2.5. Стабилитроны, или опорные диоды

Стабилитроны, или опорные диоды, предназначены для стабилизации постоянного напряжения и ограничения выбросов напряжения. В этих диодах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что в режиме электрического пробоя небольшое увеличение напряжения на p-n-переходе вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока (рис. 2.4). Участок от Ic. min до Ic. max (рис. 2.4) является рабочим участком вольт-амперной характеристики ПП стабилитрона. Главным параметром прибора является напряжение стабилизации Uст, равное напряжению пробоя при номинальном токе стабилизации. Шкала напряжений у промышленных типов стабилитронов лежит в пределах 3 – 180 В [5]. В зависимости от типа стабилитрона величина максимального тока стабилизации, достижение которого ещё не грозит тепловым пробоем p-n-перехода, может составлять от 2 мА до 1,5 А.

Качество стабилизации напряжения определяет наклон вольт-амперной характеристики на рабочем участке. Его параметром является динамическое сопротивление стабилитрона:

rд = ∆Ucт / ∆Ic. (2.1)

Рис. 2.4. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

Величина r_д для низковольтных стабилитронов лежит в пределах 1 – 30 Ом, а для высоковольтных – 18 – 300 Ом.

Важным параметром стабилитронов является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН, равный относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1^оС и постоянном номинальном токе стабилитрона Ic.ном.

(2.2 )

У низковольтных стабилитронов, работающих на принципе туннельного пробоя (U_ст.ном = 3,3 – 5,6 В), ТКН имеет отрицательные значения, а у стабилитронов с U_ст.ном ≥ 6 В, работающих на принципе лавинного пробоя, – положительные значения.

Прямая ветвь ВАХ имеет отрицательный ТКН. Поэтому для стабилитронов с Ucт > 6 В возможна термокомпенсация их положительного ТКН путём последовательного включения в прямом направлении дополнительных p-n-переходов в одном корпусе. Промышленностью выпускаются компенсированные прецизионные стабилитроны, ТКН которых уменьшен до 0,0005 % / ⁰C.

2.6. Туннельные диоды

Туннельный диод представляет собой ПП прибор с одним p-n-переходом, изготовленным на основе ПП с высоким содержанием примесей. Высокая доза примесей в ПП вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне. Такие полупроводники называются вырожденными. Зонные диаграммы p-n-перехода на вырожденных ПП приведены на рис. 2.5.

В равновесном состоянии p-n-перехода уровень Ферми является единым для всего объёма ПП. Поэтому нижняя граница зоны проводимости n-области оказывается ниже верхнего уровня валентной зоны p-области, имеет место перекрытие зон (рис. 2.5, а).

Поскольку ширина p-n-перехода на основе вырожденных полупроводников получается очень узкой, порядка 0,01 мкМ, то электроны перемещаются сквозь потенциальный барьер по горизонтали без затраты энергии (электрон туннелирует как волна). Через узкий p-n-переход протекает туннельный ток в обоих направлениях: при прямом смещении в прямом направлении, а при обратном – в обратном направлении. В равновесном состоянии ток через p-n-переход равен нулю.

а) б) в) г)

Рис. 2.5. Зонные диаграммы p-n-перехода на вырожденных ПП:

а – равновесное состояние; б, в – прямое смещение; г – обратное смещение

Вольтамперная характеристика p-n-перехода на основе вырожденных полупроводников приведена на рис. 2.6. При увеличении прямого напряжения туннельный ток вначале увеличивается, а затем уменьшается (линия 1 на рис. 2.6).

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика туннельного диода:

1 – ток туннельный; 2 – ток инжекции; 3 – общая характеристика

Это происходит потому, что уменьшается перекрытие зон (рис. 2.5, б) и при некотором напряжении напротив уровней зоны проводимости n-области будет уже запрещенная зона p-области (рис. 2.5, в); туннельный ток будет равен нулю.

Через p-n-переход при прямом смещении кроме туннельного протекает еще и ток инжекции, как через обычный p-n-переход (линия 2 на рис. 2.5). При обратном смещении через p-n-переход протекает туннельный ток в обратном направлении (рис. 2.5, г).

Из вольтамперной характеристики видно, что туннельный диод не имеет запорного направления. Рабочим участком является падающий участок, на котором туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением:

_(2.3)

_{Сопротивление называется отрицательным потому, что при увеличении тока напряжение на этом сопротивлении не увеличивается, а уменьшается. Мощность является отрицательной, т. е. она не расходуется в этом сопротивлении, а выделяется в нагрузку. Минимальное абсолютное значение этого сопротивления} является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диодов оно имеет значение от единиц до десятков Ом. Другими параметрами туннельного диода являются характерные точки на вольтамперной характеристике:

Imax и Imin – максимальный и минимальный туннельный токи;

Imax / Imin – отношение максимального тока к минимальному;

U₁ и U₂ – напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям туннельного тока;

U₃ – напряжение раствора ВАХ, соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.

Туннельные диоды используются в схемах генераторов и усилителей диапазона СВЧ, в быстродействующих ключевых и импульсных устройствах и других схемах. Они могут работать в более широком диапазоне температур по сравнению с обычными ПП диодами (от –4 ⁰К до +200 ⁰С германиевые; до +400 ⁰С кремниевые; до + 600 ⁰С арсенид-галлиевые).