Стабилитроны
Если ограничить ток при туннельном и лавинном пробое, не допуская перехода в тепловой, то его состояние может поддерживаться долго и воспроизводиться бесконечное число раз. Приборы, работающие в области туннельного и лавинного пробоя, называются стабилитронами, а напряжение пробоя – напряжением стабилизации, поскольку стабилитроны используются главным образом для стабилизации напряжения. Напряжение стабилизации зависит от полупроводникового материала и технологии его обработки. Изготавливают стабилитроны в основном из кремния.
У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (3–4 В) возникает туннельный пробой. У стабилитронов с напряжением стабилизации более 7 В (более высокоомный полупроводник) возникает лавинный пробой.
У стабилитронов с напряжением стабилизации 4–7 В имеет место одновременно туннельный и лавинный механизмы пробоя.
Основными параметрами стабилитронов являются: напряжение стабилизации Uст , минимальный и максимальный токи стабилизации Imin, Imax , динамическое сопротивление Rд=dUст/dIст , температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН=(dUст/UстdT)100% при Iст=const .
Минимальный ток стабилизации ограничивается неустойчивостью состояния пробоя при малых токах, максимальный – мощностью, которую может рассеять переход.
У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя при малых токах наблюдаются значительные шумы, которые объясняются тем, что состояние пробоя неустойчиво. Он то исчезает, то возникает вновь. При туннельном механизме пробоя шумы отсутствуют.
Динамическое сопротивление характеризует наклон ВАХ в режиме пробоя оси абсцисс. Типичные значения Rд=1-50 Ом.
Очень важным параметром является ТКН стабилитрона, характеризующий температурную стабильность напряжения пробоя.
Знак температурного коэффициента напряжения стабилизации зависит от типа пробоя. При туннельном пробое знак ТКН отрицателен (с увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается), при лавинном – положителен (рис. 3.3).
Объясняется это следующим образом. При возрастании температуры несколько уменьшается ширина запрещенной зоны и поэтому облегчается туннельный переход валентных электронов в зону проводимости. Напряжение туннельного пробоя уменьшается.
При лавинном пробое с увеличением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда. Чтобы они могли на меньшей длине приобрести энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличить напряжение. Поэтому напряжение пробоя при этом механизме возрастает с увеличением температуры.
Так как с увеличением температуры прямое падение напряжения на диоде уменьшается, то, соединив последовательно диод в прямом направлении и стабилитрон с лавинным механизмом пробоя, возможно осуществить термокомпенсацию напряжения стабилизации (рис. 3.4).
Такие стабилитроны имеют малый ТКН (10 -4 — 5·10 -6 1/K) и называются термокомпенсированными. Однако хорошая термокомпенсация возможна при определенном токе. Прямой ветвью ВАХ таких стабилитронов является ВАХ закрытого диода.
Источник
Какие существуют способы термокомпенсации параметров стабилитрона
Термокомпенсация
При термокомпенсации по схеме на рис. 17 — 53 необходимо при расчете дь Яд пер, ЯД2 учесть дополнительное напряжение компенсирующих р-п переходов, для чего в формулах ( 17 — 109) необходимо в авзменателе вычесть из 1 / вых. [31]
Соединение термокомпенсация и перемычка зависит от условий титрования и выполняется заранее лаборантом. [32]
Для термокомпенсации контролируемой среды параллельно электродам Rt. Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи Rx — Rw значительно снижается по сравнению с температурным коэффициентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления Rf, но имеет противоположный знак. Таким образом, общее сопротивление цепи ( электродной ячейки) Ra п очти не изменяется при колебаниях температуры контр олируемого раствора. [34]
Для термокомпенсации контролируемой среды параллельно электродам гх включено шунтирующее сопротивление гт ( например, из манганина), обладающее низким температурным коэффициентом. [36]
Возможна термокомпенсация кремниевых стабилитронов при помощи последовательно включенных терморезисторов, однако при этом сильно увеличивается выходное сопротивление стабилизатора и нарушается условие температурной компенсации из-за, нелинейности изменения на — / пряжения на терморезисторе. [37]
Для термокомпенсации изменения частоты в двух точках диапазона необходимо иметь, по крайней мере, два элемента контура, ТК которых выбирают. [38]
Для термокомпенсации тока покоя при изменении температуры выходных транзисторов включено термосопротивление R1, расположенное на радиаторе. [39]
Для термокомпенсации изменения частоты контура обычно используют стандартные керамические конденсаторы с отрицательным ТКЕ. [41]
Идея термокомпенсации состоит во внесении в схему элемента, приводящего с ростом температуры к увеличению отрицательного потенциала базы ТУ, который уменьшился под действием ТКН опорного стабилитрона, включенного в обратном направлении. [42]
Способ термокомпенсации зависит от конкретной схемы включения датчика. [44]
Условием термокомпенсации является равенство нулю результирующего температурного коэффициента стабилизатора. [45]
Как уже говорилось, метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада.
В качестве примера рассмотрим схему с эмиттерно-базовой стабилизацией, приведенную на рис. 3.15. В этой схеме при правильном выборе терморезисторов можно добиться хорошей компенсации температурных колебаний параметров транзистора. Но применение терморезисторов не всегда удобно, да и понятие «правильный выбор» часто требует уточнения. Поэтому для начала проясним, что же происходит с биполярным транзистором при колебаниях температуры.
Рис. 3.15. Схема с эмиттерно-базовой стабилизацией с терморезисторами в делителе напряжения
При росте температуры из-за уменьшения падения напряжения на (p)-(n)-переходах транзистора также растут и токи через эти переходы. Особенно сильно увеличиваются токи ( _0) и ( _0), определяющие режим работы каскада по постоянному току. На рис. 3.16 представлены графики, отражающие влияние температуры на статические характеристики каскадов с ОЭ и ОБ.
Рис. 3.16. Влияние температуры на статические характеристики транзистора
Из представленных характеристик видно, что для сохранения неизменным выходного тока ( _0) необходимо по мере роста температуры снижать напряжение начального смещения ( >_0). В схеме на рис. 3.15 для этого служат терморезисторы, но очевидной является возможность использования других полупроводниковых приборов с температурной зависимостью падения напряжения на них. Например, в схеме на рис. 3.17 в цепь делителя включен прямосмещенный эмиттерный переход транзистора (VT2) со свойствами, аналогичными свойствам транзистора (VT1). Т.е., когда температура растет и требуется снижение напряжения смещения ( >_0), это осуществляется за счет уменьшения падения напряжения ( >_0) на эмиттерном переходе транзистора (VT2).
Рис. 3.17. Термокомпенсация с помощью дополнительного транзистора
Вместо транзистора (VT2) можно использовать и обычный диод в прямом включении, как показано на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Термокомпенсация с помощью прямосмещенного диода
При желании метод параметрической стабилизации применим и для нейтрализации других (нетемпературных) внешних влияний. Например, известно, что при низких температурах падают напряжения практически любых широко распространенных химических источников питания. Поэтому в носимой аппаратуре приходится учитывать влияние данного фактора, если мы хотим обеспечить ее работоспособность в широком диапазоне погодных условий.
Рассмотрим схему на рис. 3.18. При падении напряжения питания уменьшается значение тока ( _0) транзистора, а также незначительно снижается его начальное смещение ( >_0) (здесь следует учитывать, что прямосмещенный диод (VD1) работает как стабилитрон, т.е. напряжение на нем слабо зависит от величины протекающего тока). Поскольку снижается напряжение ( >_0) транзистора, снижаются и его усилительные способности как усилителя слабых переменных сигналов. Для компенсации всех этих факторов можно в цепь смещения транзистора включить еще один диод, как показано на рис. 3.19. Теперь при снижении температуры напряжение ( >_0) будет расти быстрее, чем это необходимо только для температурной компенсации изменений напряжений и токов в самом транзисторе. Будет компенсироваться также и падение напряжения питания, и коэффициент усиления каскада в целом останется неизменным. Очевидно, что падение напряжения на двух диодах может превысить предел, необходимый для напряжения ( >_0) используемого транзистора. Поэтому в цепь эмиттера обязательно включается резистор (R_Э), создающий также и ООС по току нагрузки, дополнительно стабилизирующую рабочую точку каскада.
Рис. 3.19. Термокомпенсация двумя диодами
На рис. 3.20 приведены еще некоторые возможные варианты включения термокомпенсирующих элементов в транзисторные каскады. Параметрическая стабилизация может использоваться не только в схемах с ОЭ. Никто не мешает нам применять нелинейные элементы и в любых других цепях смещения.
Рис. 3.20. Различные способы включения термостабилизирующих элементов в цепи смещения транзисторных каскадов
Стабилитрон :: Прецизионные стабилитроны
Термокомпенсированный стабилитрон
Термокомпенсированный стабилитрон — цепочка из последовательно соединённого стабилитрона на номинальное напряжение около 5,6 В и прямосмещённого диода — вошёл в практику разработчиков в конце 1960-х годов. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытеснены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания.
В окрестности напряжения 5,6 В лавинный механизм пробоя преобладает над туннельным, но не подавляет его, а его температурный коэффициент имеет стабильное положительное значение около +2 мВ/°C. ТКН диода в прямом включении при нормальных рабочих температурах и токах равен примерно -2 мВ/°C. При последовательном соединении стабилитрона и диода их температурные коэффициенты взаимно компенсируются: абсолютная нестабильность по температуре такой цепочки может составлять всего 5 мВ в диапазоне -55…+100 °C или 2 мВ в диапазоне 0…+75 °C. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C. Диодом термокомпенсированного стабилитрона может служить второй стабилитрон, включенный во встречном направлении. Такие симметричные двуханодные приборы, допускающие работу при любой полярности напряжения, как правило оптимизированы для работы на номинальном токе 10 мА, или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821-1N829). Если же диодом термокомпенсированного стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, обычно, не допускается.
Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %). В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 0,5 мА (1N4565-1N4569), 1,0 мА (1N4570-1N4574) и 7,5 мА (1N821-1N829). Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН; при меньших токах ТКН отрицательный, при больших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет 10 или 15 Ом, приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом. В технической документации эти особенности внутренней структуры обычно не раскрываются: термокомпенсированные стабилитроны перечисляются в справочниках наравне с обычными или выделяются в отдельный подкласс «прецизионных стабилитронов». На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны.
Стабилитрон со скрытой структурой
Ток пробоя обычного планарного стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния — в слое с максимальной концентрацией дефектов кристаллической решётки и посторонних примесей. Именно эти примеси и дефекты и обуславливают нестабильность и шум стабилитрона. Улучшить его показатели можно, если «загнать» ток пробоя вглубь кристалла, в скрытую структуру p-n-перехода с меньшим, чем в приповерхностном слое, напряжением пробоя. В классической эпитаксиальной технологии на месте будущего стабилитрона формируется глубокий островок p + -типа проводимости, а после проводится обычные диффузии базового (p — ) и эмиттерного (n + ) слоёв. Эмиттер созданной диодной структуры становится катодом стабилитрона, база — анодом. В приповерхностном слое этот переход имеет профиль проводимости n + -p — , а на дне базовой области — n + -p + . Высоколегированный n + -p + переход имеет меньшее, чем в приповерхностном n + -p — -слое, напряжение пробоя, поэтому весь обратный ток стабилитрона именно на дне базовой области.
Первая интегральная схема на стабилитронах со скрытым слоем, LM199, была выпущена в 1976 году, а абсолютный рекорд по совокупности точностных характеристик принадлежит выпущенной в 1987 году LTZ1000. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временную нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C. LM199, LTZ1000 и их аналоги имеют характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. Внешний или встроенный терморегулятор поддерживает постоянно высокую температуру кристалла. Такие ИС имеют рекордно низкие показатели ТКН (LM199 — 0,3 ppm/°C, LTZ1000 — 0,05 ppm/°C), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч). Заявленные показатели достигаются только при тщательном термостатировании и экранировании схемы и жёсткой стабилизации тока стабилитрона.
Источник
