кремнивые стабилитроны

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

мА

мВт

Ом

%/°С

мА

340

11,5

9,5

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.