Стабилизатор напряжения

Стабилитроны

Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области пробоя. Такие диоды называются стабилитронами.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния в связи с малым обратным током и резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя. Основные виды и механизмы пробоя подробно рассмотрены в лабораторной работе №2. Стабилитроны с напряжением пробоя U_пр< 5 В используют явление туннельного пробоя, который наблюдается в p – n переходах с резким распределением примеси и при высокой степени легирования. Область пространственного заряда в таких переходах очень мала ~ [(N_d + N_a ) / (N_dN_a) ]^1/2 (N_d, N_a – концентрации донорной и акцепторной примеси), составляет обычно сотые доли мкм, что и обеспечивает возможность квантово – механического туннелирования. Из – за малой ширины перехода и высокой концентрации носителей в области пространственного заряда напряженность электрического поля E достигает значений E = (2…4)*10⁵ В/см. При такой напряженности поля на электроны в валентных связях действует электростатическая сила, способная вырвать их из связи и перевести в зону проводимости. Поэтому туннельный пробой называют также зенеровским пробоем по имени ученого, предложившего этот механизм резкого роста числа носителей. Опыт показывает, что туннельный пробой возможен при см^-3. В резких p – n переходах, кроме специальных случаев, концентрация примеси составляет 10¹⁶…10¹⁷ см^-3. В плавных p – n переходах с линейным или экспоненциальным распределением примесей туннельный пробой возможен только при напряжениях, значительно превышающих напряжение лавинного пробоя, даже при сильном легировании n - и p – областей.

С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается (отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)), поскольку при этом уменьшается ширина p – n перехода и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости.

Значение напряжения лавинного пробоя обычно , и зависит оно от ширины запрещенной зоны E_g. Большему значению E_g требуется большая энергия носителя для ударной ионизации, а, значит, и напряжение пробоя будет больше.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от материала полупроводника и степени легирования базы диода можно выразить формулой:

(2.1)

где: A и B – коэффициенты, зависящие от материала и типа проводимости полупроводника, - удельное сопротивление базы диода.Для базы диода n – типа, например

(2.2)

где: - подвижность электронов, - концентрация электронов (основных носителей) в базе диода, e – заряд электрона.

При уменьшении степени легирования базы диода уменьшается ее электропроводность σ, растут удельное сопротивление и напряжение лавинного пробоя .

Поскольку коэффициенты A и B в (2.1) не поддаются аналитическому расчету, на практике пользуются полуэмпирическими соотношениями для оценки напряжения пробоя резких несимметричных p – n переходов

(2.3)

и плавных p – n переходов:

(2.4)

где: E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника ( E_g(Ge) = 0,67 эВ, E_g(Si) = 1,12 эВ), N – концентрация примеси в слабо легированной области (см^-3), α – градиент концентрации примеси в плавном p – n переходе (см^-4).

С ростом температуры полупроводника увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, возрастает вероятность столкновения свободных носителей с ними и уменьшается поэтому длина свободного пробега носителей. Чтобы при меньшей длине пробега носитель набрал необходимую для ионизации атомов энергию, необходимо повышение внешнего напряжения. Поэтому напряжение лавинного пробоя с ростом температуры возрастает (положительный ТКН).

У стабилитронов с напряжением пробоя 5…7В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, т.к. ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.