указанного способа обозначений, используются и другие способы маркировки стабилитронов, например, Д814Д (подразд. 2.3).