Лекция 8. Полупроводниковые стабилитроны. Универсальные диоды
Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока.
Такой участок наблюдается на обратной ветви воль-амперной характеристики кремниевого диода в режиме лавинного или туннельного пробоя. Поэтому в качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например КС168А.Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона изображена на рис. 3.8. На характеристике точками А и В отмечены границы рабочего участка . Положение точки А соответствует напряжению пробоя p-n-перехода, которое зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примесей. Точка В соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность.
Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона
Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами.
Напряжение стабилитрона Uст — напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей p-n-переход получается тонким и в нем доже при малых 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 напряжения стабилизации.
Практически при напряжениях стабилизации ниже 6 В имеет только туннельный пробой, а при напряжении выше 8 В — лавинный. В интервале от 6 до 8 В наблюдаются оба вида пробоя.
Минимально допустимый ток стабилизации Iст min — ток, при которой пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.
Максимально допустимый ток стабилизации Iст max — ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Рmax.
Дифференциальное сопротивление rст = dUст / dIст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше rст, тем лучше стабилизация напряжения.
Температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения стабилизации (ΔUст/Uст) к абсолютному изменению темепературы окружающей среды (ΔTокр) при постоянном току стабилизации:
. (3.4)
У стабилитронов с лавинным пробоем ТНК положительный, а с туннельным — отрицательный. Для выпускаемых промышленностью стабилитронов значение ТНК колеблется от 0,001 до 0,2 %/К.
Для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода при Uст > Uк. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют стабистрами. Характеристика стабистора приведена на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми имеют стабисторы, изготовленные из селена. Графическое изображение стабилитрона (стабистора) показано на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Графическое изображение стабилитрона (стабистора)
В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема стабилитрона напряжения показана на рис. 3.11. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке Rн, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся функционально необходимым элементом.
Рис. 3.11. Схема стабилизатора напряжения
Для схемы, показанной на рис3.11, справедливо уравнение
. (3.5)
После преобразования уравнения получим
. (3.6)
На основании уравнения (3.6) может построена нагрузочная прямая, точка пересечения которой с вольт-амперной характеристикой является рабочей. При изменении напряжения источника питания Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе (рис. 3.12, а), а при изменении сопротивления нагрузки изменятся ее наклон (рис. 3.12, 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.
Рис. 3.12. К пояснению работы стабилизатора напряжения
С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме объясняется следующим образом.
Увеличение напряжения источника питания на величину ΔE 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. Приращение напряжения источника питания на величину ΔE почти целиком произойдет на ограничительном резисторе R. При уменьшении напряжения источника питания на величину ΔE общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не вышло из пределов стабилизации, в этом случае при сохранении постоянного напряжения на нагрузке напряжение на резисторе R уменьшится на величину ΔE.
Таким образом, наличие ограничительного резистора R в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения является принципиально необходимым.Изменение сопротивления нагрузки при неизменном напряжении источника питания не приведет к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.
Помимо стабилизации постоянного напряжения, стабилитроны используются в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.
Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов, частота которых не превышает 1000 МГц.
Вторым элементом обозначения универсальных диодов является буква «Д». На схемах они изображаются так же, как и выпрямительные диоды (см. рис. 3.2). Диод будет обладать односторонней проводимостью, если на частоте сигнала выполняется условие 
>> rд.обр. Для выполнения этого условия необходимо уменьшать емкость Сзар. Это достигается использованием точечных p-n-переходов, обладающих малой площадью и малой зарядной емкостью. Диоды с такими переходами называют точечными.
Точечный p-n-переход образуется в точке контакта металлической иглы с пластинкой полупроводника n-типа. Для стабилизации свойств диода применяют электроформовку точечного p-n-перехода путем пропускания через него коротких импульсов тока. Энергия этих им пульсов должна быть достаточной для сплавления конца иглы с полупроводником.
Материал иглы подбирают так, чтобы он являлся акцептором для полупроводника n-типа. Например, иглу изготавливают из бериллиевой бронзы или покрывают ее конец индием, алюминием и т.д. При сплавлении происходит диффузия примесей в полупроводник, формируется область с проводимостью p-типа и образуется p-n-переход в форме полусферы. Емкость такого перехода составляет единицы пикофарад.
Малая площадь p-n-перехода и плохие условия отвода теплоты затрудняют получение прямых токов диода более 20 мА.
Большими прямыми токами характеризуются микросплавные диоды, у которых p-n-переход получается при электроформовке контакта между пластинкой полупроводника и иглой с плоским торцом. Увеличение площади p-n-перехода позволяет повышать прямые токи и улучшать условия теплоотвода. Корпус этих диодов изготавливают из стекла. У некоторых диодов на корпус наносят непрозрачное покрытие, исключающее воздействие света на кристалл полупроводника.