3.9. Стабилитроны

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-п-пе­рехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запи­рающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой р-п-перехода. Электрический пробой, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых разрушений структуры вещества. Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут, существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: туннельный и лавинный.

Туннельный пробой (пробой Зинера) объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при сильном поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в р-п-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. На­пряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет удар­ной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным элек­трическим полем. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Вольт-амперная характеристика полупро­водниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у крем­ниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т.е. в режиме стабилизации, он получается таким же, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.

На рис. 3.13 приведена типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характери­стика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рис. 3.13. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона при обратном ток

Кремниевые стабилитроны могут быть изго­товлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзи­сторных устройств.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются следующие величины. Напряжение стабилизации U_СТ может быть от 3,3 до 200 В, изменение тока стабилитрона от I_min до I_mах состав­ляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р рассеиваемая в стабилитроне,— от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференци­альное сопротивление r_ст = ∆U_ст/∆I_ст в режиме стабилизации может быть от десятых долей ома для низковольтных более мощных стабилитронов до 100 - 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны неболь­шой мощности имеют сопротивление r_ст, равное единицам и десяткам ом. Чем мень­ше r_ст, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы r_ст = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R_стат = U_ст/I_ст. Сопротивление R_стат всегда во много раз больше r_ст. Влияние температуры оце­нивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который представляет собой относительное изменение напряжения U_СТ при изменении тем­пературы на один градус, т. е.

α_ст = TКН = . (3.15)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полу­проводника. Стабилитроны на напряжения до 3.3 — 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п-р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то п-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавин­ным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рис. 3.14. Нагрузка включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабили­зации, когда напряжение на стабилитроне остается почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резисто­ром R_огр.

Рис. 3.14. Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_H постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_orp должно быть вполне определенным. Обычно R_oгp рассчитывают для средней точки Q характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до Е_mах, то можно R_огр найти по следующей формуле :

R_огр = (U_ср – U_ст)/(I_ст + I_Н), (3.16)

где E_ср = 0,5(E_min + E_max) — среднее напряжение источника; I_ст = 0,5 (I_min + I_max) -средний ток стабилитрона; I_Н = U_ст/R_Н — ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным.

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации К_ст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рис. 3.14 можно написать:

K_ст = (∆E/E)/(∆U_ст/U_ст) = (3.17)

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_oгp. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_aгp, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е = const, R_H изменяется в пределах от R_Hmin до R_Hmax. Поскольку R_огp постоянно и падение напряжения на нем, равное Е — U_СТ, также постоянно, то и ток в R_oгp, равный (I_ст + I_Н), должен быть постоянным. Но это возможно только в том случае, если ток стабилитрона I_ст и ток 1_H изменяются в оди­наковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_H увеличи­вается, то ток I_ст на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.