Стабилитроны

1. Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа работы, основных параметров и характеристик стабилитронов, а также исследование влияния рабочей температуры на их параметры. В работе снимаются вольт-амперные характеристики различных стабилитронов, определяются их параметры в рабочей точке. Определяется температурный коэффициент напряжения стабилизации.

2. Характеристики и параметры стабилитронов

Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, где происходит электрический пробой p–n-перехода и наблюдается слабая зависимость напряжения на p–n-переходе от величины протекающего тока (рис. 2.1). Под действием сильного поля в области p–n-перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ используют для стабилизации или фиксации уровней напряжения.

Uобр uст iст мин iст iст макс Рабочая точка I

Рис. 2.1. Рабочий участок вольт-амперной

характеристики стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются следующие:

– напряжение стабилизации , при заданном токе стабилизации :

– дифференциальное сопротивление в рабочей точке

.

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем лучше стабилизирующие свойства прибора;

– максимальный и минимальный ток стабилизации: , . Если , то возрастает и стабилизации напряжения не происходит. При возникает значительный перегрев стабилитрона и возможен выход его из строя;

– температурный коэффициент напряжения стабилизации

.

Применение стабилитронов хорошо иллюстрируется в простейшей схеме стабилизации напряжения (рис. 2.2). Резистор задает ток

U_СТ

I_СТ

R

U_ВХ

–

–

Рис. 2.2. Схема простейшего стабилизатора

напряжения

в общей цепи , который изменяется пропорционально нестабилизированному входному напряжению . Поскольку при изменении тока стабилитрон обеспечивает постоянное напряжение, то на выходе получим стабилизированное напряжение .

Различные типы стабилитронов имеют величину напряжения стабилизации = 3.5 – 400 В.

3. Механизмы пробоя

В p–n-переходе могут существовать три вида пробоя: лавинный, туннельный и тепловой. Последний является необратимым.

3.1. Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя сходен с механизмом ударной ионизации в газах. Лавинная генерация электронно-ды-рочных пар происходит в области пространственного заряда p–n-пере-хода, где напряженность электрического поля составляет 10⁴ В/см. При этом возникает резкое возрастание тока p–n-перехода. Вольт-ам-перная характеристика в области лавинного пробоя описывается выражением

, (2.1)

где – значение обратного напряжения, при котором происходит лавинный пробой (breakdown-пробой); – значение обратного тока при ; – коэффициент, определяемый типом проводимости базы. Для кремниевых p⁺–n-переходов 3.5.

Множитель называется коэффициентом лавинного умножения

.

Напряжение лавинного пробоя связано с концентрацией примеси в базе стабилитрона следующим соотношением:

, (2.2)

где – ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ; – концентрация примеси в базе стабилитрона, см^–3; – напряжение лавинного пробоя, В.

Выражение (2.2) позволяет рассчитать концентрацию носителей в базе по заданному напряжению лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя возрастает с увеличением температуры. Это объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается длина свободного пробега носителей из-за более интенсивного рассеяния их на колебаниях атомов кристаллической решетки. Поэтому для достижения условия пробоя требуется приложить большее напряжение.

3.2. Туннельный пробой. Представления о туннельном пробое p–n-перехода основаны на квантово-механическом туннелировании электрона из валентной зоны полупроводника p-типа в зону проводимости полупроводника n-типа (рис. 2.3) под действием приложенного обратного напряжения. Такой механизм называется механизмом электростатической ионизации или эффектом Зенера. Вероятность туннелирования экспоненциально зависит от ширины потенциального барьера

, (2.3)

где – коэффициент пропорциональности.

С ростом обратного напряжения величина уменьшается. При достижении напряженности электрического поля в кремниевом p–n-переходе = 1.410⁶ В/см вероятность туннелирования возрастает и наблюдается резкое возрастание тока через p–n-переход. Посколь-

E_c

E_v

E

E_c

E_v

–

–

q(_к – U)

Рис. 2.3. Механизм туннельного пробоя

ку ширина потенциального барьера , туннельный пробой происходит при высокой степени легирования р- и n-областей.

Напряжение туннельного пробоя удобно выражать через удельное сопротивление и областей. Для кремниевых стабилитронов зависимость от и выражается по формуле

; при 0.01. (2.4)

С ростом температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, поскольку уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника, снижается потенциальный барьер и возрастает вероятность туннелирования.

Напряжения туннельного и лавинного пробоя зависят от степени легирования областей p–n-перехода. В сильнолегированных p–n-пере-ходах развивается туннельный пробой, в слаболегированных – лавинный. На рис. 2.4 представлены зависимости напряжений лавинного и туннельного пробоя от эффективной концентрации

.

U_T

U_T

U_T

_T

U

U_ЭФФ

Рис. 2.4. Зависимости напряжений лавинного

и туннельного пробоя от эффективной концентрации

Видно, что при < и раньше начинается лавин- ный пробой. При > и развивается туннельный пробой. Для кремния примерно составляет 10¹⁸ см^–3 и соответствует = 0.03 Омсм. Пробивное напряжение при этом примерно равно 5…7 В.

3.3. Тепловой пробой. Тепловой пробой p-n-перехода происходит, как правило, при его саморазогреве, когда на p-n-переходе выделяется значительная мощность за счет протекающего тока. Возрастание температуры в свою очередь приводит к увеличению тока и т.д. Тепловой пробой реализуется в p–n-переходах, обладающих значительными об-

U_обр

U_проб

1

2

3

1

0

Рис.2.5. ВАХ различных видов пробоя:

1 – туннельный; 2 – лавинный; 3 – тепловой

ратными токами (например, германиевые). В кремниевых диодах малые обратные токи и высокие напряжения теплового пробоя приводят к реализации в первую очередь электрических пробоев: туннельного или лавинного. Отличительной особенностью ВАХ при тепловом пробое является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.5), где для сравнения приведены также ВАХ лавинного и туннельного пробоев.