Стабилитрон. Устройство, применение и характеристики

Стабилитрон (или диод Зенера) — сильно легированный полупроводниковый диод, который предназначен для работы в обратном направлении. Другими словами, диод, который специально разработан для оптимизации области пробоя, известен как стабилитрон.

Ниже показано графическое обозначение стабилитрона на электрических схемах:

Устройство стабилитрона

Устройство стабилитрона показано на рисунке ниже. Стабилитрон используется в режиме обратного смещения. Обратное смещение означает, что материал n-типа диода подключен к положительной клемме источника питания, а материал p-типа подключен к отрицательной клемме источника питания. Область истощения (обедненная область) диода очень тонкая, потому что он сделан из сильно легированного полупроводникового материала.

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон изготовлен из сильно легированного полупроводникового материала. Сильно легированный означает, что полупроводниковый материал имеет высокое содержание  примесей и это повышает его проводимость. Область обеднения стабилитрона очень тонкая из-за примесей. Сильно легирующий материал увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области элемента даже при небольшом обратном напряжении.

Когда смещение стабилитрона не применяется, электроны остаются в валентной зоне материала р-типа и ток через диод не протекает. Зона, в которой находятся валентные электроны (крайняя электронная орбита), называется электроном валентной зоны. Электроны валентной зоны легко переходят из одной полосы в другую, когда на нее подается внешняя энергия.

Когда обратное смещение применяется к диоду и напряжение питания равно напряжению стабилитрона, оно начинает проводить в обратном направлении смещения. Напряжение стабилитрона — это напряжение, при котором область обеднения полностью исчезает.

Обратное смещение через диод увеличивает напряженность электрического поля в области истощения. Таким образом, это позволяет электронам перемещаться из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа. Эта передача электронов валентной зоны в зону проводимости уменьшает барьер между материалом p и n-типа. Когда область истощения исчезает практически полностью, диод начинает проводить в обратном направлении.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера) показана на рисунке ниже. Эта кривая показывает, что стабилитрон, когда подключен напрямую, ведет себя как обычный диод. Но когда на него подается обратное напряжение и обратное напряжение выходит за пределы заданного значения, в диоде происходит пробой и он начинает работать как стабилитрон.

При пробое диода Зенера ток начинает течь в обратном направлении. График пробоя стабилитрона не совсем вертикальный, как показано выше, который показывает, что стабилитрон имеет сопротивление. Напряжение на диоде Зенера представлено уравнением, показанным ниже.

Применение стабилитрона

Диод Зенера в основном используется в коммерческих и промышленных применениях.

Ниже приведены основные применения стабилитрона:

В качестве стабилизатора напряжения — стабилитрон используется для регулирования напряжения. Он обеспечивает постоянное напряжение от источника напряжения к нагрузке. Стабилитрон подключается параллельно нагрузке и поддерживает постоянное напряжение U_Z и, следовательно, стабилизирует напряжение.

Для защиты измерителя — стабилитрон обычно используется в мультиметрах для защиты измерителя от случайных перегрузок. Измерительный элемент подключен параллельно с диодом Зенера. Когда в цепи происходит перегрузка, большая часть тока проходит через стабилитрон. Таким образом, измерительный элемент защищается от повреждений.

Для формирования сигнала — стабилитрон используется для преобразования синусоидальной волны в прямоугольную. Это можно сделать, подключив два стабилитрона встречно последовательно с сопротивлением.

Когда напряжение, подаваемое на нагрузку, меньше напряжения пробоя стабилитрона, диод Зенера имеет высокое внутреннее сопротивление, что эквивалентно разрыву электрической сети (разомкнутый контакт) и ток протекает только через нагрузку. Когда напряжение становится больше напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление стабилитрона резко снижается, что является аналогом короткого замыкания (контакт замкнут) и ток протекает через стабилитрон, а не через нагрузку. Из-за чего происходит сильное падение напряжения в цепи, после падения напряжения в цепи ниже напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление диода Зенера восстанавливается и ток перестает протекать через него. Таким образом, осуществляется защита чувствительных элементов электрической цепи от перенапряжения.

Диод | Страница 3 из 5 | Electronov.net

Диод Зенера (стабилитрон)

Данный тип диодов назван в честь американского физика Кларенса Зенера. В отечественной литературе диод Зенера более известен под названием «стабилитрон».

Основное назначение – стабилизация напряжения. Работает данный тип диодов при обратном включении в режиме электрического пробоя. При этом в зависимости от конкретной модели прибора может преобладать как лавинный, так и туннельный механизм электрического пробоя. Если Вы внимательно читали материал выше, то легко можете заметить, что стабилитрон использует основной недостаток реального p-n перехода себе во благо. Стоит заметить, что примерно в половине полупроводниковых приборов используются или даже лежат в основе их функционирования какие-либо недостатки или паразитные свойства p-n перехода или чистого полупроводника. Исходя из этого, можно сказать, что в электронике хоть и приходится за все платить, но ничего даром не пропадает.

ВАХ стабилитрона: Рисунок 4 — ВАХ стабилитрона.

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 напряженность электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

• Туннельный (Зенеровский).

Возникает в полупроводнике только тогда, когда напряженность электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 10⁶ В/см. Такие уровни напряженности возможны только в высоколегированных диодах с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещенной 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 запрещенной зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН).

• Лавинный.

Возникает в диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, большими напряжениями 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.

Основные параметры стабилитронов:

• Номинальное значение напряжения и тока стабилизации;

Эти значения обычно находятся по середине между минимальными и максимальными.

• Минимальное и максимальное значения напряжения и тока стабилизации;
• Температурный коэффициент напряжения.

Величина ТКН обычно порядка Для стабилитронов туннельного пробоя ТКН отрицателен, а для стабилитронов лавинного пробоя — положителен.

• Максимально допустимая рассеиваемая мощность;
• Диапазон рабочих температур.

Варикап

Название прибора происходит от англ. vari(able) — «переменный», и cap(acity) — «емкость». Работа данного типа диодов основана на зависимости барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Как Мы видим, очередной паразитный параметр p-n перехода работает нам на пользу. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

В данном случае используется принцип простого плоского конденсатора, в котором емкость зависит от расстояния между обкладками, роль которых в варикапе играют p и n области. При увеличении обратного напряжения увеличивается геометрический размер запирающего слоя (обедненной области p-n перехода), т.е. увеличивается расстояние между обкладками, что приводит к уменьшению емкости p-n-перехода. Диапазон изменения емкости ограничен лишь толщиной полупроводника, далее которой p-n переход расширяться не может.

Основные параметры варикапов:

• Номинальная емкость;

Нормируется при заданном обратном напряжении.

• Коэффициент перекрытия по емкости;

Отношение емкостей при двух заданных значениях обратного напряжения на варикапе.

• Добротность;

Отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения.

• Максимально допустимый продолжительный обратный ток;
• Максимально допустимое продолжительное обратное напряжение;
• Предельная частота варикапа;

Значение частоты, на которой реактивная составляющая проводимости варикапа становится равной активной составляющей. Нормируется при заданном обратном напряжении и температуре.

• Максимально допустимая рассеиваемая мощность;
• Диапазон рабочих температур.

Страниц: 1 2 3 4 5

Стабилитрон

— Как использовать стабилитрон

Всем привет! Сегодня я собираюсь дать вам подробный обзор стабилитрона. Этот блог является постоянным блогом серии Диоды, поэтому, если вы хотите прочитать о любых других диодах или основных диодах, вы можете посетить наш веб-сайт.

В этом блоге мы обсудим определение, символ, конструкцию, IV-характеристики стабилитрона, преимущества стабилитрона, как выбрать идеальный стабилитрон, функции стабилитрона, приложения, стабилитрон №. и так далее.

Зенеровский диод позволяет току течь не только от анода к катоду, но и в обратном направлении при достижении напряжения Зенера. Из-за этой особенности стабилитроны являются наиболее широко используемыми полупроводниковыми диодами. Стабилитроны используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничения. Давайте узнаем о роли стабилитронов, их работе и многом другом в этом блоге.

 

ДИОД ЗЕНЕРА
Когда обычные кремниевые диоды смещены в обратном направлении, они блокируют весь ток и выходят из строя, если обратное напряжение слишком велико. В результате эти диоды никогда не используются в области отказа.

Зенеровские диоды, с другой стороны, уникальны.

Они специально предназначены для безотказной работы в области пробоя.

Стабилитроны используются в качестве регуляторов напряжения и цепей, поддерживающих напряжение нагрузки почти постоянным, несмотря на большие колебания сетевого напряжения и сопротивления нагрузки. Зенеровский диод, также называемый пробивным диодом, представляет собой сильнолегированный полупроводниковый прибор, работающий в обратном направлении. Переход разрушается, и ток течет в противоположном направлении, когда напряжение на выводах стабилитрона меняется на противоположное и потенциал превышает напряжение Зенера (напряжение колена). Этот эффект известен как эффект Зенера.

 

СИМВОЛ
Стабилитрон доступен в нескольких упаковках. Некоторые используются для высоких уровней рассеивания мощности, а остальные содержатся в формах для поверхностного монтажа. Миниатюрный стеклянный корпус окружает самую популярную форму стабилитрона. Катодная сторона диода отмечена полосой вокруг одного конца.

    Линии символа напоминают букву «Z», что означает «Zener».

 

Как работает стабилитрон при обратном смещении?
При прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод. Однако при включении диода в обратном смещенном состоянии через него протекает небольшой ток утечки. Ток начинает течь через диод, когда обратное напряжение достигает заданного значения пробоя (Vz). После достижения максимума, определяемого последовательным резистором, ток стабилизируется и остается постоянным в широком диапазоне приложенного напряжения.
Существует два типа пробоя стабилитрона:

• Лавинный обвал
• Пробой Зенера

Пробой Зенера в стабилитроне
Когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в узкой области обеднения появляется очень интенсивное электрическое поле. Электрическое поле достаточно сильное, чтобы разорвать ковалентные связи некоторых валентных электронов, позволяя им двигаться в зону проводимости. Эти электроны затем становятся свободными электронами, которые могут проводить электричество. Говорят, что эффект Зенера вызвал пробой, потому что большое количество таких свободных электронов создает большой обратный ток через диод Зенера.

 

Лавинный пробой стабилитрона
При высоком обратном напряжении лавинный пробой происходит как в обычных, так и в стабилитронах. Когда свободный носитель заряда сталкивается с другими атомами, создается больше электронов и дырок. Ток обратного смещения возникает, когда эти свободные электроны начинают двигаться по цепи. Переход полностью разрушается обратным током смещения. И как только соединение выходит из строя, его невозможно вернуть на прежнее место. Ток насыщения при обратном смещении вызывает лавинный пробой. В результате, если мы увеличим обратное напряжение, увеличится и электрическое поле.

 

V-I Характеристики стабилитрона

Когда на стабилитрон подается напряжение обратного смещения, он допускает только небольшой ток утечки, пока напряжение не станет меньше напряжения Зенера.

ВАХ стабилитрона можно разделить на две части:
(i) прямые характеристики
(ii) обратные характеристики

0003  

Стабилитрон в качестве регулятора напряжения:

Для регулирования напряжения на малых нагрузках в качестве регулятора напряжения используется стабилитрон. Для обратного смещения нагрузки параллельно ей подключается стабилитрон, и после того, как стабилитрон превысит напряжение колена, напряжение на нагрузке становится постоянным. В этом примере стабилитрон подключен к нагрузке RL. Напряжение на нагрузке необходимо отрегулировать так, чтобы оно не превышало Vз. Выбираем стабилитрон с напряжением пробоя стабилитрона, близким к нужному нам напряжению на нагрузке. В состоянии обратного смещения подключите стабилитрон. Через диод протекает большой ток, когда напряжение на нем достигает напряжения пробоя Зенера. Падение напряжения на нагрузке равно напряжению пробоя Зенера, так как нагрузка подключена параллельно диоду. Диод Зенера создает путь для прохождения тока, который защищает нагрузку от чрезмерных токов.
  

Стабилитрон в защите от перенапряжения:

Напряжение на резисторе снижается, когда входное напряжение превышает напряжение отключения Зенера, что приводит к короткому замыканию. Чтобы избежать этого, можно использовать диод Зенера.
 

Стабилитрон в цепях ограничения:

За счет ограничения частей одного или обоих полупериодов сигнала переменного тока стабилитрон используется для изменения схем ограничения формы сигнала переменного тока.

 

 

Характеристики стабилитрона
Стабилитроны различаются по таким характеристикам, как максимальный обратный ток, номинальное рабочее напряжение, рассеиваемая мощность, максимальный обратный ток и упаковка. Некоторые часто используемые спецификации включают
 

• Напряжение Vz: обратное напряжение пробоя — от 2,4 В до примерно 200 В; может доходить до 1 кВ, а максимальное для устройства поверхностного монтажа (SMD) около 47 В
• Ток Iz (макс. ): Максимальный ток при номинальном напряжении Зенера Vz — от 200 мкА до 200 А).
• Ток Iz (мин.): Минимальный ток, необходимый для пробоя диода — 5 мА и 10 мА.
• Номинальная мощность: Произведение напряжения на диоде и протекающего через него тока определяет максимальную мощность, которую может рассеивать стабилитрон. 400 мВт, 500 мВт, 1 Вт и 5 Вт — обычные значения; для поверхностного монтажа 200 мВт, 350 мВт, 500 мВт и 1 Вт являются типичными значениями
• Допуск по напряжению: Обычно ±5%.
• Упаковка: Устройства с выводами и поверхностный монтаж либо как дискретные устройства, либо в составе интегральных схем.
• Сопротивление Зенера (Rz): Диод имеет некоторое сопротивление, как видно из ВАХ.

 
Некоторые популярные стабилитроны

Напряжение стабилитрона	Стабилитрон, артикул
3,3 В	1N5226
5,1 В	1N5231
6,8 В	1N5235
9,1 В	1N5239
11,0 В	1N5241
13,0 В	1N5243
15,0 В	1N5245

 
 
  Стабилитрон Стандартные напряжения стабилитрона

Стабилитрон	Напряжение Зенера (В)	Номинальная мощность (Вт)
1N746	3,3 В	0,4 Вт
1N747	3,6 В	0,4 Вт
1N748	3,9 В	0,4 Вт
1N749	4,3 В	0,4 Вт
1N750	4,7 В	0,4 Вт
1N751	5,1 В	0,4 Вт
1N752	5,6 В	0,4 Вт
1N753	6,2 В	0,4 Вт
1N754	6,8 В	0,4 Вт
1N957	6,8 В	0,4 Вт
1N5221	2,4 В	0,4 Вт
1N4617	2,4 В	0,5 Вт
1N5222	2,5 В	0,5 Вт
1N5223	2,7 В	0,5 Вт
1N4618	2,7 В	0,5 Вт
1N5224	2,8 В	0,5 Вт
1N5225	3В	0,5 Вт
1N4619	3В	0,5 Вт
1N5226	3,3 В	0,5 Вт
1N4620	3,3 В	0,5 Вт
1НС227	3,6 В	0,5 Вт
1N4621	3,6 В	0,5 Вт
1N5228	3,9 В	0,5 Вт
1N4622	3,9 В	0,5 Вт
1N5229	4,3 В	0,5 Вт
1N4623	4,3 В	0,5 Вт
1N5230	4,7 В	0,5 Вт
1N4624	4,7 В	0,5 Вт
1N5231	5,1 В	0,5 Вт
1N4625	5,1 В	0,5 Вт
1N5232	5,6 В	0,5 Вт
1N4626	5,6 В	0,5 Вт
1N5233	6В	0,5 Вт
1N469	6В	0,5 Вт
1N5234	6,2 В	0,5 Вт
1N4627	6,2 В	0,5 Вт
УЗ88806	6,8 В	1 Вт
1N5336	4,3 В	5 Вт
1N5337	4,7 В	5 Вт
1N5338	5,1 В	5 Вт
1N5339	5,6 В	5 Вт
1N5340	6В	5 Вт
1N5341	6,2 В	5 Вт
1N5342	6,8 В	5 Вт
УЗ5806	6,8 В	5 Вт

Понимание основ стабилитронов

Понимание основ стабилитронов | Эффективность побеждает

Диоды Автомобильный промышленный Потребитель Компьютеры

25 января 2022 г. Автор: Реза Бехташ

Один из основных строительных блоков электронных схем, стабилитроны позволяют значительному току течь в обратном направлении при достижении определенного заданного обратного напряжения, известного как напряжение Зенера. При этом напряжении пробоя или выше они работают как опорное постоянное напряжение. Часто используемые для создания стабилизированного напряжения, стабилитроны могут использоваться во всех видах приложений, где уровни напряжения должны быть ограничены или удержаны ниже предела. Еще одной важной областью применения стабилитронов является подавление нежелательных перенапряжений для защиты МОП-транзисторов.

Эффекты Зенера и Лавины

При напряжении до 5 В электрический пробой происходит из-за туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости через зону обеднения перехода обратного смещения. Как только напряженность поля становится достаточно высокой, свободные носители заряда внезапно увеличивают обратный ток. Этот эффект был впервые обнаружен в 1934 году Кларенсом Мелвином Зенером, отсюда и название этого типа диода.

При напряжении выше 5 В преобладает другой эффект. Электрическое поле на p-n переходе ускоряет электроны в области перехода, создавая электронно-дырочные пары. Дырки движутся к отрицательному электроду и заполняются, а электроны движутся к положительному электроду. Подвижные дырки и электроны могут генерировать больше носителей заряда с высокой напряженностью поля, освобождая соседние связанные электроны. Этот процесс генерации большего количества носителей заряда может быстро стать лавинным, так что при превышении определенного обратного напряжения начинает течь большой ток.

ВАХ стабилитронов

Оба эффекта, стабилитрон и лавинный, не различаются при наименовании стабилитронов. Независимо от того, какой физический эффект преобладает при пробое p-n перехода, все диоды опорного напряжения называются стабилитронами.

 

Стабилизатор напряжения со стабилитроном

Допуски по напряжению

Производители Nexperia Стабилитрон для различных напряжений в диапазоне от 1,8 В до 75 В с гарантированными допусками, испытанными при определенном обратном токе. Стандартные допуски характеризуются как B-выбор для ±2% и C-выбор около ±5%. Чтобы удовлетворить потребность в более высокой точности, Nexperia недавно представила широкий ассортимент стабилитронов A-отбора с допуском ±1%.

Чтобы узнать больше о стабилитронах в целом, вы можете загрузить и прочитать примечания по применению AN
Стабилитроны — физические основы, параметры и примеры применения.

 

 

 

Об авторе

Реза Бехташ

Реза получил диплом инженера-электрика в 1999 году в Гамбургском техническом университете. Затем он провел четыре года в качестве научного сотрудника в исследовательском институте DaimlerChrysler в Ульме, работая над GaN HEMT и MMIC, и впоследствии получил докторскую степень в Ульмском университете. Реза продолжал работать над технологиями GaN для усилителей мощности, работая в Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik в Берлине и во время работы в United Monolithic Semiconductors (UMS). В течение последних восьми лет в составе команды по маркетингу приложений компании Nexperia в Гамбурге его основное внимание уделялось дискретным планарным и траншейным выпрямителям Шоттки в автомобильных приложениях.