Материал: Характеристика полупроводникового стабилитрона

Диод при обратном включении обладает большим сопротивлением и практически не пропускает ток только при малых значениях напряжений. При увеличении обратного напряжения в диоде происходит пробой и обратный ток резко увеличивается (рисунок 11).

Если мощность, выделяемая на переходе, поддерживается на допустимом уровне, то p-n-переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой называется обратимым. Обратимые пробои характерны для полупроводников с большой шириной запрещенной зоны (кремний, арсенид галия). Различают три основных типа пробоев: лавинный, туннельный и тепловой (рисунок 12).

. Лавинный пробой

Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей зарядов под действием сильного электрического поля. В результате ударной ионизации заряды приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар. Напряженность электрического поля при этом должна достигать (8-12)•104 В/см. Такая напряженность возникает при обратном напряжении более6 - 7 В. Количество носителей, уходящих с перехода при пробое, оказывается больше количества носителей поступающих в переход, что приводит к резкому возрастанию обратного тока (рисунок 12).

Сужение перехода ниже некоторого предела исключает возможность возникновения лавинного пробоя, так как носители заряда не успевают приобрести на такой ширине перехода энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов.

. Туннельный пробой

Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантово механическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии.

. Тепловой пробой

Тепловой пробой является необратимым и происходит с разрушением p-n перехода. Он возникает вследствие разогрева объема материала проходящим через него током при недостаточном теплоотводе. В режиме постоянного тока мощность, подводимая к p-n переходу (мощность рассеяния), выражается соотношением P расс=UобрIобр. Эта мощность идет на разогрев перехода, увеличивает термогенерацию электронов и дырок в обратно включенном p-n переходе. Это вызывает дальнейшее возрастание обратного тока (рисунок 12).

. Поверхностный пробой

Кроме трех основных типов пробоя p-n перехода наблюдается еще поверхностный пробой. Поверхностным пробоем электронно-дырочного перехода называют пробой перехода, который происходит в месте выхода перехода на поверхность кристалла. Поверхностный пробой является необратимым. Условия необратимого пробоя зависят от состояния внешней поверхности p-n перехода. Заряды, имеющиеся на поверхности, изменяют результирующую напряженность поля в приповерхностном слое по сравнению с ее значением в глубине объема p-n перехода. Величина пробивного напряжения зависит от величины поверхностного заряда. В неблагоприятном случае напряжение пробоя может быть в несколько раз ниже, чем по объему. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым.

Промышленность выпускает стабилитроны, предназначенные для стабилизации напряжений в пределах от единиц до сотен вольт. Для стабилизации напряжений меньших 1 В, используются кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении. В этом случае применяется режим работы на прямой ветви АЧХ и стабилизируется напряжение меньше 0,7-1,0 В. Такие устройства называются стабисторами и имеют следующую маркировку: КС107, 2С113А, 2С119А и др.

ю Основные параметры и структура стабилитронов

Напряжение стабилизации или напряжение пробоя является одним из основных параметров полупроводникового стабилитрона. В паспортных данных на полупроводниковые стабилитроны указывается номинальная величина напряжения пробоя для нормированного значения тока через стабилитрон.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются кремниевые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 3 до 180Впри допускаемом разбросе номинальных значений ±10% и допустимой мощности 0,25-50 Вт.

Вольтамперные характеристики позволяют оценить качество стабилитронов с различными напряжениями пробоя. У кремниевых стабилитронов с напряжением стабилизации менее 6,5 В обратный ток увеличивается почти экспоненциально с увеличением приложенного напряжения и перегиб вольтамперной характеристики в области пробоя довольно плавный. У кремниевых стабилитронов с напряжением стабилизации более 6,5Впереход в области пробоя резко выражен. Различие вольтамперных характеристик связано с различием в механизмах пробоя. В первом случае имеет место туннельный пробой, а во втором - лавинный (рисунок 11). Типичные вольтамперные характеристики низковольтных кремниевых стабилитронов приведены на рисунке 12.

Минимальный ток стабилизации - такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации ограничен допустимой мощностью рассеяния и зависит от температуры перехода. Величину максимального тока стабилизации можно определить как отношение предельной мощности рассеяния на стабилитроне к напряжению стабилизации. Промышленность выпускает стабилитроны с токами до 5 А.Между значениями минимального и максимального токов стабилизации напряжение стабилизации (пробоя) изменяется незначительно. Вольтамперная характеристика на этом участке приближается к прямой линии. В современных кремниевых стабилитронах область перегиба вольтамперных характеристик занимает узкую зону.

Статическое сопротивление стабилитрона определяется как отношение напряжения стабилизации в данной точке вольтамперной характеристики к току стабилизации в той же точке.

Дифференциальное (динамическое)сопротивление диода - это отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:rДИФ = dU/dI .Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет влияние малых изменений тока на напряжение стабилизации; величина его равна тангенсу угла наклона вольтамперной характеристики и характеризует крутизну ВАХ в данной точке:

Динамическое сопротивление для данного напряжения пробоя зависит от тока. При малых токах (в области перегиба вольтамперных характеристик) оно велико и уменьшается с увеличением тока. Температура окружающей среды также оказывает влияние на динамическое сопротивление.

Максимальная мощность рассеяния стабилитрона определяется площадью его электронно-дырочного перехода и конструктивным оформлением. Величина номинальной мощности рассеяния стабилитронов различных типов указывается для определенных температур окружающей среды, исходя из максимально допустимой температуры p-n-перехода. Способность кремниевых стабилитронов выдерживать кратковременные перегрузки зависит от максимальной мощности рассеяния. Практика показывает, что полупроводниковые стабилитроны хорошо выдерживают кратковременные перегрузки.

На рисунке 13 показана типичная конструкция маломощного стабилитрона и его схемное обозначение.

Рисунок 13 - Внешний вид, устройство (а) и схемное обозначение полупроводникового стабилитрона (б),полученного методом сплавления

Основой конструкции является коваровый корпус, приваренный к кристаллодержателю.Ковар- магнитный сплав на основе железа, содержит Coи Ni. Характеризуется низким коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения стекла. Корпус изолирован от внешнего вывода стеклянным проходным изолятором. Внешний вывод имеет специальный изгиб для того, чтобы уменьшить механические напряжения при изменении температуры. Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемым лаком для предотвращения попадания света внутрь прибора: свет может вызвать генерацию пар электрон-дырка и увеличить обратный ток p-n перехода.

. Емкость p-n перехода

Полупроводниковый стабилитрон является инерционным элементом по отношению к быстрым изменениям тока или напряжения, так как новое распределение носителей заряда устанавливается не сразу. Внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину пространственных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции (или экстракции) меняются заряды в области базы. Следовательно, наряду с проводимостью, стабилитрон обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-п переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, связанную с перераспределением зарядов в переходе, и диффузионную емкость, обусловленную перераспределением зарядов в базе. Такое разделение емкости весьма условно, но удобно на практике.

Барьерная (зарядная)емкость обусловлена некомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад.Изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью.

Упрощенная схема для измерения емкости стабилитрона представлена на рисунке 14. На реактивное сопротивление стабилитрона XC и резистор R, представляющие делитель напряжения, подается переменное напряжение от генератора G. Сопротивление источника постоянного напряжения Е2 мало для переменного тока и не учитывается.

Рисунок 14 - Схема замещения для измерения ёмкости стабилитрона

Зная величину входного напряжения на делителе . и напряжение на резисторе , можно определить величину емкости варикапа. Напряжения в цепи отличаются по фазе и поэтому они записываются в комплексном виде, как и ток.

Для резистора R закон Ома имеет вид:

 (9)

Приравняв (8) и (9) получим: или. Учтем, что. Тогда. Отношение модулей напряжений равно . Возведем уравнение в квадрат,учтем, что и получим формулу для расчета емкости диода:

(10)

. Переходные процессы в стабилитроне

Переходные процессы характеризуются временными зависимостями напряжения и тока в электрической цепи. Ток или напряжение на p-n-переходе стабилитрона могут изменяться с большой скоростью по величине или по знаку.

В стабилитроне происходит процесс переключения, если полярность приложенного к нему напряжения изменяется скачком. На практике к стабилитрону могут прикладывать и двуполярные импульсы напряжения. Такой режим стабилитрона принято называть динамическим режимом или режимом большого сигнала. Если приложенное напряжение изменяется от нуля до некоторого уровня U>0, то происходит включение стабилитрона; при переходе с уровня U>0на уровень U<0наблюдается выключение стабилитрона.

В реальном p-n переходе изменения тока или напряжения не могут происходить мгновенно из-за инерционности процессов рассасывания инжектированных носителей по обе стороны перехода и перезаряда его емкости.

При быстром изменении напряжения на стабилитроне переходные процессы связаны с двумя явлениями. Первое из них - это накопление неосновных носителей в базе p-n перехода при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения. Так как движение не основных носителей в базе определяется законами диффузии, то происходит оно относительно медленно. Второе явление, возникающее при переключении p-n-перехода - это заряд и разряд барьерной емкости. При больших плотностях прямого тока через p-n переход преобладает первое явление, а при малых - второе.

На рисунке 15 приведены характерные временные зависимости напряжения и тока при подаче на стабилитрон импульсного напряжения. При подаче на стабилитрон положительного импульса необходимого некоторое время для того, чтобы стабилитрон оказался смещенным в прямом направлении и в нем возник некоторый ток Inp=Unp/Rnp. При смене полярности ток скачкообразно принимает новое значение Iобр=Uобр/rобр

Рисунок 15 - Переходные процессы при отпирании, переключении и запирании p-n перехода. Uг- импульсное напряжение, подаваемое с генератора, Uс- напряжение на p-n переходе стабилитрона, I - ток через p-n переход.

При попеременном переключении p-n перехода с прямого направления на обратное различают следующие «искаженные» (динамические) участки переходной характеристики:

установление прямого напряжения при заданном прямом токе (интервал времени t1);

рассасывание избыточных носителей в базе при заданном обратном токе (интервал времени t2);

восстановление обратного тока при заданном обратном напряжении (интервал времени t3).

Установившееся прямое напряжение Uпр состоит из 2-х компонентов: напряжения на p-n переходе Uпер и напряжения на базовом слое Uбаз. Форма установившегося прямого напряжения при заданном малом прямом токе показана на рисунке 15, а при большом токе прямое напряжение имеет большой выброс.

Перераспределение зарядов в базе и переходе не может произойти мгновенно после переключения стабилитрона с прямого направление на обратное. Концентрация носителей заряда и связанное с ней напряжение на переходе уменьшаются постепенно. Поэтому в течение некоторого времени на переходе сохраняется небольшое прямое напряжение. Считают, что этап рассасывания заканчивается тогда, когда граничная концентрация носителей заряда достигает равновесного значения. Время рассасывания t2заряда зависит от величин прямого Inp и обратного Iобр токов, а также от среднего времени жизни не основных носителей τр: t2=τр∙ln (1+ Inp/Iобр). В течение этого времени избыточный заряд практически рассасывается. Для быстродействующих коммутационных диодов стремятся уменьшать параметр τр.Параметр t2 служит мерой, ограничивающей быстродействие логических интегральных схем (ИС), создаваемых по биполярной технологии.