Методические указания по подготовке к работе. Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в электрических схемах

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в электрических схемах. Для этого используются полупроводниковые приборы, у которых на вольт – амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви ВАХ кремниевого диода в режиме электрического пробоя, связанного с увеличением напряженности электрического поля в p-n-переходе. При этом электрический пробой p-n-перехода делится на два вида: туннельный и лавинный.

Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны одного полупроводника в зону проводимости другого. Это становится возможным, если напряженность электрического поля в p-n-переходе из кремния достигает значения 4·10⁵В/см, а из германия – 2·10⁵В/см. Такая большая напряженность электрического поля возможна при высокой концентрации примесей в p- и n-областях, когда толщина p-n-перехода становится весьма малой. Под действием сильного электрического поля валентные электроны вырываются из связей, образуя парные заряды электрон – дырка, которые увеличивают обратный ток через p-n-переход.

В широких p-n-переходах, образованных полупроводниками с меньшей концентрацией примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой. Лавинный пробой возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n-перехода. Если за время свободного пробега электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n-переходе, то наступает ударная - ионизация атомов, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток p-n-перехода.

В качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Условное графическое изображение полупроводниковых стабилитронов показано на рис. 2.1,а. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например, КС147А или 2С147А.

I пр

Uст

Uпроб

а) 2С147А б)

U обр А Iст min U пр

Iст

B

P max Iст max

I обр

Рис. 2.1. Графическое изображение (а) и вольт – амперная характеристика (б) стабилитрона

На ВАХ полупроводникового стабилитрона (рис. 2.1,б) точками «А» и «В» отмечены границы рабочего участка характеристики. Положение точки «А» соответствует напряжению пробоя p-n-перехода. Напряжение пробоя Uпроб зависит от величины удельного сопротивления исходного материала полупроводника и концентрации примесей. Точка «В» соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность - P max.

Стабилитроны характеризуются специальными параметрами, указанными на рис. 2.1,б.

Напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. При большой концентрации примеси p-n-переход получается тонким и в нем уже при малых обратных напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наступает раньше, чем напряженность электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя.

Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжение стабилизации. Практически при напряжениях стабилизации ниже 6В имеет место только туннельный пробой, а при напряжениях выше 8В – лавинный. В интервале от 6В до 8В наблюдаются оба вида пробоя.

Минимально допустимый ток стабилизации Iст min – ток, при котором пробой p-n-перехода становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы стабилитрона.

Максимально допустимый ток стабилизации Iст max – ток, при котором достигается максимально допустимая мощность P max, рассеиваемая стабилитроном.

Дифференциальное сопротивление r ст диф. = d Uст / d Iст – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока стабилизации. Чем меньше величина r ст диф., тем лучше стабилизация напряжения.

Для стабилизации низких напряжений (до 1В) используют прямую ветвь вольт – амперной характеристики диода при Uст > Uк. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего через него тока. Такие полупроводниковые приборы называют стабисторами. Вольт – амперная характеристика стабистора приведена на рис. 2.2,а. Обозначение стабистора, его графическое изображение и схема включения представлены на рис. 2.2,б. Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми стабисторами имеют селеновые стабисторы.

I пр

mA

12

Iст max 2С107А

8

4 + -

Iст min Uст

I ст

0 0,5 1,0 U пр

B

а) б)

Рис. 2.2. Вольт – амперная характеристика (а) и графическое изображение (б) стабистора

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема стабилизатора напряжения показана на рис. 2.3. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке Rн, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся функционально необходимым элементом.

UR

R

+

Е I Iст Iн R н Uст

_

Рис. 2.3. Схема стабилизатора напряжения

Для схемы, показанной на рис. 2.3, справедливо уравнение

(2.1)

После преобразования уравнения (2.1) получим

(2.2)

На основании уравнения (2.2) на графике обратной ветви ВАХ стабилитрона может быть построена линия нагрузки. Точка, в которой линия нагрузки пересекается с обратной ветвью ВАХ стабилитрона, называется рабочей точкой. При изменении напряжения источника питания Е – линия нагрузки перемещается параллельно самой себе (рис. 2.4,а), а при изменении сопротивления нагрузки Rн – изменяется ее наклон (рис.2.4,б). При этом если рабочая точка не выходит из границ участка АВ, то напряжение на нагрузке остается практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке остается постоянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме заключается в следующем.

Увеличение напряжения источника питания на величину Δ Е приводит к увеличению общего тока в цепи I = Iст + Iн. Поскольку при изменении тока, проходящего через стабилитрон, напряжение на нем остается практически неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки Iн можно пренебречь. Падение приращения напряжения источника питания Δ Е почти целиком произойдет на ограничительном резисторе R.

При уменьшении напряжения источника питания на величину Δ Е общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не привело к выходу рабочей точки за пределы рабочего участка (АВ) характеристики стабилитрона, то напряжение на нагрузке останется неизменным, а напряжение на резисторе R уменьшится на величину Δ Е. Таким образом, наличие ограничительного резистора R в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения является принципиально необходимым.

I пр I пр

E 1 Rн /(R + Rн) Uст ERн 1/(R + Rн 1) Uст

А 0 U пр A 0 U пр

Рабочие точки

Е 1 Rн 1

E 2 > E 1 Е 2 Rн 2 > Rн 1

Е 1/ R Rн 2

B B E / R

Р max Е 2/ R Р max

а) б)

Рис. 2.4. Вольт – амперная характеристика стабилитрона и линии нагрузки:

а) – при изменении напряжения источника питания;

б) – при изменении сопротивления нагрузки.

Изменение сопротивления нагрузки Rн при неизменном напряжении источника питания Е не приведет к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.

К туннельным диодам относятся диоды, у которых за счет туннельного эффекта прямая ветвь ВАХ имеет область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вторым элементом их обозначения является буква «И», например, ГИ305А. Условное графическое изображение туннельного диода показано на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Графическое изображение туннельного диода

Туннельный переход электронов через p-n-переход возможен, если толщина p-n-перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в p-n-переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (10¹⁹… 10²¹ см^-3). При этих условиях ширина p-n-перехода имеет порядок 10^-6 см, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в p-n-переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер. В полупроводниках с такой концентрацией примесей атомы примеси взаимодействуют между собой и их уровни расщепляются в зоны, примыкающие в полупроводнике p-типа к валентной зоне, а в полупроводнике n-типа – к зоне проводимости. Такие полупроводники называют вырожденными. В них уровни Ферми расположены в зоне проводимости n-области и в валентной зоне p-области.

Вид ВАХ туннельного диода (рис. 2.6) может быть пояснен с помощью энергетических диаграмм, при построении которых предполагается, что в зоне проводимости n-области все уровни от Wдn до Wфn заняты электронами, а уровни, расположенные выше, свободны. В валентной зоне p-области все уровни от Wвp до Wфp свободны, а уровни ниже Wфp заняты электронами.

При отсутствии внешнего напряжения (Uпр = 0, рис. 2.6,б), уровень Ферми в обеих областях одинаков (Wфn = Wфp) и против занятых электронами энергетических уровней p-области располагаются занятые электронами энергетические уровни n-области. Туннельный переход электронов в этом случае невозможен, и ток равен нулю.

При подаче прямого напряжения Uпр 1 уровни Ферми смещаются на величину W = qUпр 1, где q – заряд электрона, равный 1,6·10^-19Кл. Это приводит к тому, что против части энергетических уровней, занятых электронами в n-области, окажутся свободные энергетические уровни p-области (рис. 2.6,в). В результате этого происходит туннельный переход электронов из n-области в p-область и проходит прямой туннельный ток, пропорциональный площади перекрытия свободных разрешенных энергетических уровней валентной зоны p-области и заполненных энергетических уровней зоны проводимости n-области.

p n p n p n p n p n

(зп)

Wдp

Wвp (зз) (зп)

W фn

W фp

(вз) (зз) Wдn

Wвn

(вз)

б) в) г) д) е)

I пр p n

I п

p n W фn

-Δ I

I в W фp

W фp

W фn 0 U п U в U р U пр

Δ U ж)

а)

Рис. 2.6. Вольт – амперная характеристика туннельного диода и энергетические диаграммы (Wдn, Wдp – энергетические уровни дна зоны проводимости, Wвn, Wвp – энергетические уровни потолка валентной зоны, в n- и p-областях соответственно; зп – зона проводимости, зз – запрещенная зона, вз – валентная зона)

Туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока выше упомянутое перекрытие не станет максимальным (рис. 2.6,г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения площадь перекрытия соответствующих энергетических уровней и туннельный ток уменьшаются (рис. 2.6,д), и при некотором прямом напряжении занятые электронами энергетические уровни зоны проводимости n-области окажутся целиком расположенными напротив энергетических уровней запрещенной зоны p-области. Туннельный переход электронов в этом случае станет невозможным и туннельный ток прекратится.

Наряду с туннельным переходом электронов при прямых напряжениях в диоде имеет место инжекция электронов из n-области в p-область и инжекция дырок из p-области в n-область, что вызывает прохождение через туннельный диод диффузионного тока, как и в обычных полупроводниковых диодах. Поэтому ток туннельного диода при Uпр = U в имеет туннельную и диффузионную составляющую (рис. 2.6,е). Дальнейшее увеличение Uпр приводит к росту только диффузионного тока (рис. 2.6,ж).

Если туннельный диод включается в обратном направлении, то уровни Ферми смещаются так, как показано на рис. 2.6,а, и появляется возможность туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Это приводит к появлению большого обратного туннельного тока.

К основным параметрам туннельных диодов относятся: напряжение и ток пика U п и I п; напряжение и ток впадины U в и I в; отношение токов I п / I в; напряжение раствора U р > U в, при котором ток равен пиковому току; емкость диода «С»; отрицательная проводимость σпер = d I / d U, определяемая на середине падающего участка вольт – амперной характеристики; сопротивление потерь R п. Параметры зависят от выбора полупроводника (ширины запрещенной зоны) и степени его легирования. Увеличение концентрации доноров приводит к росту I п и I в. Повышение концентрации акцепторов увеличивает I п, U п, I в и U в. Напряжения U п и U р возрастают при увеличении ширины запрещенной зоны.

По своему назначению туннельные диоды делятся на три группы: усилительные, генераторные и переключательные.

Дата добавления: 2015-05-06