Полупроводниковым стабилитроном (или опорным диодом) называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока.
Рабочим участком характеристики стабилитрона является область пробоя обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода, которая почти параллельна оси токов, а рабочим напряжением – напряжение пробоя, поэтому полярность подключения внешнего напряжения для опорных диодов, как правило, противоположна.
При ограничении протекающего тока состояние пробоя в стабилитроне может поддерживаться и воспроизводиться в течение десятков тысяч часов.
Величина стабилизируемого напряжения зависит от полупроводникового материала и технологии его обработки. Полупроводниковые стабилитроны обычно изготавливают на основе кремния, что обусловлено незначительным обратным током в кремниевых диодах. Это исключает возможность их саморазогрева и теплового пробоя p–n-перехода. У стабилитронов с малым рабочим напряжением (до 3…4 В), которые изготавливаются из низкоомного материала, возникает туннельный пробой. У более высокоомных стабилитронов с рабочим напряжением более 7В – лавинный пробой. У стабилитронов с рабочим напряжением 3..7В пробой определяется совместным взаимодействием туннельного и лавинного механизмов.
Наклон ВАХ на участке электрического пробоя характеризуется величиной динамического сопротивления, определяемого как отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации:
R_Д = \displaystyle\frac {\Delta U_{СТ}} {\Delta I_{СТ}}
Чем меньше величина динамического сопротивления, тем лучше соответствуют характеристики стабилитрона идеальному источнику напряжения на участке электрического пробоя.
В электронных схемах опорные диоды используются, как правило, в качестве источников эталонного напряжения и являются базисным элементом измерительной схемы. Точность поддержания эталонного напряжения при этом, как правило, определяет точность механизма измерения различных физических величин. Поэтому вопросы временной и температурной стабильности напряжения стабилизации для опорных диодов имеют важное техническое значение.
Зависимость напряжения стабилизации от температуры отражается температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН), равным отношению относительного приращения напряжения стабилизации к абсолютному приращению температуры окружающей среды, выраженный в процентах:
ТКН = \displaystyle\frac {\Delta U_{СТ}} {U_{СТ}\cdot \Delta T^o}\cdot 100 %
при IСТ = const
Для стабилитронов с туннельным характером электрического пробоя ТКН<0, для стабилитронов с лавинным пробоем ТКН>0.
Существует особый класс опорных диодов, называемых термокомпенсированными стабилитронами, которые представляют собой последовательное соединение прямо смещенного диода и пробитого стабилитрона с лавинным пробоем, причем отрицательный ТКН диода компенсируется положительным ТКН стабилитрона.
В результате такого соединения элементов удается достичь результирующего ТКН в диапазоне 5·10-4 %/O. Следует отметить, что изменение полярности приложенного напряжения не формирует прямую ветвь ВАХ из-за обратного смещения диода.
Для работы с сигналами переменного тока в настоящее время широкое распространение получили двухсторонние стабилитроны, представляющие собой встречно-последовательное соединение двух стабилитронов.
ВАХ таких приборов симметрична относительно начала координат.
Основными параметрами полупроводниковых стабилитронов являются:
- напряжение стабилизации UСТ – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока;
- ток стабилизации IСТ – ток стабилитрона в области стабилизации;
- динамическое (дифференциальное) сопротивление RД;
- температурный коэффициент напряжения (ТКН);
- рассеиваемая мощность
: при повышении температуры до значений 75…90OC, рассеиваемая мощность снижается линейно; - максимальный ток стабилизации IСТ max – максимальный ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимое значение (не возникает тепловой пробой);
- минимальный ток стабилизации IСТ min – минимальный ток через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.