Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

Напряжение на обратной ветви ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – УГО стабилитрона и его вольтамперная характеристика

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации U_ст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I_{ст min}...I_{ст max}, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизации U_ст незначительно зависит от тока I_ст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.

В общем случае U_ст определяется шириной запирающего слоя p-n-перехода, то есть концентрацией примесей в полупроводнике. В случае большой концентрации примеси p-n-переход получается тонким, и в нем даже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину, и лавинный пробой наступает раньше. Иногда помимо напряжения стабилизации нормируется разброс величины напряжения стабилизации ΔU_{ст ном}, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.

2. минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min}.

При малых обратных токах стабилитрон работает на начальном участке вольтамперной характеристики, где значение обратного напряжения неустойчиво и может колебаться в пределах от 0 до U_ст. Величина минимально допустимого тока стабилизации I_{ст min} задает минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации U_ст.

3. максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max}.

Максимально допустимый ток стабилизации – это максимальный ток, при котором гарантируется надежная работа стабилитрона. Он определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью прибора. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения I_{ст max} во избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I_{ст ном}.

6. динамическое (дифференциальное) сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:

. (8)

Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона R_ст в данной рабочей точке характеризует омические потери:

. (9)

8. коэффициент качества стабилитрона:

. (10)

Коэффициент качества представляет собой отношение относительного изменения напряжения на стабилитроне к относительному изменению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше Q.

9. температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_Uст показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации:

,[%/°С]. (11)

В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает из-за уменьшения ширины запрещённой зоны. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН.

Минимальный ТКН имеют кремниевые стабилитроны с напряжением пробоя 5-7 В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.

Путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить прецизионные стабилитроны с ТКН не более 0,0005 %/°C в широком диапазоне температур.