Стабилитроны, или опорные диоды

Стабилитроны,или опорные диоды,предназначены для стабилизации постоянного напряжения и ограничения выбросов напряжения. В этих диодах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что в режиме электрического пробоя небольшое увеличение напряжения на p-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока (рис. 2.4). Участок от Ic. min до Ic. max (рис. 2.4) является рабочим участком вольт-амперной характеристики ПП стабилитрона. Главным параметром прибора является напряжение стабилизации Uст, равное напряжению пробоя при номинальном токе стабилизации. Шкала напряжений у промышленных типов стабилитронов лежит в пределах 3 – 180 В [5]. В зависимости от типа стабилитрона величина максимального тока стабилизации, достижение которого ещё не грозит тепловым пробоем p-n-перехода, может составлять от 2 мА до 1,5 А.

Качество стабилизации напряжения определяет наклон вольт-амперной характеристики на рабочем участке. Его параметром является динамическое сопротивление стабилитрона:

rд= ∆Ucт / ∆Ic. (2.1)

Рис. 2.4. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

Величина r_д для низковольтных стабилитронов лежит в пределах 1 – 30 Ом, а для высоковольтных – 18 – 300 Ом.

Важным параметром стабилитронов является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН, равный относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1^оС и постоянном номинальном токе стабилитрона Ic.ном.

(2.2 )

У низковольтных стабилитронов, работающих на принципе туннельного пробоя (U_ст.ном = 3,3 – 5,6 В), ТКН имеет отрицательные значения, а у стабилитронов с U_ст.ном ≥ 6 В, работающих на принципе лавинного пробоя, – положительные значения.

Прямая ветвь ВАХ имеет отрицательный ТКН. Поэтому для стабилитронов с Ucт > 6 В возможна термокомпенсация их положительного ТКН путём последовательного включения в прямом направлении дополнительных p-n-переходов в одном корпусе. Промышленностью выпускаются компенсированные прецизионные стабилитроны, ТКН которых уменьшен до 0,0005 % / ⁰C.

Туннельные диоды

Туннельный диод представляет собой ПП прибор с одним p-n-переходом, изготовленным на основе ПП с высоким содержанием примесей. Высокая доза примесей в ПП вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне. Такие полупроводники называются вырожденными. Зонные диаграммы p-n-перехода на вырожденных ПП приведены на рис. 2.5.

В равновесном состоянии p-n-перехода уровень Ферми является единым для всего объёма ПП. Поэтому нижняя граница зоны проводимости n-области оказывается ниже верхнего уровня валентной зоны p-области, имеет место перекрытие зон (рис. 2.5, а).

Поскольку ширина p-n-перехода на основе вырожденных полупроводников получается очень узкой, порядка 0,01 мкМ, то электроны перемещаются сквозь потенциальный барьер по горизонтали без затраты энергии (электрон туннелирует как волна). Через узкий p-n-переход протекает туннельный ток в обоих направлениях: при прямом смещении в прямом направлении, а при обратном – в обратном направлении. В равновесном состоянии ток через p-n-переход равен нулю.

а) б) в) г)

Рис. 2.5. Зонные диаграммы p-n-перехода на вырожденных ПП: