1112
Кремниевый стабилитрон
Доклад
Физика
Процессы в p-n переходе при обратном напряжении. Энергетическая диаграмма p-n перехода при больших концентрациях. Пробои p-n перехода. ВАХ кремниевого стабилитрона. Характеристика стабилизатора.
Русский
2013-01-06
65.5 KB
55 чел.
Кремниевый стабилитрон
В этом диоде применяется электрический неразрушающий пробой p-n перехода, который возникает при обратных напряжениях. Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Для лавинного пробоя требуется обратное напряжение более 6- 8-и Вольт (8-150 В), для туннельного – до 6-8 Вольт. Рассмотрим механизм лавинного пробоя. На рис. показан p-n переход при обратном напряжении.
Рис. Процессы в p-n переходе при обратном напряжении
Неосновной носитель p- области, электрон , в p-n переходе попадает в сильное электрическое поле и набирает большую кинетическую энергию. При ударении в нейтральный атом кристаллической решетки происходит его ионизация. В результате образуются свободные носители, отрицательные электроны и положительный ион . Вновь образованные электроны ускоряются электрическим полем, набирают достаточную для ионизации энергию и «раскалывают» нейтральный атом. Таким образом, происходит лавинное размножение носителей, лавинная ионизация, которая оценивается коэффициентом лавинного размножения M=n1- число вышедших из перехода электронов/n2 – число вошедших в переход электронов, М>1. Такое же поведение и у дырочных носителей вошедших в переход.
Туннельный пробой наступает переходах малой толщины Δ, что будет при высокой концентрации примеси. Энергетическая диаграмма p-n перехода для этого случая при обратном напряжении показана на рис.
Рис. Энергетическая диаграмма p-n перехода при больших концентрациях
Примесей
Ее особенности таковы.
- обратное напряжение привело к увеличению энергетического барьера на переходе.
- Высокая концентрация примесей образовала энергетические примесные зоны.
- Напротив валентной зоны p-области расположилась зона проводимости n-области.
При перечисленных условиях электроны могут не меняя своей энергии переходить из валентной зоны p в зону проводимости n. Это туннелирование электронов, которое и происходит при пробое. На практике процесс нарастания обратного тока происходит резко, в то время как при лавинном пробое увеличение идет постепенно. Вольт-амперная характеристика стабилитрона показана на рис.
Необходимо заметить, что при больших токах оба электрические пробоя заканчиваются тепловым разрушением перехода, тепловым пробоем.
Рис. Пробои p-n перехода
На рис. отдельно показана вольт-амперная характеристика стабилитрона и по ней введены параметры рабочей ветви.
Рис. ВАХ кремниевого стабилитрона
- Uст – напряжение стабилизации.
- Iст max – максимальный ток стабилизации.
- Rст – статическое сопротивление рабочего участка, Rст = Uст / Iст.
- Rдин – динамическое сопротивление рабочего участка Rдин = ΔUст / ΔIст .
- ТКН – температурный коэффициент напряжения. Показывает, как изменяется напряжение стабилизации от изменения температуры, ТКН= ΔUст/ UстT, где Т – абсолютная температура.
На рис. показана схема стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы называются параметрические, то - есть в них используются параметры ВАХ.
Рис. Схема стабилизатора напряжений.
Назначение элементов в схеме следующее. R2 – сопротивление нагрузки,
R1 – сопротивление, ограничивающее ток и предотвращающее тепловой пробой, VD1 – кремниевый стабилитрон. Основная характеристика стабилизатора Uвых=F(Uвх), ее вид изображен на рис. 19.
Рис. 19 Характеристика стабилизатора
Качество стабилизатора определяется коэффициентом стабилизации, который равен отношению относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного, Kст = (ΔUвх/Uвх)/( ΔUвых/Uвых). Чем больше этот коэффициент, тем выше качество стабилизатора. Обычно Кст=10-30. Полезно запомнить следующее.
- Стабилитрон не включается без ограничительного балластного сопротивления (R1 на рис.).
- Для увеличения напряжения стабилизации допускается последовательное включение стабилитронов.
- Параллельное включение бессмысленно, т.к. у них большой разброс параметров и первый открывшийся стабилитрон не допустит открывание второго.
A
A
+
-
-
+
-
-
-
P-область,
-U
∆
n-область
+U
p-n переход
Электрон
ион
Uобр.
Лавинный пробой
Туннельный пробой
тепловой
пробой
Iобр.
Uобр.
Iобр.
ΔUст.
Iст.maxx
ΔIст.
Uст.
R1
Uвх.
Uвых.
VD1 R2
+
–
1
2
Uвых
Uвх
Электрический
пробой
Рабочий участок
ВАХ
