Исследование полупроводникового стабилитрона

Кремниевый стабилитрон - это сплавной кремниевый диод, используемый для стабилизации напряжения, фиксации его уровня. Их так же называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.

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 изменением обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, то есть в режиме стабилизации, он получается таким же, как и прямой ток. Таким образом, рабочим участком стабилитрона служит часть вольт - амперной характеристики, соответствующая лавинообразному нарастанию обратного тока.

На рис. 3.1. показана типичная вольт - амперная характеристика стабилитрона при обратном токе из которой видно, что в режиме стабилизации напряжения меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рис. 3.1. Рабочая часть ВАХ стабилитрона.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются следующие величины:

· Напряжение стабилизации U ст, которое может изменятся в пределах от 5 до 200 В

· Максимальный ток стабилизации и I ст. макс Который может составлять
десятки и даже сотни миллиампер.

· Максимально допустимая мощность рассеяния Р макс, значение которой может
находиться в пределах от милливатт до единиц ватт.

· Дифференциальное сопротивление в рабочей точке (при среднем значении тока стабилизации). Качество стабилитрона оценивается по величине его дифференциального сопротивления. При этом чем оно меньше, тем лучше. Так как Rd является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, то есть сопротивлением постоянному току. Сопротивление постоянному току R0 = U / I в рабочей точке.
Сопротивление R0 всегда во много раз больше Rd.

Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который представляет собой относительное изменение напряжения Uст при изменении температуры на один градус Цельсии, то есть

ТКН =A Uст /(Uст· AT)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1 Значения U ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника.

Стабилитроны в соответствии с величинами U ст и Р макс подразделяются на низковольтные и высоковольтные, маломощные, средней мощности и мощные. Дня низковольтных диодов (U ст<6В), рабочий участок которых определяется полевым пробоем, ТКН отрицателен и имеет величину порядка 0.1% на один градус Цельсии. Высоковольтных диодах средней и большой мощности наблюдается электрический пробой, их ТКН положителен.

Стабилитроны на напряжение до 6-7 В изготавливают из кремния с малым удельным сопротивлением, то есть с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах р - п - 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 р - п - переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. А для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема включения стабилитрона.

Нагрузка включена параллельно стабилитрону. Потому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона является почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника питания Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R огр.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R огр должно быть вполне определенным. Обычно R огр рассчитывают для средней точки Г характеристики стабилитронов. Если напряжение меняется от - Е1 до + E2, то R огр можно найти по следующей формуле:

Roгp = (Ecp-Ucт)/(Icp+Iн),

где Е ср = 0.5 (Е мин + Е макс) - среднее напряжение источника;

I ср = 0.5 (Iмин + Iмакс) - средний ток стабилитрона;

I н = Uст/Rн -ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или иную сторону, то будет изменяться ток стабилизации, но напряжение на нем, а следовательно и напряжение на нагрузке, остается почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равно Е макс - Е мин должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т.е. I макс - I мин. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔE, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

АЕ <( I макс - I мин) R огр.

Стабилизация в более широком диапазоне изменений Е возможна при увеличении R огр. Большее R огр соответствует меньшим Iн, то есть большим Rh. Повышение Е так же дает увеличение R огр. Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рис. 3.3.) Второй возможный режим стабилизации

Рис. 3.3. Второй режим работы стабилитрона.

Применяется в том случае, когда Е = const, a R н изменяется в пределах от R н мин до R н макс. Для такого режима R огр можно определить по средним значениям токов по формуле:

Rогр=(E-Uст)/(Iср+Iн ср),

где:

Iн ср=0,5(Iмин+Iн макс), здесь Iн мин=Uст/Rн макс,

Iн макс=Uст / Rн мин

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так: Поскольку R огр постоянно и падение напряжения на нем, равное Е - U ст так же постоянно, то и ток в R огр равный Iср +I н ср должен быть постоянным. Но это возможно в том случае, если ток стабилитрона I и ток I н изменяется в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.