Стабилитрон — это особый тип диода , предназначенный для надежного пропускания тока «в обратном направлении» (обратная полярность ) при достижении определенного установленного обратного напряжения , известного как напряжение Зенера .
Диоды Зенера производятся с большим разнообразием напряжений Зенера, а некоторые даже являются переменными. Некоторые диоды Зенера имеют резкий, сильно легированный p–n-переход с низким напряжением Зенера, в этом случае обратная проводимость происходит из-за электронного квантового туннелирования на коротком расстоянии между p- и n-областями — это известно как эффект Зенера , в честь Кларенса Зенера . Диоды с более высоким напряжением Зенера имеют более слаболегированные переходы, что приводит к тому, что их режим работы включает лавинный пробой . Оба типа пробоя присутствуют в диодах Зенера, при этом эффект Зенера преобладает при более низких напряжениях, а лавинный пробой — при более высоких напряжениях.
Они используются для генерации маломощных стабилизированных шин питания из более высокого напряжения и для обеспечения опорных напряжений для цепей, особенно стабилизированных источников питания. Они также используются для защиты цепей от перенапряжения , особенно электростатического разряда .
Устройство названо в честь американского физика Кларенса Зенера , который впервые описал эффект Зенера в 1934 году в своих теоретических исследованиях нарушения свойств электроизоляторов. Позднее его работа привела к реализации эффекта в Bell Labs в виде электронного устройства — диода Зенера. [1]
Обычный твердотельный диод допускает значительный ток, если он смещен в обратном направлении выше своего обратного пробивного напряжения. Когда превышено обратное пробивное напряжение смещения, обычный диод будет проводить большой ток из-за лавинного пробоя. Если этот ток не ограничен внешними цепями, диод может быть необратимо поврежден из-за перегрева на небольших (локальных) участках полупроводникового перехода, где происходит лавинный пробой. Стабилитрон проявляет почти те же свойства, за исключением того, что устройство специально разработано таким образом, чтобы иметь пониженное пробивное напряжение, так называемое напряжение Зенера. В отличие от обычного устройства, стабилитрон с обратным смещением демонстрирует управляемый пробой и позволяет току поддерживать напряжение на стабилитроне близко к пробивному напряжению Зенера. Например, диод с пробивным напряжением Зенера 3,2 В демонстрирует падение напряжения почти 3,2 В в широком диапазоне обратных токов. Поэтому диод Зенера хорошо подходит для таких применений, как генерация опорного напряжения (например, для каскада усилителя ) или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных приложений. [2]
Другой механизм, который производит аналогичный эффект, это лавинный эффект, как в лавинном диоде . [2] Два типа диодов фактически сконструированы схожим образом, и оба эффекта присутствуют в диодах этого типа. В кремниевых диодах до примерно 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим эффектом и показывает выраженный отрицательный температурный коэффициент . Выше 5,6 вольт лавинный эффект доминирует и показывает положительный температурный коэффициент. [3]
В диоде 5,6 В оба эффекта происходят вместе, и их температурные коэффициенты почти компенсируют друг друга, поэтому диод 5,6 В полезен в температурно-критичных приложениях. Альтернативой, которая используется для источников опорного напряжения, которые должны быть очень стабильными в течение длительных периодов времени, является использование стабилитрона с температурным коэффициентом (TC) +2 мВ/°C (напряжение пробоя 6,2–6,3 В), соединенного последовательно с кремниевым диодом с прямым смещением (или транзисторным переходом BE), изготовленным на том же чипе. [4] Диод с прямым смещением имеет температурный коэффициент −2 мВ/°C, в результате чего TC компенсируются для чистого температурного коэффициента, близкого к нулю.
Стоит также отметить, что температурный коэффициент стабилитрона 4,7 В близок к температурному коэффициенту перехода эмиттер-база кремниевого транзистора и составляет около -2 мВ/°C, поэтому в простой регулирующей схеме, где диод 4,7 В задает напряжение на базе NPN-транзистора (т.е. их коэффициенты действуют параллельно), эмиттер будет иметь напряжение около 4 В и будет достаточно стабильным при изменении температуры.
Современные разработки производят устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами, [ требуется цитата ] . Устройства с более высоким напряжением имеют температурный коэффициент, который приблизительно пропорционален величине, на которую напряжение пробоя превышает 5 В. Таким образом, диод на 75 В имеет коэффициент в 10 раз больше, чем диод на 12 В. [ требуется цитата ]
Стабилитроны и лавинные диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим названием «стабилитроны».
При напряжении ниже 5,6 В, где доминирует эффект Зенера, кривая IV вблизи пробоя гораздо более округлая, что требует большей осторожности при выборе условий смещения. Кривая IV для Зенера выше 5,6 В (где доминирует лавина) гораздо более точна при пробое.
Работа диода Зенера зависит от сильного легирования его p–n-перехода . Образующаяся в диоде обедненная область очень тонкая (<1 мкм), и, следовательно, электрическое поле очень высокое (около 500 кВ/м) даже при небольшом обратном напряжении смещения около 5 В, что позволяет электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа.
В атомном масштабе это туннелирование соответствует переносу электронов валентной зоны в пустые состояния зоны проводимости; в результате уменьшенного барьера между этими зонами и высоких электрических полей, которые индуцируются из-за высоких уровней легирования с обеих сторон. [3] Напряжение пробоя можно довольно точно контролировать с помощью процесса легирования. Добавление примесей, или легирование, изменяет поведение полупроводникового материала в диоде. В случае диодов Зенера это сильное легирование создает ситуацию, когда диод может работать в области пробоя. Хотя доступны допуски в пределах 0,07%, обычно доступные допуски составляют 5% и 10%. Напряжение пробоя для обычно доступных диодов Зенера может варьироваться от 1,2 В до 200 В.
Для диодов со слабым легированием пробой происходит под влиянием лавинного эффекта, а не эффекта Зенера. Следовательно, пробивное напряжение для этих устройств выше (более 5,6 В). [5]
Переход эмиттер-база биполярного NPN-транзистора ведет себя как диод Зенера с напряжением пробоя около 6,8 В для обычных биполярных процессов и около 10 В для слаболегированных базовых областей в процессах BiCMOS . Более старые процессы с плохим контролем характеристик легирования имели изменение напряжения Зенера до ±1 В, более новые процессы с использованием ионной имплантации могут достигать не более ±0,25 В. Структура NPN-транзистора может использоваться как поверхностный диод Зенера , с коллектором и эмиттером, соединенными вместе в качестве его катода, и базовой областью в качестве анода. При таком подходе профиль легирования базы обычно сужается к поверхности, создавая область с усиленным электрическим полем, где происходит лавинный пробой. Горячие носители, образующиеся при ускорении в интенсивном поле, могут инжектироваться в оксидный слой над соединением и захватываться там. Накопление захваченных зарядов может затем вызвать «выход Зенера», соответствующее изменение напряжения Зенера соединения. Тот же эффект может быть достигнут радиационным повреждением .
Диоды Zener с эмиттером и базой могут работать только с малыми токами, поскольку энергия рассеивается в области истощения базы, которая очень мала. Более высокие количества рассеиваемой энергии (больший ток в течение длительного времени или короткий очень высокий всплеск тока) вызывают тепловое повреждение перехода и/или его контактов. Частичное повреждение перехода может сместить его напряжение Zener. Полное разрушение перехода Zener путем его перегрева и миграции металлизации через переход («всплеск») может быть намеренно использовано в качестве антипредохранителя «Zener zap» . [6]
Подповерхностный диод Зенера, также называемый «скрытым Зенером», представляет собой устройство, похожее на поверхностный Зенер, но легирование и конструкция таковы, что область лавины расположена глубже в структуре, обычно на несколько микрометров ниже оксида. Затем горячие носители теряют энергию из-за столкновений с решеткой полупроводника, прежде чем достигнуть оксидного слоя, и не могут быть там захвачены. Поэтому явление выхода Зенера здесь не происходит, и скрытые Зенеры имеют стабильное напряжение в течение всего срока службы. Большинство скрытых Зенеров имеют пробивное напряжение 5–7 вольт. Используются несколько различных структур переходов. [7]
Стабилитроны широко используются в качестве источников опорного напряжения и шунтирующих регуляторов для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения так, чтобы он был смещен в обратном направлении, стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента низкое сопротивление диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении. [8]
В этой схеме типичный источник опорного напряжения или регулятор, входное напряжение U in (со знаком + наверху) регулируется до стабильного выходного напряжения U out . Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне тока и поддерживает U out примерно постоянным, даже если входное напряжение может колебаться в широком диапазоне. Из-за низкого сопротивления диода при такой работе резистор R используется для ограничения тока через цепь.
В случае этого простого примера ток, протекающий в диоде, определяется с помощью закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R ;
Значение R должно удовлетворять двум условиям:
Нагрузка может быть размещена параллельно диоду в этой опорной схеме, и пока стабилитрон остается в состоянии обратного пробоя, диод обеспечивает стабильный источник напряжения для нагрузки. Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных опорных напряжений для более продвинутых схем регуляторов напряжения.
Шунтовые регуляторы просты, но требования к балластному резистору, чтобы он был достаточно малым, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в наихудшем случае работы (низкое входное напряжение в сочетании с высоким током нагрузки), приводят к тому, что большую часть времени в диоде протекает большой ток, что делает регулятор довольно расточительным с высоким уровнем рассеиваемой мощности в состоянии покоя, подходящим только для небольших нагрузок.
Эти устройства также встречаются, как правило, последовательно с переходом база-эмиттер, в транзисторных каскадах, где селективный выбор устройства, центрированного на точке лавины или Зенера, может использоваться для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки p–n-перехода транзистора . Примером такого рода использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи с регулируемой схемой питания .
Стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения переходных скачков напряжения.
Другое применение диода Зенера — использование шума лавинного пробоя (см. генератор шума § Диод Зенера ), который, например, можно использовать для дизеринга в аналого-цифровом преобразователе при среднеквадратичном уровне, эквивалентном от 1 ⁄ 3 до 1 lsb [10] или для создания генератора случайных чисел .
Два стабилитрона, обращенных друг к другу последовательно, ограничивают обе половины входного сигнала. Ограничители формы сигнала могут использоваться не только для изменения формы сигнала, но и для предотвращения влияния скачков напряжения на схемы, подключенные к источнику питания. [11]
Диод Зенера может быть применен в схеме с резистором, чтобы действовать как смещающее напряжение. Эта схема понижает выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя диода Зенера.
Стабилитрон может применяться в схеме регулятора напряжения для регулирования напряжения, подаваемого на нагрузку, например, в линейном регуляторе .
