Стабілітрони

3. Принцип роботи

1. Основні механізми роботи стабілітрона. В основі роботи стабілітрона лежать два механізми:

• лавинний пробій p-n переходу

• тунельний пробій p-n переходу, також відомий під назвою ефект Зенера.

    Незважаючи  на схожі результати дії, ці два фізичні  механізми принципово відрізняються один від одного. Як правило, домінує один із механізмів пробою. В стабілітронів до напруги 5, 6 вольт домінує тунельний пробій, а при вищих напругах домінуючим стає лавинний пробій із позитивним температурним коефіцієнтом. В діапазоні напруг 5, 6 вольт обидва механізми врівноважуються, і тому вибір такої напруги є оптимальним для пристроїв з широким температурним діапазоном використання.

    Результатом певних особливостей конструктивного  виконання і зміни початкових параметрів напівпровідникових матеріалів стало те, що на зворотній гілці вольт-амперної характеристики (ВАХ) стабілітрона (рисунок 4.1.1) існує певна ділянка, в межах якої напруга дуже слабо залежить від зміни струму. Це відбувається за рахунок електричного пробою p-n переходу. Внесення спеціальних домішок дозволило використовувати електричний пробій, не викликаючи при цьому теплового пробою. Зміна струму можлива у досить широкому діапазоні.

2. Лавиноподібні процеси в p-n переході. Згідно лавинної теорії електрони та дірки, що утворюють струм насичення діода, під дією наростаючого електричного поля отримують енергію достатню для ударної іонізації валентних електронів основної решітки напівпровідника. Утворені в результаті іонізації електрон та дірка будуть, в свою чергу, розганятися полем і, при достатній напруженості, можуть створювати наступні пари «електрон – дірка» і т. д.

    Хоча  цей процес наростає лавиноподібно, він залишається керованим: незначні зміни напруги, що прикладена до переходу, викликають різкі зміни струму, що протікає через нього. Мимовільний розвиток лавинних процесів при цьому відсутній.

    Описана картина пробою в напівпровідниковому  матеріалі є аналогічною до механізму  ударної іонізації в газі. Експериментально було доведено, що, за виключенням досить тонких p-n переходів, пробій характеризується лавинним механізмом. Це пояснюється тим, що при широкому p-n переході носії встигають набрати енергію, достатню для ударної іонізації електронів. У випадку вузького переходу носії, що утворюють зворотній струм діода, не встигають розігнатися до необхідної швидкості, і тому утворення лавини не відбувається. Однак при подальшому підвищенні напруженості наступає зенерівський пробій. Очевидно, що при певній ширині пробою обидва механізми діють одночасно.

    Звуження  ширини переходу призводить до зниження пробивної напруги, адже величину напруженості поля, що достатня для іонізації, можна  умовно вважати постійною. Відомо, що ширина переходу значною мірою визначається питомим опором напівпровідникового матеріалу, застосованого в діоді, відповідно, змінюючи питомий опір матеріалу, можна отримувати діоди з різними значеннями напруги пробою.

    Дослідження тонких p-n переходів показало, що переходам з пробивною напругою менше 7 В властивий зенерівський, а переходам з пробивною напругою вище 40 В – лавинний пробій. В діапазоні 7 – 40 В присутнє накладення цих двох механізмів.

    Як  ефект Зенера, так і лавинний пробій є справедливими і для кремнієвих, і для германієвих діодів. Однак виділення тепла, що супроводжує ці процеси призводить, у випадку германієвих діодів призводить до додаткової теплової іонізації, яка маскує картину лавинного пробою. В кремнієвих діодах явищем теплової іонізації можна знехтувати, адже кремній має значно вищу температурну стабільність.