Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электри­ческому пробою р-n перехода

Кремниевые стабилитроны

Явление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах, получивших название кремниевых стабилитронов, или опорных диодов.

При изготовлении стабилитронов наиболее широко использу­ются сплавной и диффузионно-сплавной методы получения р-n переходов. Исходным материалом при изготовлении стабилитрона служит пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р-n переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус (рис. 6.4).

Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электри­ческому пробою р-n перехода.

Следует отметить, что эффект Зинера и лавинный механизм электрического пробоя

р-n перехода наблюдаются как у кремни­евых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, со­провождающее эти процессы, приводит для германия к дополнитель­ной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину ла­винного пробоя. Поэтому в качестве материала для полупровод­никовых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Рис. 6.4. Конструкция

кремниевого стабилитрона:

1,8 — внешние выводы; 2 — трубка;

3 — изолятор; 4 — корпус;

5 — внут­ренний вывод;

6 — кристалл с переходом;

7 — кристаллодержатель

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольтамперная характеристика (рис. 6.5). В прямом направлении вольтамперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти парал­лельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения¹.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в р-n переходе даже при значительных обратных токах, будет неболь­шой, что предохраняет р-n переход от теплового (необратимого) пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока ста­билитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.

¹ Полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является прямая ветвь вольтамперной характеристики, называют стабистаром.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U_CT - падение напряжения на ста­билитроне в области стабилизации при поминальном значении тока.

Минимальный ток стабилизации I_CT..min - такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации I_CT.max - наибольшее значе­ние тока через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.

Дифференциальное сопротивление r_CT - отношение прираще­ния напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

r_CT = ΔU_CT/ΔU_CT. (6.1)

Величина r_CT характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.

Максимальная мощность рассеивания P_mах - наибольшая мощ­ность, выделяющаяся в р-n переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_ст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выра­жается в %/град)

Α_CT = ΔU_CT /(U_CT∙ΔT). (6.2)

Наиболее простая, но достаточно распространенная схема стабили­затора постоянного "напряжения на кремниевом стабилитроне при­ведена на рис. 6.6. Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R₀ и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения U_BX напряжение на стабилитроне и на нагрузке R_H изменяется незначительно, в чем и выражается стаби­лизирующее действие схемы.

Одна из возможных схем стабилизатора переменного напряже­ния на кремниевых стабилитронах приведена на рис. 6.7, а. Напря­жение сети через трансформатор Т поступает в схему, состоящую из резистора R₀ и встречно включенных стабилитронов VD1 и VD2. Переменное напряжение ограничивается на уровне напряжения стабилизации U_CTстабилитронов VD1 и VD2. В результате этого на выходе получается напряжение U_ВЫХтрапецеидальной формы (рис. 6.7, б). При изменении величины входного напряжения ампли­туда выходного напряжения остается постоянной, а действующее значение меняется незначительно (за счет некоторого изменения площади трапеций).

Более сложные схемы стабилизаторов напряжения рассматри­ваются в гл. 20.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Пользуясь справочником [42], расшифруйте обозначения следующих полупроводниковых диодов:

1А401Б, КЛ104А, 2С447А, 2Д910В, АЛ102Г.1И403А, 2ВШ4Г, ГА501Ж,

ГД507А, АИ201И, ЗИ201Л, КС531В, КЦ403Г, Д226Е, КС680А, КД503Б, 2А202А, ФД-1.

2. Каким типам полупроводниковых диодов соответствуют условные гра­фические обозначения, приведенные на рис. 6.25.

3. Какие из указанных полупроводниковых диодов целесообразно использо­вать в схемах выпрямителей?

Д818Г, ГД107Б, 2Д202В, 2Д918А, АИ101А, 2Б110Е, 2У102А, КВ104Б, КЦ405Г, 2С551 А.

4. Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики полупровод­никового диода типа 2Д202Д.

5. Можно ли в схеме рис. 6.3,6 для выравнивания обратных сопротивлений подключить параллельно каждому из диодов резисторы с сопротивле­нием 10 Ом?

6. Могут ли кремниевые стабилитроны работать в режиме теплового про­боя?

7. Объясните физический смысл основных параметров кремниевых стабили- тронов.

8. Для стабилизации напряжения используется кремниевый стабилитрон, напряжение стабилизации которого постоянно и равно U„ = 10 В. Опре­делить допустимые пределы изменения питающего напряжения,

если I_стmах = 30мА; I_стmin= 1мА; R_Н = 1 кОм; R₀ = 500Ом.

9. Какие требования предъявляются к высокочастотным диодам? Укажите правильный ответ:

a)высокое обратное напряжение;

b)диод должен быть плоскостным;

c)диод должен иметь минимальную емкость;

d)большой участок насыщения в области обратных напряжений;

e)большая мощность рассеяния.

10. Какими параметрами характеризуются импульсные диоды?

11. Укажите основную характеристику варикапа: 1) I_пр= f (U_пр); 2) С_б = f (U_обр); 3) С_диф = f (U_пр); 4) U_обр = f (С_б); 5) С_диф = f(Uобр).

12. Укажите примерное значение рабочей частоты туннельных диодов: 10⁶ Гц; 10²¹ Гц; 10¹¹ Гц; 10³; Гц; 10¹⁶ Гц.

13. Составьте схему для снятия вольтамперной характеристики диода типа ЗИ301Г. Подберите необходимые измерительные приборы.

14. В каких электронных схемах используются туннельные диоды? Ука­жите правильный ответ:

a)в схемах генераторов;

b)в схемах выпрямителей;

c)для настройки колебательных контуров;

d)в схемах усилителей;

e)в переключающих схемах;

f)в схемах, реагирующих на изменение температуры.

15. Можно ли использовать свойства фотодиодов, если к нему подведено прямое напряжение?

16. Как работает фотодиод в вентильном режиме?

17. Составьте схемы фотореле с использованием фотодиодов.

18. Объясните механизм работы светодиодов.

19. Укажите возможности практического применения светодиодов.