Стабилитроны: Методические указания к лабораторной работе № 2

               Лабораторная работа № 2

Стабилитроны

1. Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа работы, основных параметров и характеристик стабилитронов, а также исследование влияния рабочей температуры на их параметры. В работе снимаются вольтамперные характеристики различных стабилитронов, определяются их параметры в рабочей точке. Определяется температурный коэффициент напряжения стабилизации.

2. Характеристики и параметры стабилитронов

Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, где происходит электрический пробой p-n перехода и наблюдается слабая зависимость напряжения на p-n переходе от величины протекающего тока (рис. 2.1). Под действием сильного поля в области p-n перехода обратный ток резко возрастает при малых изменениях приложенного напряжения. Эту особенность ВАХ используют для стабилизации или фиксации уровней напряжения.

Рис. 2.1. Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются следующие:

-  Напряжение стабилизации , при заданном токе стабилизации ;

-  Дифференциальное сопротивление в рабочей точке

.

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем лучше стабилизирующие свойства прибора;

-  Максимальный и минимальный ток стабилизации: , . Если , то возрастает  и стабилизации напряжения не происходит. При  возникает значительный перегрев стабилитрона и возможен выход его из строя;

-  Температурный коэффициент напряжения стабилизации

.

Применение стабилитронов хорошо иллюстрируется в простейшей схеме стабилизации напряжения (рис.2.2). Резистор  задает ток в общей цепи , который изменяется пропорционально нестабилизированному входному напряжению . Поскольку при изменении тока стабилитрон обеспечивает постоянное напряжение, то на выходе получим стабилизированное напряжение .

Различные типы стабилитронов имеют величину напряжения стабилизации  = 3.5 - 400 В.

Рис. 2.2. Схема простейшего стабилизатора напряжения

3. Механизмы пробоя

В p-n переходе могут существовать три вида пробоя: лавинный, туннельный и тепловой. Последний является необратимым.

3.1. Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя сходен с механизмом ударной ионизации в газах. Лавинная генерация электронно-дырочных пар происходит в области пространственного заряда p-n перехода, где напряженность электрического поля составляет 10⁴  В/см. При этом возникает резкое возрастание тока p-n перехода. Вольтамперная характеристика в области лавинного пробоя описывается выражением

                       (2.1)

где      - значение обратного напряжения, при котором происходит лавинный пробой (breakdown-пробой);

 - значение обратного тока при ;

 - коэффициент, определяемый типом проводимости базы. Для кремниевых p⁺-n переходов 3.5.

Множитель  называется коэффициентом лавинного умножения

Напряжение лавинного пробоя связано с концентрацией примеси в базе стабилитрона следующим соотношением:

                                          (2.2)

где      - ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;

 - концентрация примеси в базе стабилитрона, см^-3;

 - напряжение лавинного пробоя, В.

Выражение (2.2) позволяет рассчитать концентрацию носителей в базе по заданному напряжению лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя возрастает с увеличением температуры. Это объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается длина свободного пробега носителей из-за более интенсивного рассеяния их на колебаниях атомов кристаллической решетки. Поэтому для достижения условия пробоя требуется приложить большее напряжение.

3.2. Туннельный пробой. Представления о туннельной пробое p-n перехода основаны на квантово-механическом туннелировании электрона из валентной зоны полупроводника p-типа в зону проводимости полупроводника n-типа (рис.2.3) под действием приложенного обратного напряжения. Такой механизм называется механизмом электростатической ионизации или эффектом Зенера. Вероятность туннелирования  экспоненциально зависит от ширины потенциального барьера .

                                                               (2.3)

где      - коэффициент пропорциональности.

Рис. 2.3. Механизм туннельного пробоя

С ростом обратного напряжения величина  уменьшается. При достижении напряженности электрического поля в кремниевом p-n переходе  = 1.4^.10⁶ В/см вероятность туннелирования возрастает и наблюдается резкое возрастание тока через p-n переход. Поскольку ширина потенциального барьера , туннельный пробой происходит при высокой степени легирования р- и n-областей.

Напряжение туннельного пробоя  удобно выражать через удельное сопротивление  и  областей. Для кремниевых стабилитронов зависимость  от  и  выражается  по формуле

;   при 0.01                              (2.4)

С ростом температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, поскольку уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника