 Стабилитрон | |
| Тип | Активный |
|---|---|
| Принцип работы | Эффект Зенера |
| Изобрел | Кларенс Мелвин Зенер |
| Конфигурация контактов | анод и катод |
| Электронный символ | |
 | |
Стабилитрон представляет собой особый тип диода предназначен для надежных позволяет току течь «назад» , когда определенный набор обратного напряжение, известное как напряжение Зенера , 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, и в этом случае обратная проводимость возникает из-за квантового туннелирования электронов в коротком пространстве 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 предполагает лавинный пробой . 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 электронных схем . 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 перенапряжения , особенно от электростатического разряда (ESD).
История [ править ]
Устройство названо в честь американского физика Кларенса Зенера , который впервые описал эффект Зенера в 1934 году в своих преимущественно теоретических исследованиях нарушения свойств электрических изоляторов. Позже его работа привела к тому, что Bell Labs реализовала эффект в виде электронного устройства - стабилитрона. [1]
Операция [ править ]
Обычный твердотельный диод пропускает значительный ток, если он смещен в обратном направлении.выше его обратного напряжения пробоя. Когда напряжение пробоя обратного смещения превышено, обычный диод подвергается воздействию высокого 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 разработано 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 генерацияопорное напряжение (например , для усилителя стадии), или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных применений. [2]
Другой механизм, вызывающий аналогичный эффект, - это лавинный эффект, как в лавинном диоде . [2] Два типа диодов фактически сконструированы одинаково, и оба эффекта присутствуют в диодах этого типа. В кремниевых диодах напряжением примерно до 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим и демонстрирует 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 изготовление произвели устройства с напряжением , чем снизить 5.6 V с коэффициентами пренебрежимо мало температур, [ править ] , но , как устройства высокого напряжения встречается, температурный коэффициент резко возрастает. Диод на 75 В имеет в 10 раз больший коэффициент, чем диод на 12 В. [ необходима 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 [ править ]
Работа стабилитрона зависит от сильного легирования его pn перехода . Истощение региона формируется в диоде является очень тонким (<1 мкм) и электрическое поле, следовательно , очень высока (около 500 кВ / м) даже при небольшом обратном смещении около 5 V, позволяя электроны в туннеле из валентной зоны материала p-типа в зону 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, индуцированных 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 [ править ]
Переход эмиттер-база биполярного NPN-транзистора ведет себя как стабилитрон с напряжением пробоя около 6,8 В для обычных биполярных процессов и около 10 В для слаболегированных базовых областей в процессах BiCMOS . Старые процессы с плохим контролем характеристик легирования имели изменение напряжения стабилитрона до ± 1 В, новые процессы с использованием ионной имплантации могут достигать не более ± 0,25 В. Структура транзистора NPN может использоваться как поверхностный стабилитрон с коллектором и эмиттер соединен вместе в качестве катода и базовой области в качестве анода. При таком подходе профиль легирования основания обычно сужается к поверхности, создавая область с усиленным электрическим полем, где происходит лавинный пробой. Эти горячие носителивызванные ускорением в интенсивном поле, иногда попадают в оксидный слой 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 при радиационном поражении .
Стабилитроны эмиттер-база могут выдерживать только меньшие токи, так как 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 стабилитрона из-за его перегрева и миграции металлизации через переход («всплески») может быть намеренно использовано в качестве антифузора «стабилитрона» . [6]
Подземные стабилитроны [ править ]
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 достигнут 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 [ редактировать ]
Стабилитроны широко используются в качестве опорного напряжения и , как шунтирующие регуляторы для регулирования напряжения на малых контурах. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения, так что он имеет обратное смещение, стабилитрон становится проводящим, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении. [8]
В этой схеме, типичное опорное напряжения или регуляторе, входное напряжение, U в , регулируются до стабильного выходного напряжения U из . Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне токов и поддерживает приблизительно постоянное значение U , даже если входное напряжение может колебаться в широком диапазоне. Из-за низкого импеданса диода при такой работе резистор R используется для ограничения тока в цепи.
В случае этой простой ссылки ток, протекающий в диоде, определяется с использованием закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R ;
Значение R должно удовлетворять двум условиям:
- R должен быть достаточно малым, чтобы ток через D удерживал D в обратном пробое. Значение этого тока указано в таблице данных для D. Например, для обычного устройства BZX79C5V6 [9] , стабилитрона 5,6 В 0,5 Вт, рекомендованный обратный ток составляет 5 мА. Если через D проходит недостаточный ток, то U out не регулируется и меньше номинального напряжения пробоя (это отличается от ламп регулятора напряжения, где выходное напряжение выше номинального и может возрасти до U in ). При вычислении R необходимо сделать поправку на любой ток через внешнюю нагрузку, не показанную на этой диаграмме, подключенную через U out .
- R должно быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушил устройство. Если ток через D является я D , его пробивное напряжение V B , и его максимальная мощность рассеяния Р макс коррелируют как таковую: .
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, балансирующую p – n-переход транзистора. . Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе контура обратной связи регулируемого источника питания .
Стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения скачков переходного напряжения.
Еще одно применение стабилитрона - использование шума, вызванного его лавинным пробоем, в генераторе случайных чисел .
Ограничитель формы волны [ править ]
Два последовательно установленных стабилитрона ограничивают обе половины входного сигнала. Ограничители формы волны могут использоваться не только для изменения формы сигнала, но и для предотвращения скачков напряжения от воздействия на цепи, подключенные к источнику питания. [10]
Сдвигатель напряжения [ править ]
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 [ править ]
Стабилитрон может применяться в цепи регулятора напряжения для регулирования напряжения, прикладываемого к нагрузке, например, в линейном регуляторе .
См. Также [ править ]
- Обратный диод
- E-серия предпочтительных номеров
- Диод подавления переходных напряжений
Ссылки [ править ]
- ↑ Саксон, Вольфганг (6 июля 1993 г.). «Кларенс М. Зинер, 87 лет, физик и профессор Карнеги-Меллона» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ a b Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника . Макгроу Хилл. С. 45–48 . ISBN 978-0071005968.
- ^ a b Дорф, Ричард С., изд. (1993). Справочник по электротехнике . Бока-Ратон: CRC Press. п. 457. ISBN. 0-8493-0185-8.
- ^ Калибровка: философия на практике . Случайность. 1994. С. 7–10. ISBN 0963865005.
- ^ Ракеш Кумар Гарг, Ашиш Диксит, Паван Ядав, Базовая электроника , стр. 150, Firewall Media, 2008 ISBN 8131803023 .
- ^ Комер, Дональд Т. (1996). "Обрезка предохранителя стабилитрона Zap в схемах СБИС" . Проектирование СБИС . 5 : 89. DOI : 10,1155 / 1996/23706 .
- Перейти ↑ Hastings, Alan (2005). Искусство аналогового макета (второе изд.). Прентис Холл. ISBN 9780131464100.
- ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 68–69 . ISBN 0-521-37095-7.
- ^ "BZX79C5V6 - 5,6 В, стабилитрон 0,5 Вт - техническое описание" . Fairchild Semiconductor . Проверено 22 июля 2014 года .
- ^ Диффендерфер, Роберт (2005). Электронные устройства: системы и приложения . Томас Делмар Обучение. С. 95–100. ISBN 1401835147. Проверено 22 июля 2014 года .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Теория TVS / Зенера и соображения дизайна ; ON Semiconductor; 127 страниц; 2005; HBD854 / D. (Бесплатная загрузка PDF)
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме стабилитронов . |
- Таблица номеров деталей осевого стабилитрона
