Принцип работы стабилитрона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Факультет энергетики и систем управления

Кафедра электромеханических систем и электроснабжения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Воронеж 2013

1. Зонные диаграммы полупроводников, диэлектриков, металлов

В собственных полупроводниках и диэлектриках имеется валентная энергетическая зона, которая в отсутствие возбуждения кристалла полностью заполнена электронами, и зона проводимости, которая в отсутствии возбуждения является пустой.

Между валентной зоной и зоной проводимости находится зона запрещенных состояний.

На рисунке - дно зоны проводимости, - потолок валентной зоны.

Ширина запрещенной зоны равна и определяется энергией ковалентной связи.

С повышением температуры ширина запрещенной зоны уменьшается.

Тепловое возбуждение, переводящие электрон в зону проводимости, одновременно образовывает вакантное место в валентной связи атомов - дырку.

Приложенное напряжение создает дрейф вакантной связи по кристаллу. Это перемещение удобно трактовать как движения положительно заряженного носителя тока - дырки.

В чистом кристалле количество свободных электронов совпадает с количеством дырок в валентной зоне.

Введение контролируемых примесей в полупроводниковый кристалл является основой получения полупроводниковых приборов.

Если ввести в полупроводник равномерно по всему объему пятивалентную донорную примесь, то атомы примеси займут положения в узлах кристаллической решетки. Четыре электрона атома примеси образуют ковалентную связь с атомами полупроводника, а пятый электрон образует водородоподобную систему с некомпенсированным зарядом ядра и слабо связан с примесным атомом.

Если концентрация примесей невелика, то примесные атомы слабо взаимодействуют друг с другом и кристалл имеет дискретный энергетический уровень на ниже дна зоны проводимости. На котором изначально находятся лектроны примесных атомов.

Так как мало то уже при комнатной температуре все пятые электроны переходят в зону проводимости, а примесные атомы становятся закрепленными в кристаллической решетке положительными ионами.

Увеличение числа свободных электронов ведет к уменьшению числа дырок в валентной зоне, так как возрастает вероятность рекомбинации дырок с электронами.

Если ввести трехвалентную акцептурную примесь, примесные атомы займут положения в узлах кристаллической решетки и одна валентная связь у примесного атома окажется неполной. Эта связь легко заполняется в результате перехода электрона от одного из основных атомов кристалла.

Энергия перехода электрона от основного к примесному .

При комнатной температуре почти все примесные атомы становятся отрицательными ионами, закрепленными в узлах кристаллической решетки, образовывая в валентной зоне дополнительные дырки.

Одновременно уменьшается кол-во свободных электронов в зоне проводимости из-за увеличения вероятности рекомбинации.

2. Принцип работы стабилитрона

полупроводник стабилитрон транзистор эмиттер

Полупроводниковый стабилитрон -- это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости -- разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия.

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете. Его «Теория электического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложенный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бомльших напряжениях преобладает лавинный механизм. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

· Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 10⁶ В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p⁺-n⁺-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещённой зоны (6 E_G ? 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 E_G до 6 E_G (4,5…6,7 В) туннельный пробой сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 E_G (?4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом температуры перехода ширина запрещённой зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН).

· В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бомльшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 E_G (?4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 E_G (?7,2 В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно высоковольтных, переходах.

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо -- по напряжению стабилизации, и точно -- по знаку его температурного коэффициента. В «серой зоне» , в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может быть определён только опытным путём. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. З и указывает «от 4 E_G до 6 E_G» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» -- «от 5 до 7 В», Линден Харрисон -- «от 3 до 8 В», Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В -- исключение из правила: в них действует только лавинный механизм.

Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине «серой зоны», при напряжении стабилизации около 6 В.

Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях, дифференциальное сопротивление.

Наихудшая совокупность характеристик -- высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление -- свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3--4,7 В.

3. Режим работы транзистора

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 3.22). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы . Ток коллектора изменяется пропорционально току базы:

. (3.40)

Рис. 3.22. Схема усилительного каскада

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 3.23). На оси абсцисс отложим отрезок, равный - напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

. (3.41)

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

, (3.42)

где - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; - сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Рис. 3.23. Режимы работы биполярного транзистора

Из (3.42) следует, что

. (3.43)

И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением . Из рис. 3.23 следует, что в зависимости от тока базы , протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение , будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при ), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей , называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора - эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода - , который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

.

А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

. (3.44)

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток , то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения . Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока . Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

, (3.45)

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.

Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

Размещено на Allbest.ru