Стабилитрон - Википедия - Zener diode

Стабилитрон
Стабилитрон.JPG
Стабилитрон
ТипАктивный
Принцип работыЭффект Зенера
ИзобрелКларенс Мелвин Зенер
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Символ стабилитрона-2.svg

А Стабилитрон это особый вид диод разработан, чтобы надежно позволить Текущий течь "в обратном направлении", когда определенное заданное обратное напряжение, известное как Напряжение стабилитрона, достигается.

Стабилитроны производятся с большим разнообразием стабилитронов, а некоторые даже могут изменяться. Некоторые стабилитроны имеют резкий, сильно легированный p – n переход с низким напряжением Зенера, в этом случае обратная проводимость происходит за счет электронного квантовое туннелирование в коротком промежутке между p и n областями - это известно как Эффект Зенера, после Кларенс Зенер. Диоды с более высоким напряжением стабилитрона имеют более плавный переход, и их режим работы также включает сход лавины. В стабилитронах присутствуют оба типа пробоя, при этом эффект Зенера преобладает при более низких напряжениях и лавинный пробой при более высоких напряжениях.

Стабилитроны широко используются в электронном оборудовании всех типов и являются одним из основных строительных блоков электронные схемы. Они используются для создания маломощных стабилизированных шин питания из более высокого напряжения и для обеспечения опорных напряжений для схем, особенно для стабилизированных источников питания. Они также используются для защиты цепей от перенапряжение, особенно электростатический разряд (ESD).

История

Устройство названо в честь американского физика. Кларенс Зенер, который первым описал Эффект Зенера в 1934 г. в своих преимущественно теоретических исследованиях пробоя свойств электрических изоляторов. Позже его работа привела к Bell Labs реализация эффекта в виде электронного устройства - стабилитрона.[1]

Операция

Вольт-амперная характеристика стабилитрона с напряжением пробоя 3,4 В.
Температурный коэффициент напряжения стабилитрона относительно номинального напряжения стабилитрона.

Обычный твердотельный диод пропускает значительный ток, если он обратный выше его обратного напряжения пробоя. При превышении напряжения пробоя обратного смещения обычный диод подвергается воздействию большого тока из-за лавинного пробоя. Если этот ток не ограничен схемами, диод может быть необратимо поврежден из-за перегрева. Стабилитрон демонстрирует почти те же свойства, за исключением того, что устройство специально спроектировано так, чтобы иметь пониженное напряжение пробоя, так называемое напряжение Зенера. В отличие от обычного устройства, стабилитрон с обратным смещением демонстрирует управляемый пробой и позволяет току поддерживать напряжение на стабилитроне близким к напряжению пробоя стабилитрона. Например, диод с напряжением пробоя стабилитрона 3,2 В демонстрирует падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов. Поэтому стабилитрон идеально подходит для таких приложений, как генерация опорное напряжение (например, для усилитель мощности ступень), или как стабилизатор напряжения для слаботочных приложений.[2]

Другой механизм, который производит аналогичный эффект, - это лавинный эффект, как в лавинный диод.[2] На самом деле два типа диодов сконструированы одинаково, и в диодах этого типа присутствуют оба эффекта. В кремниевых диодах до 5,6 вольт Эффект Зенера является преобладающим эффектом и показывает заметный отрицательный температурный коэффициент. При напряжении выше 5,6 вольт лавинный эффект становится преобладающим и имеет положительный температурный коэффициент.[3]

В диоде на 5,6 В эти два эффекта возникают вместе, а их температурные коэффициенты практически компенсируют друг друга, поэтому диод на 5,6 В полезен в приложениях с критическими температурами. Альтернатива, которая используется для опорного напряжения, которые должны быть очень стабильными в течение длительных периодов времени, чтобы использовать диод Зенера с температурным коэффициентом (TC) от +2 мВ / ° C (пробивного напряжения 6,2-6,3 V), подключенного последовательно с кремниевым диодом, смещенным в прямом направлении (или транзисторным BE-переходом), изготовленным на одном кристалле.[4] Диод с прямым смещением имеет температурный коэффициент -2 мВ / ° C, что приводит к отключению ТС.

Современные технологии производства позволили изготовить устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами.[нужна цитата ] но поскольку встречаются устройства с более высоким напряжением, температурный коэффициент резко возрастает. Диод на 75 В имеет в 10 раз больший коэффициент, чем диод на 12 В.[нужна цитата ]

Стабилитроны и лавинные диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим термином «стабилитрон».

При напряжении 5,6 В, где преобладает эффект Зенера, ВАХ вблизи пробоя имеет более округлую форму, что требует большей осторожности при нацеливании на условия смещения. ВАХ для стабилитронов выше 5,6 В (преобладает лавина) при пробое намного резче.

Строительство

Работа стабилитрона зависит от тяжелой допинг своего p-n переход. Область обеднения, образованная в диоде, очень тонкая (<1 мкм), и, следовательно, электрическое поле очень велико (около 500 кВ / м) даже для небольшого обратного напряжения смещения около 5 В, что позволяет электроны к туннель от валентной зоны материала p-типа к зоне проводимости материала n-типа.

На атомном уровне это туннелирование соответствует переносу электронов валентной зоны в состояния пустой зоны проводимости; в результате уменьшенного барьера между этими зонами и сильных электрических полей, которые индуцируются из-за высокого уровня легирования с обеих сторон.[3] Напряжение пробоя можно довольно точно контролировать в процессе легирования. В то время как допуски в пределах 0,07% доступны, наиболее широко используемые допуски составляют 5% и 10%. Напряжение пробоя для общедоступных стабилитронов может варьироваться от 1,2 до 200 В.

Для слаболегированных диодов в пробое преобладает лавинный эффект, а не эффект Зенера. Следовательно, напряжение пробоя у этих устройств выше (более 5,6 В).[5]

Поверхностные стабилитроны

Переход эмиттер-база биполярного NPN транзистор ведет себя как стабилитрон с напряжением пробоя около 6,8 В для обычных биполярных процессов и около 10 В для слаболегированных базовых областей в BiCMOS процессы. В старых процессах с плохим контролем характеристик легирования напряжение Зенера изменялось до ± 1 В, в новых процессах с использованием ионной имплантации можно достичь не более ± 0,25 В. Структура транзистора NPN может использоваться в качестве транзистора. поверхностный стабилитрон, с коллектором и эмиттером, соединенными вместе в качестве катода и базовой области в качестве анода. При таком подходе профиль легирования базы обычно сужается к поверхности, создавая область с усиленным электрическим полем, где происходит лавинный пробой. В горячие носители вызванные ускорением в сильном поле, иногда попадают в слой оксида над переходом и попадают в ловушку. Накопление захваченных зарядов может затем вызвать «выход из строя стабилитрона», соответствующее изменению напряжения стабилитрона перехода. Такого же эффекта можно добиться с помощью радиационное повреждение.

Стабилитроны с эмиттерной базой могут работать только с меньшими токами, поскольку энергия рассеивается в области обеднения базы, которая очень мала. Повышенное количество рассеиваемой энергии (более высокий ток в течение более длительного времени или короткий очень сильный всплеск тока) вызывает тепловое повреждение перехода и / или его контактов. Частичное повреждение перехода может сместить его стабилитрон. Полное разрушение стабилитронного перехода из-за его перегрева и миграции металлизации через переход («всплески») может быть намеренно использовано как «стабилитронный разряд». антифуз.[6]

Подземные стабилитроны

Похороненная структура Зенера

Подповерхностный стабилитрон, также называемый «скрытым стабилитроном», представляет собой устройство, подобное поверхностному стабилитрону, но с зоной лавины, расположенной глубже в структуре, обычно на несколько микрометров ниже оксида. Затем горячие носители теряют энергию из-за столкновений с решеткой полупроводника, прежде чем достигают оксидного слоя, и не могут быть там захвачены. Таким образом, здесь не происходит явления выхода стабилитрона, и скрытые стабилитроны имеют постоянное напряжение в течение всего срока службы. Большинство скрытых стабилитронов имеют напряжение пробоя 5–7 вольт. Используются несколько различных структур соединений.[7]

Использует

Стабилитрон показан с типичными корпусами. Обеспечить регресс Текущий Показано.

Стабилитроны широко используются в качестве опорного напряжения, а также шунт регуляторы для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения, так что он имеет обратное смещение, стабилитрон проводит, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.[8]

Стабилитрон стабилизатор напряжения.svg

В этой схеме, типичное опорное напряжение или регулятор, входное напряжение, Uв, стабилизируется до стабильного выходного напряжения Uиз. Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне токов и составляет Uиз приблизительно постоянным, даже если входное напряжение может колебаться в широком диапазоне. Из-за низкого импеданса диода при такой работе резистор р используется для ограничения тока в цепи.

В случае этой простой ссылки ток, протекающий в диоде, определяется с помощью закона Ома и известного падения напряжения на резисторе. р;

Значение р должен удовлетворять двум условиям:

  1. р должен быть достаточно малым, чтобы ток через D удерживал D в обратном пробое. Значение этого тока указано в паспорте для D. Например, обычный BZX79C5V6[9] устройство, стабилитрон 5,6 В 0,5 Вт, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА. Если ток через D недостаточен, то Uиз не регулируется и меньше номинального напряжения пробоя (отличается от трубки регулятора напряжения где выходное напряжение выше номинального и может возрасти до Uв). При расчете р, необходимо сделать поправку на любой ток через внешнюю нагрузку, не показанную на этой схеме, подключенную через Uиз.
  2. р должен быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушил устройство. Если ток через D равен яD, его напряжение пробоя VB и его максимальная мощность рассеивания пМаксимум коррелируют как таковые:

Нагрузка может быть помещена через диод в этой цепи опорного сигнала, и до тех пор, как локотники Зенера в обратном пробое, диод обеспечивает стабильный источник напряжения к нагрузке. Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более совершенных схем стабилизатора напряжения.

Шунтирующие регуляторы просты, но требования, чтобы балластный резистор был достаточно малым, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в худшем случае (низкое входное напряжение одновременно с большим током нагрузки), как правило, большую часть времени пропускает большой ток через диод. , что делает его довольно расточительным регулятором с высокой рассеиваемой мощностью в режиме покоя, подходящим только для небольших нагрузок.

Эти устройства также встречаются, обычно последовательно с переходом база-эмиттер, в транзисторных каскадах, где можно использовать выборочный выбор устройства с центром в точке лавины или стабилизации, чтобы ввести компенсацию температурного коэффициента балансировки транзистора. p – n переход. Примером такого использования может быть DC усилитель ошибки используется в регулируемый источник питания контур системы обратной связи.

Стабилитроны также используются в сетевые фильтры для ограничения переходных скачков напряжения.

Еще одно применение стабилитрона - использование шум вызвано его сход лавины в генератор случайных чисел.

Ограничитель формы волны

Примеры ограничителя формы сигнала

Два последовательно установленных стабилитрона ограничивают обе половины входного сигнала. Ограничители формы волны может использоваться не только для изменения формы сигнала, но и для предотвращения скачков напряжения на цепи, подключенные к источнику питания.[10]

Сдвигатель напряжения

Примеры переключателя напряжения

Стабилитрон может быть применен к цепи с резистором, который действует как переключатель напряжения. Эта схема снижает выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя стабилитрона.

Регулятор напряжения

Примеры регулятора напряжения

Стабилитрон может быть применен в регулятор напряжения цепь для регулирования напряжения, приложенного к нагрузке, например, в линейный регулятор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Саксон, Вольфганг (6 июля 1993 г.). "Кларенс М. Зенер, 87 лет, физик и профессор Карнеги-Меллона". Нью-Йорк Таймс.
  2. ^ а б Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника. Макгроу Хилл. стр.45–48. ISBN  978-0071005968.
  3. ^ а б Дорф, Ричард К., изд. (1993). Справочник по электротехнике. Бока-Ратон: CRC Press. п. 457. ISBN  0-8493-0185-8.
  4. ^ Калибровка: философия на практике. Случайность. 1994. С. 7–10. ISBN  0963865005.
  5. ^ Ракеш Кумар Гарг, Ашиш Диксит, Паван Ядав, Базовая электроника, п. 150, Firewall Media, 2008 г. ISBN  8131803023.
  6. ^ Комер, Дональд Т. (1996). "Облицовка предохранителя стабилитрона Zap в схемах СБИС". Дизайн СБИС. 5: 89. Дои:10.1155/1996/23706.
  7. ^ Гастингс, Алан (2005). Искусство аналоговой компоновки (Второе изд.). Прентис Холл. ISBN  9780131464100.
  8. ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр.68–69. ISBN  0-521-37095-7.
  9. ^ «BZX79C5V6 - стабилитрон 5,6 В, 0,5 Вт - техническое описание». Fairchild Semiconductor. Получено 22 июля, 2014.
  10. ^ Диффендерфер, Роберт (2005). Электронные устройства: системы и приложения. Томас Делмар Обучение. С. 95–100. ISBN  1401835147. Получено 22 июля, 2014.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка