Підключення стабілітронів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Кафедра радіоелектроніки

Курсова робота

З предмету «Твердотільна електоніка»

Напівпровідниковий стабілітрон

Студента III курсу групи КМ-15-1

напряму підготовки

«Мікро- та наноелектроніка»

Бахчевникової А.О.

Керівник, доцент кафедри радіоелектроніки

к. ф.-м. н., Макаров В.О.

Дніпро

2018

Зміст

1. Принцип роботи

2. Основні характеристики та параметри

2.1 Струми і напруги стабілізації

2.2 Диференціальний опір

2.3 Температурний коефіцієнт напруги

2.4 Дрейф і шум

2.5 Область безпечної роботи

2.6 Характер і причини відмов

3. Області застосування

4. Основні схеми підключення стабілітронів

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Напівпровідниковий стабілітрон, або діод Зенера - напівпровідниковий діод, що працює при зворотному зміщенні в режимі пробою. До настання пробою через стабілітрон протікають незначні струми витоку, а його опір дуже високий. При настанні пробою струм через стабілітрон різко зростає, а його диференціальний опір падає до величини, що становить для різних приладів від частки Ома до сотень Ом. Тому в режимі пробою напруга на стабілітроні підтримується із заданою точністю в широкому діапазоні зворотних струмів.

Основне призначення стабілітронів - стабілізація напруги. Серійні стабілітрони виготовляються на напруги від 1,8 В до 400 В. Інтегральні стабілітрони з прихованою структурою на напругу близько 7 В є найточнішими і стабільними твердотільними джерелами опорної напруги. Особливий тип стабілітронів, високовольтні лавинні діоди ( «подавлювачі перехідних імпульсних перешкод», «супресори», «TVS-діоди») застосовується для захисту електроапаратури від перенапруг.

Напівпровідникові стабілітрони увійшли в промислову практику в другій половині 1950-х років. У минулому в номенклатурі стабілітронів виділялися функціональні групи,які згодом втратили своє значення, а сучасні напівпровідникові стабілітрони класифікуються за функціональним призначенням на:

Дискретні стабілітрони загального призначення - силові та малої потужності. В СРСР стабілітрони класифікувалися по потужності, що розсіюється на чотири групи: 0-0,3 Вт, 0,3-5 Вт, 5-10 Вт і понад 10 Вт;

Прецизійні стабілітрони, в тому числі термокомпенсовані стабілітрони і стабілітрони з прихованою структурою;

1. Принцип роботи

стабілітрон напруга силовий потужність

Напівпровідниковий стабілітрон - це діод, призначений для роботи в режимі пробою на зворотній гілці вольт-амперної характеристики. У діоді, до якого прикладено зворотню або замикаючу напругу, можливі три механізми пробою: тунельний пробій, лавинний пробій і пробій внаслідок теплової нестійкості - руйнівного саморозігріву струмами витоку. Тепловий пробій спостерігається в випрямних діодах, особливо германієвих, а для кремнієвих стабілітронів він не критичний. Стабілітрони проектуються і виготовляються таким чином, що або тунельний, або лавинний пробій, або обидва ці явища разом виникають задовго до того, як в кристалі діода виникнуть передумови до теплового пробою. Серійні стабілітрони виготовляються з кремнію, відомі також перспективні розробки стабілітронів з карбіду кремнію і арсеніду галію.

Першу модель електричного пробою запропонував в 1933 році Кларенс Зенер, який в той час працював в Брістольському університеті. Його «Теорія електричного пробою в твердих діелектриках» була опублікована влітку 1934 року. У 1954 році Кеннет Маккей з Bell Labs встановив, що запропонований Зенером тунельний механізм діє тільки при напрузі пробою до приблизно 5,5 В, а при великій напрузі переважає лавинний механізм. Напруга пробою стабілітрона визначається концентраціями акцепторів і донорів і профілем легування області p-n-переходу. Чим вище концентрації домішок і чим більше їх градієнт в переході, тим більше напруженість електричного поля в області просторового заряду при рівному зворотній напрузі, і тим менше зворотна напруга, при якому виникає пробій:

Тунельний пробій виникає в напівпровіднику тільки тоді, коли напруженість електричного поля в p-n-переході досягає рівня в 106 В/см. Такі рівні напруженості можливі тільки в високолегованих діодах (структурах p⁺-n⁺-типу провідності) з напругою пробою не більше шестикратної ширини забороненої зони (6 E_G ? 6,7 В), при цьому в діапазоні від 4 E_G до 6 E_G (4,5 ... 6,7 В) тунельний пробій співіснує з лавинним, а при напрузі пробою менше 4 EG (?4,5 В) повністю витісняє його. З ростом температури переходу ширина забороненої зони, а разом з нею і напруга пробою, зменшується: низьковольтні стабілітрони з переважанням тунельного пробою мають негативний температурний коефіцієнт напруги (ТКН).

У діодах з меншими рівнями легування, або меншими градієнтами легуючих домішок, і, як наслідок, великими напругами пробою спостерігається лавинний механізм пробою. Він виникає при концентраціях домішок,які приблизно відповідають напрузі пробою в 4 E_G (?4,5 В), а при напрузі пробою вище 4 E_G (?7,2 В) повністю витісняє тунельний механізм. Напруга, при якому виникає лавинний пробій, з ростом температури зростає, а найбільша величина ТКН пробою спостерігається в низьколегованих, щодо високовольтних, переходах.

Механізм пробою конкретного зразка можна визначити грубо - за напругою стабілізації, і точно - за знаком його температурного коефіцієнта. У «сірій зоні» (див. Рис. 1), в якій конкурують обидва механізму пробою, ТКН може бути визначений тільки досвідченим шляхом. Джерела розходяться в точних оцінках ширини цієї зони: С. М. Зі вказує «від 4 E_G до 6 E_G» (4,5 ... 6,7 В), автори словника «Електроніка» - «від 5 до 7 В», Лінден Харрісон - «від 3 до 8 В», Ірвінг Готтліб проводить верхню межу за рівнем 10 В. Низьковольтні лавинні діоди (LVA) на напруги від 4 до 10 В - виключення з правила: в них діє тільки лавинний механізм.

Рис. 1. Вольт-амперні характеристики стабілітронів з переважанням лавинного (зліва) і тунельного (праворуч) механізмів пробою

Оптимальна сукупність характеристик стабілітрона досягається в середині «сірої зони», при напрузі стабілізації близько 6 В. Справа не стільки в тому, що завдяки взаємній компенсації ТКН тунельного і лавинного механізмів ці стабілітрони відносно термостабільні, а в тому, що вони мають найменшу технологічну різницю напруги стабілізації і найменший, при інших рівних умовах, диференціальний опір. Найгірша сукупність характеристик - високий рівень шуму, велика різниця напруг стабілізації, високий диференціальний опір - властива низьковольтним стабілітронам на 3,3-4,7 В.

2. Основні характеристики та параметри

2.1 Струми і напруги стабілізації

ГОСТ 25529-82 «Діоди напівпровідникові. Терміни, визначення та літерні позначення параметрів» визначає струм стабілізації (I_СТ) і напругу стабілізації (U_СТ) стабілітрона як значення постійних напруг і струмів в режимі стабілізації. Режим стабілізації можливий в досить широкій області струмів і напруг, тому в технічній документації вказуються допустимі мінімальні і максимальні значення струмів (I_СТ.МИН, I_{СТ.МАКС}) і напружень (U_СТ.МІН, U_{СТ.МАКС}) стабілізації. Усередині цих діапазонів лежать вибрані виробником номінальні значення I_СТ і U_СТ. Мінімальний струм стабілізації зазвичай прирівнюється до току на виході із зони перелому зворотного ВАХ, максимальний обмежений допустимою розсіювальною потужністю, а номінальний струм зазвичай встановлюється на рівні від 25 до 35% від максимального. Мінімальні струми низьковольтних лавинних діодів вимірюються одиницями і десятками мікроампер, мінімальні струми «звичайних» стабілітронів - одиницями міліампер.

Наприклад, номінальна напруга радянського стабілітрона 2С133В, як випливає з його позначення, так само 3,3 В, а номінальний струм стабілізації - струм, при якому вимірюються його паспортні характеристики - дорівнює 5 мА. Мінімальний струм стабілізації для всіх робочих температур (-60 ... + 125 ° C) встановлено на рівні 1 мА, максимальний - залежить від температури і атмосферного тиску. При нормальному атмосферному тиску і температурі, що не перевищує +35 ° C, струм не повинен перевищувати 37,5 мА, а при температурі +125 ° C - 15 мА. При зниженні тиску до 665 Па (5 мм рт.ст., або 1/150 нормального атмосферного тиску) максимальні струми знижуються вдвічі через гіршого тепловідведення в розрідженому середовищі. Паспортний розкид напруги стабілізації (U_СТ.МІН... U_{СТ.МАКС}) цього приладу нормується для струму 5 мА і чотирьох різних температур від -60 ° C до +125 ° C. При -60 ° C різниця напруг становить 3,1 ... 3,8 В, при +125 ° C - 2,8 ... 3,5 В.

2.2 Диференціальний опір

Диференціальний або динамічний опір стабілітрона дорівнює відношенню приросту напруги стабілізації до приросту струму стабілізації в точці з заданим (зазвичай номінальним) струмом стабілізації. Воно визначає нестабільність приладу по напрузі живлення (по входу) і по струму навантаження (по виходу). Для зменшення нестабільності по входу стабілітрони живляться від джерел постійного струму, для зменшення нестабільності по виходу - включають між стабілітроном і навантаженням буферний підсилювач постійного струму на емітерному повторювачі або операційному підсилювачі, або застосовують схему складеного стабілітрона. Теоретично, диференціальний опір стабілітрона зменшується з ростом струму стабілізації. Це правило, сформульоване для умови постійної температури p-n-переходу, на практиці діє тільки в області малих струмів стабілізації. При великих токах неминучий розігрів кристала приводить до зростання диференціального опору, і як наслідок - до збільшення нестабільності стабілізатора.

Для малопотужного стабілітрона 2С133В диференціальний опір при мінімальному струмі стабілізації 1 мА складає 680 Ом, а при номінальному струмі в 5 мА і температурах від -60 до +125 ° C не перевищує 150 Ом. Стабілітрони більшої потужності на тій же номінальній напрузі мають менший диференціальний опір, наприклад, КС433А - 25 Ом при 30 мА. Диференціальний опір низьковольтних лавинних діодів (LVA) приблизно на порядок нижче, ніж в «звичайних» стабілітронах: наприклад, для LVA351 (напруга 5,1 В, потужність 400 мВт) він не перевищує 10 Ом при струмі 10 мА. Усередині кожної родини стабілітронів (однієї і тієї ж максимальної потужності) найменші абсолютні значення диференціального опору при заданому струмі мають стабілітрони на напругу 6 В.

Рис. 2. Залежність диференціального опору стабілітронів одного сімейства (Motorola, 1970-ті роки) від напруги стабілізації і струму стабілізації

2.3 Температурний коефіцієнт напруги

ГОСТ визначає температурний коефіцієнт напруги як «відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютного зміни температури навколишнього середовища» при заданому постійному струмі стабілізації. ТКН звичайних, не термокомпенсованих діодів, при їх номінальних токах становить для стабілітронів тунельного пробою (U_СТ <4 E_G) від -0,05 до - 0,1% / °C, а для стабілітронів лавинного пробою (U_СТ <4 E_G) - від 0,05 до 0,1% / °C. Іншими словами, при нагріванні стабілітрона від +25 °C до +125 °C зрушення напруги стабілізації складе від 5 до 10% початкового значення.

В області малих і середніх струмів на вольт-амперних характеристиках стабілітронів на напругу 4,5 ... 6,5 В можна знайти точку (значення струму I_TK0 і напруги U_TK0), в якій температурний коефіцієнт близький до нуля. Якщо стабілізувати струм такого стабілітрона зовнішнім джерелом струму на рівні, точно рівному I_TK0, то напруга на стабілітроні, яка дорівнює U_TK0 практично не залежить від температури. Такий підхід застосовується в інтегральних стабілітронах джерелах опорної напруги, але не застосуємо до пристроїв на дискретних стабілітронах. Точне значення I_TK0 можна визначити тільки досвідченим шляхом, що в умовах серійного виробництва неприйнятно. Стабілітрони на напругу менше 4,5 В також мають точку нульового ТКН, але вона знаходиться за межами області безпечної роботи. Стабілітрони на напругу понад 6,5 В мають позитивний (ненульовий) ТКН у всьому діапазоні струмів.

Рис. 3. Точка нульового ТКН в стабілітроні з нормально позитивним ТКН

2.4 Дрейф і шум

У довідковій документації на звичайні, не прецизійні, стабілітрони показники дрейфу і шуму зазвичай не вказуються. Для прецизійних стабілітронів це, навпаки, найважливіші показники нарівні з початковим різницею напруги стабілізації і ТКН. Високий рівень шуму звичайних стабілітронів обумовлений високою концентрацією сторонніх домішок і дефектів кристалічної решітки в області p-n-переходу. Захисна пассивація оксидом або склом, при якій ці домішки виштовхуються з приповерхневих шарів в товщу кристала, знижує шуми лише частково. Радикальний спосіб зниження шуму - виштовхування вглиб кристала не домішок, а самого p-n-переходу - застосовується в малошумних стабілітронах з прихованою структурою. Кращі зразки таких приладів мають розмах низькочастотних (0,1-10 Гц) шумів не більше 3 мкВ при тривалому дрейфі не більше 6 мкВ за перші 1000 годин експлуатації.

Найбільший рівень шумів стабілітрона спостерігається в області перелому вольт-амперної характеристики. Інструментально зняті криві з високою роздільною здатністю показують, що ВАХ перелому мають не гладкий, а ступінчастий характер; випадкові зрушення цих ступенів і випадкові переходи струму з рівня на рівень породжують так званий шум мікроплазми. Цей шум має спектр, близький білого шуму в смузі частот 0-200 кГц. При переході з області перелому ВАХ в область струмів стабілізації рівень цих шумів різко знижується.

2.5 Область безпечної роботи

Область безпечної роботи стабілітрона обмежена рядом параметрів, найважливішими з яких є максимальні значення постійного струму, імпульсного струму, температури p-n-переходу (+150 ° C для корпусу SOT-23, +175 ° C для корпусу DO-35, +200 ° C для корпусу DO-41) і розсіювання. Всі ці обмеження повинні виконуватися одночасно, а недотримання хоча б одного з них веде до руйнування стабілітрона.

Обмеження по струму і потужності очевидні, а обмеження по температурі вимагає оцінки допустимої потужності, при якій розрахункова температура p-n-переходу не перевищить максимально допустимої. У технічній документації така оцінка зазвичай наводиться у формі графіка залежності допустимої потужності P від температури навколишнього середовища T_a. Якщо такого графіка немає, слід оцінити допустиму потужність по формулі для температури переходу T_j:

де R_ja - тепловий опір між p-n-переходом і навколишнім середовищем (повітрям) для безперервного розсіювання. Типове значення цього показника малопотужного стабілітрона, наприклад, серії NZX, дорівнює 380 ° C / Вт. Потужність, при якій розрахункова температура не буде перевищувати встановленої межі в +175 ° C, обмежена величиною

Для очікуваної температури навколишнього середовища +50 ° C розрахункова потужність становить усього 330 мВт - в півтора рази менше паспортного максимуму потужності в 500 мВт.

Рис. 4. Обмеження області безпечної роботи стабілітронів серії NZX при безперервній стабілізації напруги

2.6 Характер і причини відмов

Катастрофічне коротке замикання може бути викликано не тільки виходом за межі області безпечної роботи, а й повільною дифузією атомів легуючої домішки в p-n-переході. У силових стабілітронах з пружинним кріпленням одного з виводів до кристалу спостерігаються механічні пошкодження кристала в зоні контакту з пружиною. Якщо тріщина або потертість кристала досягає зони p-n-переходу, то можливо як катастрофічне, так і переміжне, «блукаюче» коротке замикання, а також стабільне зменшення напруги стабілізації.

Старіння стабілітронів може проявлятися у вигляді підвищеного дрейфу струмів, напруг і диференціального опору. Дрейф струму при тривалій експлуатації пояснюється накопиченням забруднюючих домішок в зоні p-n-переходу, в шарі захисного оксиду і на його поверхні. Дрейф струму при випробуваннях при високій вологості пояснюється негерметичністю корпусу стабілітрона. Дрейф вихідного опору, зазвичай супроводжується підвищеним рівнем шуму, пов'язаний з погіршенням електричного контакту між кристалом і виводами.

3. Області застосування

Основна область застосування стабілітрона - стабілізація постійної напруги джерел живлення. У найпростішій схемі лінійного параметричного стабілізатора стабілітрон виступає одночасно і джерелом опорної напруги і силовим регулюючим елементом. У більш складних схемах стабілітрону відводиться тільки функція джерела опорного напруги, а регулюючим елементом служить зовнішній силовий транзистор.

Прецизійні термокомпенсовані стабілітрони і стабілітрони з прихованою структурою широко застосовуються в якості дискретних та інтегральних джерел опорної напруги (ДОН), в тому числі в найбільш вимогливих до стабільності напруги схемах вимірювальних аналого-цифрових перетворювачів

Особливі імпульсні лавинні стабілітрони ( «подавлювачі перехідних імпульсних перешкод», «супресори», «TVS-діоди») застосовуються для захисту електроапаратури від перенапруг, викликаних розрядами блискавок і статичної електрики, а також від викидів напруги на індуктивних навантаженнях. Такі прилади номінальною потужністю 1 Вт витримують імпульси струму в десятки і сотні ампер набагато краще, ніж «звичайні» силові стабілітрони на 50Вт. Для захисту входів приладів і затворів польових транзисторів використовуються звичайні малопотужні стабілітрони. У сучасних «розумних» МДП-транзисторах захисні стабілітрони виконуються на одному кристалі з силовим транзистором.

У минулому стабілітрони виконували і інші завдання, які згодом втратили своє значення:

Обмеження, формування, амплітудна селекція і детектування імпульсів. Ще в епоху електронних ламп кремнієві стабілітрони широко застосовувалися для обмеження розмаху імпульсів і перетворення сигналів довільної форми в імпульси заданої полярності. З розвитком інтегральних технологій цю функцію взяли на себе пристрої на швидкодіючих компараторах, а потім цифрові процесори обробки сигналів.

Стабілізація напруги змінного струму також зводилася до обмеження розмаху синусоїдальної напруги двостороннім стабілітроном. При зміні вхідної напруги амплітуда вихідної напруги підтримувалася постійною, а його діюче значення лише незначно відставало від діючого значення вхідної напруги.

Задання напруг спрацьовування реле. При необхідності встановити нестандартний поріг спрацьовування реле послідовно з його обмоткою включали стабілітрон, який доводив поріг спрацьовування до необхідного значення. З розвитком напівпровідникових перемикаючих схем сфера застосування реле звузилася, а функцію управління реле взяли на себе транзисторні та інтегральні порогові схеми.

Завдання робочих точок каскадів. У лампових підсилювачах 1960-х років стабілітрони використовувалися як заміна RC-ланцюжків автоматичного зміщення. На нижніх частотах звукового діапазону і на інфразвукових частотах розрахункові ємності конденсаторів таких ланцюгів ставали неприйнятно великі, тому стабілітрон став економічною альтернативою дорогому конденсатору.

Міжкаскадний зсув рівнів. Зрушення рівнів в лампових підсилювачах постійного струму зазвичай здійснювався за допомогою газо-стабілітронів або звичайних неонових ламп. З винаходом напівпровідникових стабілітронів вони стали застосовуватися замість газонаповнених. Аналогічні рішення застосовувалися і в транзисторній апаратурі, але були швидко витіснені більш досконалими схемами зсуву рівнів на транзисторах.

Стабілітрони з високим ТКН використовувалися як датчики температури в мостових вимірювальних схемах. У міру зниження напруги живлення і споживаних потужностей цю функцію взяли на себе прямо зміщені діоди, транзисторні PTAT-ланцюга і інтегральні схеми на їх основі.

У середовищі моделювання SPICE модель елементарного стабілітрона використовується не тільки за прямим призначенням, але і для опису режиму пробою в моделях «реальних» біполярних транзисторів. Стандартна для SPICE модель транзистора Еберса-Молла режим пробою не розглядає.

4. Основні схеми підключення стабілітронів

Рис. 5. Основні схеми підключення стабілітронів

Найпростіша схема стабілізації напруги (рис. 5,а), де- обмежуючий (балансний) опір, на якому виділяється надмірне падіння напруги,

.

Схема з пониженням напруги (рис. 5,б) - використовується, коли нанеобхідно отримати більш низьку напругу, ніж та, що утворюється після під'єднання стабілітрону,

Послідовне з'єднання стабілітронів, розрахованих на однакові струми(рис. 5,в) - використовують, коли необхідно отримати більш високі напруги стабілізації.

Каскадне зєднання стабілітронів (рис. 5,г) - використовується, коли необхідно збільшити стабільність напруги. При цьомуповинен мати більшу напругу стабілізації, ніж.

Ефективність стабілізації напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації - відношенням приросту напруги живлення до приросту напруги стабілізації

.

Висновок

У даній роботі був досліджено напівпровідниковий стабілітрон. В ході роботи ми розглянули, коли вперше з'явився стабілітрон та його фізичний принцип роботи.

Були досліджені основні параметри та характеристики стабілітрона, такі як струм і напруга стабілізації, диференціальний опір, температурний коефіцієнт напруги та інші.

Також була розглянута сфера застосування стабілітрона та основні схеми його підключення. Головна його роль - це стабілізація постійної напруги.

Список використаних джерел

1. Готтлиб, И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. -- Постмаркет, 2002. -- 544 с.

2. Зі, С.М. Физика полупроводниковых приборов. -- М.: Мир, 1984. -- Т. 1. -- 456 с.

3. Мощные полупроводниковые диоды / под ред. А.В. Голомедова. -- М.: Радио и связь, 1985. -- 400 с.

4. Гершунский, Б.С. и др. Справочник по основам электронной техники. -- Киев: Издательство «Вища школа» при Киевском госуниверситете, 1975. -- 352 с.

Размещено на Allbest.ru