Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про стабилитрон, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое стабилитрон, диод зенера, защитный диод, стабисторы, стабистор, презиционные стабилитроны , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Существуует большое многообразие полупроводниковых приборов, - Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитрон ы, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и еще много разных типов и областей применения.
Полупроводниковые диоды, для которых характерна слабая зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя при обратном смещении, называют стабилитронами.
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне, и который предназначен для стабилизации уровня напряжения в схеме. Стабилитроном - радиокомпонент, конструктивно напоминающий диод, но кардинально отличающийся от него характером функционирования. Ключевым элементом так же, как и в обычном полупроводниковом вентиле, является полупроводниковый p-n-переход. И реакции обоих элементов на подачу обратного напряжения схожи – они оба запираются. Разница заключается в том, что пробой p-n-переходной зоны, который наступает при достижении обратным смещением некоего критического значения и выводит диод из строя, для стабилитрона является рабочим режимом.
Исходным материалом служит кремний, обеспечивающий малые обратные токи, широкий диапазон температур, высокую крутизну ВАХ в области напряжения стабилизации. Принцип работы стабилитронов основан на использовании свойства p-n-перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне изменения обратного тока. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным.
Основа функциональности стабилитрона состоит в том, что при довольно больших изменениях обратного тока напряжение на элементе остается практически неизменным. Другими словами, насколько бы существенным ни было обратное смещение, радиокомпонент будет поддерживать постоянный уровень выходной разности потенциалов. Эта стабилизированное напряжение может использоваться в качестве опорного, что и находит применение в реальных радиоэлектронных устройствах, критичных к электрическим характеристикам сигнала.
У полупроводникового стабилитрона (рис. 11.4, а) — в рабочем режиме используется обратная ветвь его ВАХ (рис. 11.4, б), причем на участке, соответствующем электрическому пробою.
Рис. 11.4. Полупроводниковый стабилитрон:
а — условное изображение; б — ВАХ стабилитрона
Пробой p-n-перехода, при котором работают стабилитроны, может быть лавинным или туннельным. Они являются электрическими и носят обратимый характер. То есть при отключении обратного смещения физико-химические свойства полупроводников восстанавливаются, и диод продолжает исполнять свои функции. Однако в случае стабилитронов условия возникновения пробоя создаются и поддерживаются искусственно.
В основе лавинного и туннельного пробоя лежат одноименные квантовые эффекты, наблюдаемые в кристаллической структуре полупроводника при возбуждении электрического поля. При разной природе и механизмах данных процессов их последствия одинаковы – электроны приобретают энергию, достаточную для прохождения через p-n-переход. Возникает пробой, и через диод начинает протекать обратный ток.
Именно в этом режиме и работает стабилитрон. При этом существует различие между радиокомпонентами, в которых используются разные эффекты. Стабилитроны, функционирующие при лавинном пробое, оперируют разностями потенциалов свыше 7 Вольт. В элементах, рассчитанных на напряжение стабилизации 3-7 Вольт, провоцируется туннельный пробой. Для стабилизации более низких разностей потенциалов применяются
стабистор ы , о которых мы расскажем ниже.
В настоящее время выпускается широкая номенклатура стабилитронов, но вся их масса классифицируется по функциональным характеристикам и конструкции. В зависимости от параметров данные радиокомпоненты подразделяются на следующие классы:
Прецизионные отличаются высокой точностью стабилизации напряжения. Отклонения стабилизируемой разности потенциалов на выходе такой детали не превышают 0,0001%. Точность сильно зависит от времени жизни прецизионного стабилитрона и температуры полупроводника. В связи с этим в отношении этих радиокомпонентов введены эксплуатационные нормы, которые должны постоянно контролироваться в процессе использования аппаратуры.
Двуханодный стабилитрон исполняет функцию двух стабилитронов, включенных встречно. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это позволяет элементу обрабатывать сигналы и с одинаковой эффективностью обрабатывать напряжения разной полярности. Такая радиодеталь изготавливается в едином технологическом цикле, когда на одном кристалле кремния выращивается два встречных p-n-перехода, но, в принципе, роль двуханодного радиокомпонента могут играть и два дискретных стабилитрона, взаимно соединенных катодами.
И, наконец, стабилитроны третьего типа – быстродействующие – отличаются пониженной барьерной емкостью, вследствие чего сокращается продолжительность переходных процессов, протекающих в полупроводнике. Эти радиокомпоненты являются наилучшим решением для работы с импульсными сигналами. Конструктивная особенность данных элементов состоит в небольшой ширине p-n-перехода, которая обеспечивается применением особой технологии легирования полупроводника.
Немного по-другому функционируют радиокомпоненты, называемые стабисторами, о которых мы говорили выше. Они исполняют ту же функцию, то есть стабилизируют выходное напряжение, но являются низковольтными. Обычные стабилитроны не способны оперировать малыми разностями потенциалов. При напряжениях до 3 Вольт не возникает условий ни для лавинного, ни для туннельного пробоя p-n-перехода. Для стабилизации меньших напряжений прибегают к другому решению, а именно к использованию не обратного, а прямого смещения.
Установлено, что в сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 Вольт. Это обуславливает ключевое технологическое различие стабилитронов и стабисторов. Вторые предназначены для работы только в низковольтных радиосхемах.
с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах
Рис Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом корпусе
Рис. Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в стеклянном корпусе
У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Для обеспечения электрического пробоя при относительно небольших обратных напряжениях напряженность электрического поля в p-n-переходе должна быть значительно выше, чем у обычных диодов, поэтому при изготовлении стабилитронов используют материалы с высокой концентрацией примесей.
обычных (вверху) и двуханодных (внизу) стабилитронов на принципиальных схемах
ВАХ стабилитрона реальная
Идеальная ВАХ стабилитрона
1. Uст
2. Дифференциальное сопротивление Rдиф = 0.5 – 200 Ом
3. Iст min ток стабилизации минимальный
4. Iст max ток стабилизации максимальный
Imax≈ Pmax/Uст
В качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большой устойчивостью к тепловому пробою.
Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней U в различных схемах
Группы маломощных диодов в виде диодных матриц и диодных сборок используются в логических устройствах дешифраторах и других элементах ВТ.
Стабилитрон в схему стабилизации обычно включают так, чтобы p-n-переход был смещен в обратном направлении.
Для стабилизации малых напряжений U = 1 - 1.5B используют стабисторы
В прецизионных стабилитронах используют три последовательно соединенных p-n-перехода, один из которых – стабилизирующий, два других – термокомпенсирующие. Если стабилизирующий переход работает в режиме лавинного пробоя, то с увеличением температуры напряжение на нем растет. Одновременно прямое напряжение на двух термокомпенсирующих переходах уменьшается, поэтому общее напряжение на стабилитроне меняется незначительно.
Для обеспечения стабилизации двуполярных напряжений стабилитроны общего назначения включают последовательно, а прецизионные – параллельно.
Двуханодные стабилитроны имеют структуру, формируемую диффузией примесей в пластину n-кремния одновременно с двух сторон. Образующиеся при этом два p-n-перехода включены встречно. Внешние выводы имеют только анодные p-области структуры. При подаче на стабилитрон напряжения любой полярности один переход работает в режиме электрического пробоя, а другой является термокомпенсирующим
Хорошие стабилизирующие свойства стабилитронов и стабисторов обуславливают основную сферу применения этих радиокомпонентов – создание фиксированного питающего и опорного напряжения в различных радиоэлектронных устройствах. На первом месте по распространенности стоят стабилитроны, используемые в источниках питания. Применение этих специализированных диодов обеспечивает стабильные выходные параметры питающего напряжения и одновременно упрощает схему.
В блоках питания с повышенными требованиями по точности выходных характеристик находят применение прецизионные стабилитроны. Эти элементы устанавливаются в высокоточной измерительной аппаратуре и аналого-цифровых преобразователях. Двуханодные стабилитроны используются в подавителях импульсных помех. Данные радиокомпоненты в реальных схемах нередко сочетаются с импульсными диодами. Быстродействующие стабилитроны в сочетании с СВЧ-диодами применяются в аппаратуре, работающей на сверхвысоких частотах – передатчиках, радиолокаторах и так далее.
Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier
Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.
Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой широко применяются в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения (ИОН), в том числе в наиболее требовательных к стабильности напряжения схемах измерительных аналого-цифровых преобразователей. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона[38].
Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений, вызываемых разрядами молний и статического электричества, а также от выбросов напряжения на индуктивных нагрузках. Такие приборы номинальной мощностью 1 Вт выдерживают импульсы тока в десятки и сотни ампер намного лучше, чем «обычные» пятидесятиваттные силовые стабилитроны. Для защиты входов электроизмерительных приборов и затворов полевых транзисторов используются обычные маломощные стабилитроны. В современных «умных» МДП-транзисторах защитные стабилитроны выполняются на одном кристалле с силовым транзистором.
В прошлом стабилитроны выполняли и иные задачи, которые впоследствии потеряли прежнее значение:
В среде моделирования SPICE модель элементарного стабилитрона используется не только по прямому назначению, но и для описания режима пробоя в моделях «реальных» биполярных транзисторов. Стандартная для SPICE модель транзистора Эберса—Молла режим пробоя не рассматривает
Статью про стабилитрон я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое стабилитрон, диод зенера, защитный диод, стабисторы, стабистор, презиционные стабилитроны и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база