Меры напряжения на основе кремниевых стабилитронов

Твердотельные элементы — кремниевые стабилитроны — применяют в качест­ве источников опорного напряжения (ИОН) относительно недавно (по сравне нию с мерами ЭДС на основе нормальных элементов). Их широкое применение стало возможным по причине бурного развития полупроводниковой техники в 50-60-е гг. прошлого века.

Первоначально полупроводниковые стабилитроны, пришедшие на смену га­зонаполненным стабилитронам тлеющего разряда, использовали в стабилизато­рах напряжения питания, в системах регулирования, устройствах защиты от пе­регрузок, в ограничителях и т. д. С появлением прецизионных стабилитронов малой мощности, имеющих в некотором диапазоне токов нагрузки более ста­бильное и воспроизводимое значение напряжения, стало возможно применять их для решения задач метрологии.

В наше время уже трудно представить себе измерительную технику без опор­ных элементов в виде полупроводниковых стабилитронов. ИОН является неотъ­емлемой частью цифровых приборов, компараторов, компенсаторов, калибра­торов напряжения и тока. Изготавливают источники опорного напряжения — меры напряжения — и как самостоятельное средство измерений.

Мерой напряжения источники на стабилитронах называют потому, что, в от­личие от мер ЭДС на основе нормальных элементов, стабилитроны в режиме стабилизации находятся в некотором диапазоне рабочих токов от I_min до I_max, со­ответственно мера на стабилитроне допускает некоторое значение тока нагрузки (в диапазоне миллиамперов).

Полупроводниковые стабилитроны представляют собой особую группу полу­проводниковых диодов, рабочая точка которых (в отличие от обычных диодов) в нормальном режиме лежит на участке вольт-амперной характеристики, соот­ветствующем состоянию пробоя р-n-перехода (рис. 6.2). В этом режиме напря­жение на стабилитроне сохраняется примерно постоянным при изменении про­текающего тока. Это напряжение называют напряжением пробоя, или напряже­нием стабилизации.

Механизм пробоя можно представить себе следующим образом. Если к р-n-переходу приложить обратное напряжение, то под действием электрического поля произойдет расширение области, обедненной свободными носителями заряда — электронами и дырками. Имеющиеся в этой области свободные носители заряд» перемещаются под действием электрического поля и образуют обратный ток перехода. Пока обратное смещение невелико, этот ток остается практически постоянным при изменении напряжения. При возрастании обратного напряжения до некоторого значения наблюдается резкое увеличение обратного тока. При этом свободные носители заряда, образующие обратный ток перехода, ускоряются электрическим полем настолько, что приобретают энергию, достаточную для ио­низации нейтральных атомов полупроводника. В результате появляются новые носители заряда (электроны и дырки), которые также ускоряются и при столк­новении с атомами вызывают их ионизацию, и т. д.

Увеличение количества носителей заряда происходит также под действием сильного электрического поля, воздействующего на кристаллическую решетку полупроводника. Под влиянием такого поля разрываются связи, удерживающие валентные электроны в атоме, и образуются новые электронно-дырочные пары, приводящие к возрастанию тока через переход.

Таким образом развивается процесс лавинообразного увеличения обратного тока полупроводника, то есть пробой р- n -перехода. Несмотря на лавинный ха­рактер, процесс остается управляемым: незначительное изменение напряжения на переходе вызывает существенное изменение тока через переход. В связи с тем что необходимая для этого напряженность электрического поля постоянна данного материала, напряжение пробоя (или стабилизации) возрастает с увеличением ширины р-n-перехода:

U_ст=Еd,

где U _ст — напряжение пробоя р-n-перехода, или напряжение стабилизации; Е напряженность электрического поля, при которой происходит лавинообразное умножение носителей заряда; d — ширина перехода.

Таким образом, изменяя ширину перехода, можно получить нужное напряже­ние пробоя. Выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации от еди­ниц до сотен вольт, но в метрологической практике используют, как правило, стабилитроны с рабочим напряжением 6-10 В. Исключения могут встречаться в некоторых видах измерений. Так, например, при измерениях высоких постоян­ных и импульсных напряжений в качестве ИОН могут быть применены стаби­литроны с большим значением напряжения.

Рассмотренный механизм пробоя наблюдается как у кремниевых, так и у гер­маниевых р-n-переходов. Однако в процессе пробоя германиевых переходов выделяется значительное количество тепла, приводящее к появлению дополнитель­ных пар носителей заряда. Эти носители маскируют картину лавинного пробоя и ухудшают вольт-амперную характеристику полупроводникового прибора. В кремниевых же p-n-переходах явление тепловой генерации свободных носителей заря­да проявляется заметно слабее. Поэтому в качестве материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний.

Тем не менее изменение температуры окружающей среды и повышение темпе­ратуры кремниевого стабилитрона под действием протекающего через него рабо­чего тока влияет на значение напряжения стабилизации. Нестабильность напря жения стабилизации при изменении температуры перехода уменьшают путем тер­мостабилизации (помещают стабилитрон в термостат) или температурной ком­пенсации (включают в цепь основного стабилитрона дополнительные элементы).

По принципу действия все меры напряжения — источники опорного напря­жения — можно разделить на параметрические и компенсационные. В парамет­рических ИОН выходное напряжение меры снимается непосредственно с регу­лирующего элемента — кремниевого стабилитрона. В компенсационных ИОН выходное напряжение обычно отличается от напряжения кремниевого стабили­трона (используется масштабное преобразование), но сравнивается с ним для получения требуемого значения. Компенсационные ИОН позволяют получить значения выходного напряжения меры, отличающиеся от напряжения стабили­зации стабилитрона при больших значениях допустимых рабочих токов, однако параметрические ИОН более просты и надежны в эксплуатации. Часто меры на­пряжения имеют схемы как параметрического ИОН, так и компенсационного и, соответственно, разные значения выходных напряжений меры.

Принцип действия параметрического стабилизатора можно пояснить на про­стейшей электрической схеме (рис. 6.3)

Он представляет собой делитель напря­жения, состоящий из балластного рези­стора R и кремниевого стабилитрона Д, параллельно которому включается сопро­тивление нагрузки R „. Такой параметри­ческий стабилизатор обеспечивает посто­янство нерегулируемого выходного напря­жения меры в некотором диапазоне изме­нений напряжения питания U „ и тока нагрузки /„. С помощью балластного рези­стора R устанавливается рабочий режим кремниевого стабилитрона. Влияние из­менений температуры окружающей среды и p-n-перехода стабилитрона умень­шается путем термостабилизации.

Схема компенсационного стабилизатора напряжения отличается от схемы параметрического наличием системы автоматического регулирования, в которой выполняются сравнение выходного напряжения меры и напряжения стабили­трона, а также автоматическая компенсация изменений выходного напряжения.

Меры напряжения на кремниевых стабилитронах имеют ряд преимуществ по сравнению с мерами ЭДС на основе насыщенных нормальных элементов. Ими являются лучшие нагрузочные характеристики (токи нагрузки до 1-10 мА), мень­шее значение выходного сопротивления меры (0,01-20 Ом в зависимости от принципа действия ИОН), меньшее время готовности к измерениям (0,5-2 ч), существенно меньшая чувствительность к транспортной тряске. Меры напряже­ния, воспроизводящие значение 1,018 В (имитирующие значение ЭДС нормаль­ного элемента), могут иметь выходное сопротивление, близкое к значению внут­реннего сопротивления НЭ.

Но по характеристике долговременной стабильности значения воспроизводи­мого напряжения меры на стабилитронах уступают мерам ЭДС на основе насы­щенных нормальных элементов. По этой причине для мер напряжения на кремниевых стабилитронах устанавливают меньшие промежутки времени после сли­чения с более точным средством измерений, в течение которых их напряжение будет соответствовать указанному значению с некоторой погрешностью (кратко­временная стабильность). Обычно это 10 дней, 1, 3, 6 или 12 месяцев, причем для одной и той же меры может быть установлено сразу несколько интервалов с различными значениями нестабильности выходного напряжения.

Так, например, мера напряжения Н4-9, предназначенная для передачи разме­ра единицы напряжения постоянного тока от вторичных эталонов к рабочим эта­лонам и средствам измерений на местах их эксплуатации и являющаяся компен­сационным ИОН, воспроизводит два значения напряжения: 1,018 и 10,0 В. Неста­бильность выходного напряжения меры за время после сличения с более точным эталоном составляет:

□ на выходе 1,018 В при выходном сопротивлении 1000 Ом: 0,0002 % — за 30 суток; 0,0003 % - за 90 суток; 0,0005 % - за 12 месяцев;

□ на выходе 10,0 В при выходном сопротивлении 0,1 Ом: 0,0001 % — за 30 су­ток; 0,0002 % - за 90 суток; 0,0004 % - за 12 месяцев.

Эта и подобные ей меры благодаря высокой кратковременной стабильности могут использоваться в качестве транспортируемого эталона при сличении эта­лонов различных уровней, в том числе эталонов разных стран, и для передачи размера единицы постоянного напряжения средствам измерений, транспортиров­ка которых в удаленный метрологический центр по конструктивным особенно­стям затруднена или невозможна.