Кремниевые стабилитроны. Явление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах

Явление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах, получивших название кремниевых стабилитронов, или опорных диодов.

При изготовлении стабилитронов наиболее широко использу­ются сплавной и диффузионно-сплавной методы получения р-п переходов. Исходным материалом при изготовлении стабилитрона служит пластинка кремния n -типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р-п переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Конструкция

кремниевого стабилитрона:

1,8 — внешние выводы; 2 — трубка;

3 — изолятор; 4 — корпус;

5 — внут­ренний вывод; Рис. 6.5

6 — кристалл с переходом;

7 — кристаллодержатель

Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электри­ческому пробою р-п перехода.

Следует отметить, что эффект Зинера и лавинный механизм электрического пробоя р-n перехода наблюдаются как у кремни­евых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, со­провождающее эти процессы, приводит для германия к дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину ла­винного пробоя. Поэтому в качестве материала для полупровод­никовых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольтамперная характеристика (рис. 6.5). В прямом направлении вольтамперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения¹.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в р-п переходе даже при значительных обратных токах, будет неболь­шой, что предохраняет р-п переход от теплового (необратимого) пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U _CT – падение напряжения на ста­билитроне в области стабилизации при поминальном значении тока.

Минимальный ток стабилизации /_СТ. _min – такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации /_СТ._max – наибольшее значение тока через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.

¹Полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является прямая ветвь вольтамперной характеристики, называют стабистаром.

Дифференциальное сопротивление r _СТ – отношение прираще­ния напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

r _СТ = (6.1)

Величина r _СТ характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.

Максимальная мощность рассеивания Р _max – наибольшая мощ­ность, выделяющаяся в

р-п переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_CT – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выра­жается в %/град)

(6.2)

Наиболее простая, но достаточно распространенная схема стабили­затора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне при­ведена на рис. 6.6. Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R₀ и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения U _BX напряжение на стабилитроне и на нагрузке R _Н изменяется незначительно, в чем и выражается стаби­лизирующее действие схемы.

Одна из возможных схем стабилизатора переменного напряже­ния на кремниевых стабилитронах приведена на рис. 6.7, а. Напря­жение сети через трансформатор Т поступает в схему, состоящую из резистора R ₀ и встречно включенных стабилитронов VD1 и VD2. Переменное напряжение ограничивается на уровне напряжения стабилизации U _СТ стабилитронов VD1 и VD2. В результате этого на выходе получается напряжение U _ВЫХ трапецеидальной формы (рис. 6.7, б). При изменении величины входного напряжения ампли­туда выходного напряжения остается постоянной, а действующее значение меняется незначительно (за счет некоторого изменения площади трапеций).