Стабилитрон — это особый тип диода , предназначенный для надежного протекания тока «обратно» (инвертированная полярность ) при достижении определенного установленного обратного напряжения , известного как напряжение Зенера .
Стабилитроны производятся с большим разнообразием стабилитронов, а некоторые даже с переменным напряжением. Некоторые стабилитроны имеют резкий, сильно легированный p-n-переход с низким напряжением Зенера, и в этом случае обратная проводимость происходит из-за квантового туннелирования электронов на коротком расстоянии между p- и n-областями — это известно как эффект Зенера . Кларенс Зинер . Диоды с более высоким напряжением Зенера имеют более легкие легированные переходы, что приводит к тому, что их режим работы включает лавинный пробой . Оба типа пробоя присутствуют в стабилитронах, причем эффект Зенера преобладает при более низких напряжениях, а лавинный пробой — при более высоких напряжениях.
Они используются для формирования маломощных стабилизированных шин питания из более высокого напряжения и для обеспечения опорного напряжения для цепей, особенно для стабилизированных источников питания. Они также используются для защиты цепей от перенапряжения , особенно от электростатических разрядов .
Устройство названо в честь американского физика Кларенса Зинера , который впервые описал эффект Зинера в 1934 году в своих преимущественно теоретических исследованиях разрушения электрических изоляционных свойств. Позже его работа привела к тому, что Bell Labs реализовала этот эффект в виде электронного устройства — стабилитрона. [1]
Обычный твердотельный диод пропускает значительный ток, если он смещен в обратном направлении выше напряжения обратного пробоя. При превышении напряжения пробоя обратного 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. Стабилитрон обладает почти теми же свойствами, за исключением того, что устройство специально разработано с пониженным напряжением пробоя, так называемым напряжением Зенера. В отличие от обычного устройства, стабилитрон с обратным смещением демонстрирует контролируемый пробой и позволяет току поддерживать напряжение на стабилитроне, близкое к напряжению пробоя стабилитрона. Например, диод с напряжением пробоя Зенера 3,2 В демонстрирует падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов. Таким образом, стабилитрон хорошо подходит для таких применений, как генерирование опорного напряжения (например, для каскада усилителя ) или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных приложений. [2]
Другой механизм, вызывающий аналогичный эффект, — это лавинный эффект, как в лавинном диоде . [2] Оба типа диодов на самом деле устроены одинаково, и оба эффекта присутствуют в диодах этого типа. В кремниевых диодах до напряжения примерно до 5,6 В преобладающим эффектом является эффект Зенера , который демонстрирует заметный отрицательный температурный коэффициент . Выше 5,6 В доминирует лавинный эффект и наблюдается положительный температурный коэффициент. [3]
В диоде на 5,6 В оба эффекта происходят вместе, и их температурные коэффициенты почти компенсируют друг друга, поэтому диод на 5,6 В полезен в приложениях, где температура критична. 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). последовательно с кремниевым диодом с прямым смещением (или переходом транзистора BE), изготовленным на том же кристалле. [4] Диод с прямым смещением имеет температурный коэффициент -2 мВ/°C, в результате чего термопары компенсируются, что приводит к чистому температурному коэффициенту, близкому к нулю.
Также стоит отметить, что температурный коэффициент стабилитрона на 4,7 В близок к температурному коэффициенту перехода эмиттер-база кремниевого транзистора и составляет около -2 мВ/°C, поэтому в простой схеме регулирования, где диод 4,7 В устанавливает напряжение на базе NPN-транзистора (т.е. их коэффициенты действуют параллельно), на эмиттере будет около 4 В и вполне стабильно при изменении температуры.
Современные разработки создали устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами . Устройства с более высоким напряжением имеют температурный коэффициент, который примерно пропорционален величине, на которую напряжение пробоя превышает 5 В. Таким образом, диод на 75 В имеет в 10 раз больший коэффициент, чем диод на 12 В. [ нужна цитата ]
Стабилитроны и лавинные диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим термином «стабилитрон».
При напряжении 5,6 В, когда доминирует эффект Зенера, ВАХ вблизи пробоя становится гораздо более округлой, что требует большей осторожности при выборе условий ее смещения. Кривая IV для стабилитронов выше 5,6 В (где преобладает лавинная форма) при пробое гораздо более точна.
Работа стабилитрона зависит от сильного легирования его p – n-перехода . Обедненная область, образующаяся в диоде, очень тонкая (<1 мкм), и, следовательно, электрическое поле очень велико (около 500 кВ/м) даже при небольшом напряжении обратного смещения, около 5 В, что позволяет электронам туннелировать из валентной зоны. материала p-типа в зону проводимости материала n-типа.
На атомном уровне это туннелирование соответствует переносу электронов валентной зоны в пустые состояния зоны проводимости; в результате уменьшения барьера между этими зонами и сильных электрических полей, индуцированных из-за высокого уровня 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 стабилитронов такое 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 общедоступных стабилитронов может варьироваться от 1,2 В до 200 В.
Для слаболегированных диодов в пробое преобладает лавинный эффект, а не эффект Зенера. Следовательно, напряжение пробоя у этих устройств выше (более 5,6 В). [5]
Переход эмиттер-база биполярного NPN-транзистора ведет себя как стабилитрон с напряжением пробоя около 6,8 В для обычных биполярных процессов и около 10 В для слаболегированных базовых областей в процессах BiCMOS . Старые процессы с плохим контролем легирующих характеристик имели изменение напряжения Зенера до ±1 В, более новые процессы с использованием ионной имплантации могут достигать не более ±0,25 В. Транзисторную структуру NPN можно использовать в качестве поверхностного стабилитрона с коллектором и Эмиттер соединен вместе в качестве катода и базовой области 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 , возникающие в результате ускорения в сильном поле, могут инжектироваться в оксидный слой над переходом и задерживаться там. Накопление захваченных зарядов может затем вызвать «выход Зенера», соответствующее изменение напряжения Зенера перехода. Того же эффекта можно достичь и радиационным поражением .
Стабилитроны с эмиттерной базой могут выдерживать только малые токи, поскольку энергия рассеивается в области истощения базы, которая очень мала. Большее количество рассеиваемой энергии (более высокий ток в течение длительного времени или короткий очень сильный всплеск тока) приводит к термическому повреждению перехода и/или его контактов. Частичное повреждение перехода может сместить его напряжение Зенера. Полное разрушение перехода Зенера в результате его перегрева и миграции металлизации через переход («всплески») может быть намеренно использовано в качестве антипредохранителя «Зап Зенера » . [6]
Подповерхностный стабилитрон, также называемый «скрытый стабилитрон», представляет собой устройство, похожее на поверхностный стабилитрон, но легирование и конструкция таковы, что лавинная область расположена глубже в структуре, обычно на несколько микрометров ниже оксида. Горячие носители затем теряют энергию в результате столкновений с решеткой полупроводника, прежде чем достигнут оксидного слоя, и не могут быть там захвачены. Таким образом, феномен выхода стабилитронов здесь не возникает, и закопанные стабилитроны имеют стабильное напряжение в течение всего срока службы. Большинство закопанных стабилитронов имеют напряжение пробоя 5–7 вольт. Используются несколько различных структур соединения. [7]
Стабилитроны широко используются в качестве опорного напряжения и в качестве шунтирующих стабилизаторов для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает напряжения обратного пробоя диода. С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении. [8]
В этой схеме, типичном источнике опорного напряжения или стабилизаторе, входное напряжение U in (с + вверху) регулируется до стабильного выходного напряжения U out . Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне токов и удерживает U примерно постоянным, даже если входное напряжение может колебаться в широком диапазоне. Из-за низкого импеданса диода при такой работе резистор R используется для ограничения тока в цепи.
В случае этой простой ссылки ток, текущий в диоде, определяется с использованием закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R ;
Значение R должно удовлетворять двум условиям:
В этой опорной схеме к диоду можно подключить нагрузку, и пока стабилитрон находится в режиме обратного пробоя, диод обеспечивает стабильный источник напряжения для нагрузки. Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более совершенных схем стабилизаторов напряжения.
Шунтирующие стабилизаторы просты, но требования, чтобы балластный резистор был достаточно мал, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в худшем случае работы (низкое входное напряжение одновременно с высоким током нагрузки), как правило, большую часть времени приводит к протеканию большого тока в диоде. , что делает стабилизатор довольно неэкономичным с высокой рассеиваемой мощностью в состоянии покоя, подходящим только для небольших нагрузок.
Эти устройства также встречаются, обычно последовательно с переходом база-эмиттер, в транзисторных каскадах, где выборочный выбор устройства с центром в лавинной точке или точке Зенера может использоваться для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки p – n-перехода транзистора. . Примером такого использования может служить усилитель ошибки постоянного тока , используемый в системе обратной связи цепи регулируемого источника питания .
Стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения скачков переходного напряжения.
Другое применение стабилитрона - использование его шума лавинного пробоя (см. Генератор шума § Стабилитрон ), который, например, можно использовать для подмешивания в аналого-цифровом преобразователе , когда среднеквадратичный уровень эквивалентен от 1 ⁄ 3 до 1 младшего разряда . [10] или создать генератор случайных чисел .
Два стабилитрона, обращенные друг к другу последовательно, отсекают обе половины входного сигнала. Ограничители формы сигнала можно использовать не только для изменения формы сигнала, но и для предотвращения воздействия скачков напряжения на цепи, подключенные к источнику питания. [11]
Стабилитрон можно применить к цепи с резистором, который будет действовать как сдвигатель напряжения. Эта схема снижает выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя стабилитрона.
Стабилитрон можно применить в схеме стабилизатора напряжения для регулирования напряжения, подаваемого на нагрузку, например, в линейном регуляторе .
