1.3 Стабилитроны

Стабилитрон служит для стабилизации напряжения. Его действие основано на использовании электрического пробоя в р-п переходе при обратных напряжениях.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме слабо зависит от тока, что является основой применения этих приборов. Зависимость напряжения от тока характеризуется дифференциальным сопротивлением стабилитрона

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом.

Схема включения стабилитрона и его вольт-амперная характеристика представлены соответственно на рис. 1.12. и 1.13. Стабилитрон включают параллельно нагрузке .

Рис. 1.12. Простейшая схема стабилизации напряжения	Рис. 1.13. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Последовательно с этим параллельным участком включают ограничительный («балластный») резистор , сопротивление которого должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона.

Рассмотрим рис. 1.12 и вычислим точность стабилизации напряжения на нагрузке , если известна точность стабилизации напряжения питания .

Токи в схеме связаны соотношением:

(1.22)

Учитывая, что , выражение (1.22) можно переписать, выра­зив токи через балластное сопротивление и через сопротивление нагрузки согласно закону Ома:

(1.23)

или

(1.24)

Для того чтобы вычислить точность стабилизации, возьмем приращения в уравнении (1.24):

(1.25)

откуда

(1.26)

Пример 1.13.

_{Определить точность стабилизации напряжения} в схеме, изображенной на рис. 1.12, если: дифференциальное сопротивление стабилитрона

Решение: Подставляя численные значения в формулу (1.26).полу­чим:

Ответ:

Пример 1.14.

В условиях предыдущей задачи определить ток через нагрузку. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 1.13.

Решение: Прежде чем определять ток через нагрузку, определим ток через стабилитрон. Проще всего сделать это графически, построив нагрузочную прямую. Из уравнения (1.24) следует, что

(1.27)

(1.28)

Из рисунка 1.13 следует, что ток стабилитрона , напряжение Тогда ток через балластное сопротивление равен

а ток через нагрузку

Ответ: .

Рис. 1.14. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (к задачам 1.3.3-1.3.5)

Пример 1.15.

Определить сопротивление нагрузки и балластное сопротивление в схеме на рис. 1.12, если известна ВАХ стабилитрона (рис. 1.14). Нагрузочная прямая задана в плоскости координатами [8 В, 20 мА], как показано на рис. 1.14. Напряжение питания

Решение: Воспользуемся выражениями (1.27) и (1.28). Из выражения (1.27) определяем балластное сопротивление :

из (1.28) – сопротивление нагрузки:

Ответ:

Часть 2. Варианты домашнего задания

Вариант 1.

1.1. Определить:

1) контактную разность потенциалов р-n перехода кремниевого диода,

2) ширину р-n перехода со стороны n- и p- областей и , а также полную ширину перехода

Рис. 1.15. Схема включения диодов

_{3) максимальную величину напряженности контактного поля}

Известны проводимости в n- и p- областях и а также подвижности электронов и дырок Как изменится высота потенциального барьера , если к р-n переходу приложить внешнее напряжение: а) б)

1.2. В полупроводниковом диоде коэффициент диффузии электронов в 2 раза больше коэффициента диффузии дырок. Время жизни электронов в 8 раз больше времени жизни дырок. Концентрация доноров в n-области в 10 раз больше концентрации акцепторов в p-области. Определить отношение

1.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.15_, если падение напряжения на открытом диоде равно 0,7 В. Диоды одинаковые.

Вариант 2.

2.1.Определить:

1) контактную разность потенциалов р-n перехода кремниевого диода,

2) ширину р-n перехода со стороны n- и p- областей и , а также полную ширину перехода

_{3) максимальную величину напряженности контактного поля}

Известны величины: и ; Как изменится высота потенциального барьера , если к р-n переходу приложить внешнее напряжение: а) б)

2.2. Два диода с идеальными р-n переходами имеют одинаковую геометрию и сделаны из одного материала. Диффузионные длины носителей в первом диоде в 2 раза больше, чем во втором; коэффициенты диффузии в обоих диодах одинаковые. Определить отношение обратных токов , если концентрация примесей в первом диоде в 4 раза меньше, чем во втором.

2.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.15, если падение напряжения на открытом диоде равно 0,7 В. Диоды одинаковые.

Вариант 3.

3.1. Определить:

1) контактную разность потенциалов р-n перехода кремниевого диода,

2) ширину р-n перехода со стороны n- и p- областей и , а также полную ширину перехода

_{3) максимальную величину напряженности контактного поля}

Известны величины: и ; Как изменится высота потенциального барьера , если к р-n переходу приложить внешнее напряжение: а) б)

3.2. Определить, как изменится плотность обратного тока через идеальный кремниевый р-n переход из арсенида галия при уменьшении температуры от Ширина запрещенной зоны GaAs меняется по закону где

3.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.15, если падение напряжения на открытом диоде равно 0,7 В. Диоды одинаковые.

Вариант 4.

4.1. Определить:

1) контактную разность потенциалов р-n перехода кремниевого диода,

2) ширину р-n перехода со стороны n- и p- областей и , а также полную ширину перехода

_{3) максимальную величину напряженности контактного поля}

Известны величины: и ; Как изменится высота потенциального барьера , если к р-n переходу приложить внешнее напряжение: а) б)

4.2. Определить, как изменится плотность обратного тока через идеальный германиевый р-n переход при увеличении температуры от Ширина запрещенной зоны германия при При изменении температуры ширина запрещенной зоны изменяется по закону где

4.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.9. Диоды одинаковые, их вольт-амперная характеристика приведена на рис. 1.7.

Вариант 5.

5.1. Определить:

1) контактную разность потенциалов р-n перехода кремниевого диода,

2) ширину р-n перехода со стороны n- и p- областей и , а также полную ширину перехода

_{3) максимальную величину напряженности контактного поля}

Известны величины: и ; Как изменится высота потенциального барьера , если к р-n переходу приложить внешнее напряжение: а) б)

5.2. Ширина запрещенной зоны полупроводника равна 0,62 эВ и не меняется с температурой. Определить, как изменится плотность тока через р-n переход, сделанный из этого материала, если температура изменяется с Считать, что остальные параметры не зависят от температуры, а напряжение на р-n переходе равно 0,36 В.

5.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.9. Диоды одинаковые, падение напряжения на открытом диоде равно 0,8 В и не зависит от тока через диод.

Вариант 6.

6.1. Определить плотность тока насыщения в идеальном кремниевом переходе, если Заряд электрона .

6.2. Как изменится плотность тока через германиевый идеальный р-n переход при изменении температуры от если напряжение на р-n переходе равно 0,4 В? Ширина запрещенной зоны германия равна 0.665 эВ при 300 К и изменяется по закону где изменением остальных параметров полупроводника пренебречь.

6.3. Определить токи в схеме, изображенной на рис. 1.9. Диоды одинаковые, падение напряжения на открытом диоде равно 0,8 В и не зависит от тока через диод.

Вариант 7.

7.1. Определить плотность тока насыщения в идеальном германиевом переходе, если Заряд электрона .

Рис. 1.16. Схема включения диодов

7.2. Два р-n перехода имеют одинаковые концентрации примесей, но сделаны из ратных материалов. Коэффициенты диффузии и времена жизни носителей в обоих материалах примерно одинаковы. Ширина запрещенной зоны первого материала , ширина запрещенной зоны второго . Оценить отношение плотностей обратных токов при комнатной температуре.

7.3. В схеме, изображенной на рис. 1.16, Определить токи через диоды, напряжение на диодах и напряжение . Определить дифференциальное

сопротивление диодов и сопротивление по постоянному току Вольт-амперная характеристика диодов изображена на рис. 1.7.

Вариант 8.

8.1. Концентрация доноров в n- области диода с идеальным р-n переходом равна концентрации акцепторов в p- области. Как изменится плотность тока через такой переход, если концентрацию доноров увеличить в 5 раз? Принять, что отношения не изменились при изменении уровня легирования.

8.2. Два р-n перехода имеют одинаковые концентрации примесей, но сделаны из разных материалов. Коэффициенты диффузии и времена жизни носителей в обоих материалах примерно одинаковы. Ширина запрещенной зоны первого материала , ширина запрещенной зоны второго , Оценить отношение плотностей обратных токов при комнатной температуре.

8.3. В схеме, изображенной на рис. 1.6, Определить токи через диоды и напряжение на выходе . Определить дифференциальное сопротивление диодов и сопротивление по постоянному току Вольт-амперная характеристика диодов изображена на рис. 1.7.

Вариант 9.

9.1. Плотность тока через идеальный р-n переход при некотором внешнем напряжении Uравна Известно, что концентрация акцепторов в p-области в 10 раз больше, чем концентрация доноров в n-области. Найти плотность тока через аналогичный переход, но с меньшей в 2 раза концентрацией акцепторов, если внешнее напряжение осталось равным U, Принять, что отношения не изменились при изменении уровня легирования.

9.2. В схеме, изображенной на рис. 1.17, Определить ток через диоды и напряжение на каждом диоде. Определить дифференциальное сопротивление диодов и сопротивление постоянному току Вольт-амперная характеристика диодов изображена на рис. 1.7.

1.3. Определить ток через нагрузку и относительную точ­ность стабилизации в схеме рис. 1.12. дифференциальное сопротивление стабилитрона Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1.14.

Рис. 1.17. Схема включения диодов (к задаче 1.2.2)

Вариант 10.

10.1. В полупроводниковом диоде коэффициент диффузии электронов в 4 раза больше коэффициент диффузии дырок. Время жизни электронов и дырок равны. Концентрация акцепторов в p-области в 5 раз больше концентрации доноров в n-области. Определить отношение

10.2. В схеме, изображенной на рис. 1.6, Определить токи через диоды и напряжение на выходе . Определить дифференциальное сопротивление диодов и сопротивление по постоянному току Вольт-амперная характеристика диодов изображена на рис. 1.7.

10.3. Нагрузочная прямая на ВАХ стабилитрона имеет координаты [20 В, 30 мА]. Определить и , если