Стабилитронов и диодов Шоттки

Полупроводниковые стабилитроны – это диоды, применяемые для стабилизации напряжения и работающие в режиме электрического пробоя р-n-перехода. Они изготавливаются из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольтамперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения не пригодны, так как электрический пробой у них легко приобретает форму теплового пробоя и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис.1.

В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50 – 100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния Р_макс .

Допустимая рассеиваемая мощность определяется тепловым сопротивлением диода, допустимой температурой перехода и температурой окружающей среды.

В современных стабилитронах максимальный ток составляет от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение этого тока ведет к перегреву и порче диода.

Основным функциональным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации, определяемое при заданном токе. Оно зависит от концентрации примесей в p-n структуре и находится в пределах от 2В (2С124Д) до 400В (2С904АС1) и более. Ввиду разброса параметров (обычно ±10%) вместо номинального значения U_ст часто приводят в справочниках его возможные предельные значения.

Напряжение пробоя стабилитрона мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от I_{ст мин} до I_{ст макс}) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона.

.

Оно составляет от единиц до сотен ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим напряжение стабилизации 2 – 15 В и большой рабочий ток.

При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке R_н (рис.2). В неразветвленную часть цепи включают балластный резистор R.

Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения Е₀, то рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка, т.е.

При этом напряжение питания будет равно

.

Принцип стабилизации напряжения заключается в следующем. Пусть напряжение источника питания увеличилось вследствие нестабильности на величину DЕ. Общий ток, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон, возрастет. Происходит перераспределение падений напряжения на этих элементах. На стабилитроне, вследствие относительной вертикальности его характеристики, напряжение изменяется очень незначительно (DU_ст), а на балластном сопротивлении оно увеличивается заметно, компенсируя величину DE.

Уравнение нагрузочной характеристики можно представить в виде

.

Это уравнение прямой, проходящей через точки Е₀ и Е₀ /R.

Рабочая точка определяется пересечением вольт-амперной и нагрузочной характеристик. Как видно из рис. 1, при изменении величины напряжения питания на DЕ соответствующее изменение DU_ст будет очень малым.

Оценим влияние параметров на качество стабилизации напряжения при включенной нагрузке R_н. В этом случае

.

При изменении напряжения источника питания

.

Отсюда

.

Из полученного выражения видно, что для повышения качества стабилизации необходимы условия: R >> R_i и R >> R_н.

Однако чрезмерное увеличение сопротивления сопряжено с большой потерей мощности в нем и поэтому является невыгодным.

При использовании стабилитрона в прецизионных стабилизаторах необходимо учитывать, что напряжение стабилизации U_ст зависит от температуры. Температурный коэффициент напряжения стабилизации

лежит в пределах 0,1% на 1⁰С. Величина и знак зависят от напряжения стабилизации.

Для напряжений ниже 5В, соответствующих узким р-n-переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен (рис. 3). Для напряжений выше 5В, соответствующих более широким переходам, ТКU положителен, так как при увеличении температуры снижается подвижность носителей заряда в переходе и для ударной ионизации, т.е. лавинного пробоя, необходима большая величина напряженности электрического поля.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R(Т), имеющего обратный температурный коэффициент. Для стабилитронов с положительным ТКU для этой цели обычно используют р-n-переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре.

Чтобы получить большое напряжение стабилизации, стабилитроны включают последовательно, при этом для компенсации разброса параметров иногда необходимо подключить параллельно к ним уравнительные резисторы.

Параллельное включение стабилитронов также допустимо, но, поскольку ток между ними вследствие разброса параметров распределяется неравномерно, во избежание повреждения среднюю мощность рассеяния на прибор следует брать значительно меньше величины, допустимой для одного прибора. Кроме того, можно выравнять токи диодов с помощью резисторов, включенных последовательно с ними; при этом, однако, ухудшаются стабилизирующие свойства ввиду увеличения результирующего дифференциального сопротивления приборов.

Диоды Шоттки – это металло-полупроводниковые диоды, в которых используется выпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Основные математические соотношения для электрических характеристик таких контактов получил немецкий ученый В.Шоттки. Технология изготовления переходов металл-полупроводник со стабильными характеристиками была отработана лишь в последние годы, что привело к появлению различных типов диодов Шоттки, обладающих рядом преимуществ перед другими типами диодов.

Характер процессов на границе металл-полупроводник зависит от соотношения между работами выхода из металла и из полупроводника и рассмотрен в курсе физических основ электроники.

Диоды Шоттки обладают прямой ветвью вольт-амперной характеристики(ВАХ), которая близка к ВАХ идеализированного p-n-перехода. Это означает, что прямая ветвь ВАХ диода Шоттки идет круче, чем у обычных диодов.

В диодах Шоттки отсутствует накопление неосновных носителей в базовой области и, следовательно, диффузионная емкость. Отсутствие диффузионной емкости предопределяет высокое быстродействие приборов и более высокие предельные рабочие частоты, что особенно важно при создании быстродействующих интегральных схем и при использовании их в диапазоне СВЧ.

Время переключения диодов Шоттки из открытого состояния в закрытое и наоборот составляет доли пикосекунд, а предельная частота – сотни ГГц.

Благодаря меньшему прямому падению напряжения (0,3 В) металло-полупроводниковые переходы при использовании в мощных выпрямительных диодах позволяют существенно снизить потери мощности. В настоящее время созданы выпрямительные диоды на прямые токи до 50 А.

Таким образом, стабилитрон используется для стабилизации напряжения и основным функциональным параметром его является напряжение стабилизации. Диоды Шоттки из-за отсутствия накопления заряда и малого прямого падения напряжения используются в диапазоне СВЧ и для выпрямления малых напряжений.