Полупроводниковым стабилитроном называется Si диод, работающий в режиме электронного пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения.

Стабилитроны изготавливаются по особой технологии из кремния с низким удельным сопротивлением. Структура стабилитрона аналогична диоду (рис.1.1).

Если p-n-переход смещен в прямом направлении, характеристика стабилитрона похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.1.6).

Начиная с напряжения Uст стабилитрон работает в режиме электроческого (лавинного или туннельного) пробоя, в этом случае обратная ветвь характеристики (рис.1.6) почти параллельна оси токов I_обр. Если балластным сопротивлением ограничить величину обратного тока, то такой участок характеристики можно использовать для стабилизации напряжения на нагрузке. Нап­ряжение на рабочем участке характеристики ВА называется напряжением стабилизации. При значительном изменении тока (от минимального до максимального) напряжение стабилизации изменяется незначитель­но.

Изменения напряжения стабилизации определяются динамическим сопротивлением стабилитрона, которые обычно составляют единицы-десятки Ом:

R_д = DU_ст / DI_ст , (1.3)

где DU_ст – приращение напряжения на участке стабилизации; DI_ст - приращение тока на участке стабилизации.

Кроме низкого динамического сопротивления, кремниевые стабилитроны имеют ещё ряд преимуществ: малые габариты и вес, хорошую повторяемость величины напряжения стабилизации U_ст. Важной характеристикой стабилитрона является коэффициент стабили­зации:

∆U_ВХ ∕ U_ВХ

k_ст = —————— , (1.4)

∆U_СТ ∕ U_СТ

Величины Uвх, DUвх, Uст, DUст определяются из зависимости Uст = f(Uвх) (рис.1.7) на рабочем участке.

Применение Si в качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов объясняется малым значением и слабой зависимостью от температуры I_обр. у Si диодов.Поскольку электронный пробой в диоде имеет место при U_обр., последнее является рабочим напряжением для стабилитрона.

На рис. 8а показана ВАХ Si стабилитрона, а на рис. 8б – схема стабилизации напряжения с помощью стабилитрона.

Точка 1 соответствует минимальному значению тока, при котором обеспечивается режим (стабилизации) электронного пробоя. Точка 3 соответствует максимально допустимой мощности, рассеиваемой диодом при обратном включение. Схема стабилизации рассчитывается так, чтобы при номинальном входном напряжении U_вх. через сопротивление нагрузки R_н. протекал требуемый ток, при котором напряжение на нагрузке и стабилитроне было равно напряжению стабилизации U_ст, а ток, протекающий через стабилитрон, равен I_ст.ср. (точка 2). Процесс стабилизации напряжения на нагрузке протекает следующим образом. Если, например, U_вх. повышается, то R_VD понижается, ток через него повышается, а U_VD (равное U_ст.) на нем и на нагрузке почти не изменится. Излишек напряжения гасится на балластном сопротивлении R_б.

R_б. = ( E_ср. – U_ст.) / (I_ср. + I_н)

где E_ср. = 0,5 (E_min +E_max) – среднее напряжение источника;

I_ср. = (I_min +I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н = U_ст. / R_н – ток нагрузки;

U_ст. стабилитрона зависит от удельного сопротивления базы (определяемого концентрацией примеси): чем больше удельное сопротивление базы, тем выше напряжение стабилизации. Промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации 3,3…180 В.

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_Б постоянно и падение напряжения на нем, равное E – U_ст., также постоянно, то и ток в R_Б, равный I_ср. + I_{н ср.}, должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_н повышается, то ток I на столько же понижается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанные на одинаковые токи (рис. 10).

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации k_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. 8б можно написать:

k_ст. =( ∆E / E ) / (∆U_ст. / U_ст.) = (∆U_вх. / U _вх.) / (∆U_вых. / U_вых)

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить k_ст., равный нескольким десяткам. При каскадном соединении общий k_ст. равен произведению k_ст. отдельных звеньев (ячеек):

k_ст. = k_{ст. 1} · k_{ст. 2} · ….

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_Б велики, особенно в схеме каскадного соединения.