3.2.3. Stabilizační dioda

Diodová rovnice ve tvaru

I = I_o [ exp(eV/kT)-1 ]

vypovídá, že v závěrném směru při dosažení dostatečně vysokého napětí, aby exponenciální člen zanikl ve srovnání s jedničkou, poteče diodou jen zbytkový proud a ten nebude na velikosti závěrného napětí záviset. Již jsme si vysvětlili princip tzv. lavinového průrazu, tj. generace párů elektron-díra urychlením elektrickým polem, které se přes přechod PN v závěrném směru vytvoří. Znamená to, že diodová rovnice, vzhledem k jednoduchým předpokladům jejího odvození, tento fyzikální efekt nepopisuje. Navíc existuje ještě jeden fyzikální princip, na jehož základě může docházet k průrazu přechodu PN při přiložení napětí v závěrném směru - tzv. Zenerův průraz. Vysvětlíme si tento efekt na základě obrázku 3.20.

obr. 3.20

Při přiložení napětí na PN přechod v závěrném směru dochází ke zvýšení difuzní potenciálové bariéry a tím k dodatečné deformaci energetických pásů, jak je znázorněno na obrázku. Pokud je přechod dostatečně tenký, ”vidí” elektrony ve valenčním pásu na straně polovodiče typu P volné energetické hladiny ve vodivostním pásu na straně N a mohou tuto tenkou bariéru protunelovat (vysvětlení tunelového efektu podává jen kvantová fyzika; pomocí metod klasické mechaniky nelze tento efekt objasnit). Výsledkem je zvýšení zbytkového proudu diodou, na voltampérové charakteristice nerozeznatelné od zvýšení způsobeného lavinovým průrazem, viz obrázek 3.21.

obr. 3.21

Napětí, při kterém dochází k Zenerovu nebo lavinovitému průrazu je charakteristické pro konstrukci diody (šířku přechodu) a pro danou diodu závisí jen na teplotě. Zapojíme-li tedy diodu podle obrázku 3.22,

obr. 3.22

bude na ní (po ustálení teploty) konstantní napětí, které můžeme odvodit graficky z voltampérové charakteristiky na obrázku 3.23b, zakreslíme-li si do ní tzv. zatěžovací přímku. Zatěžovací přímka vyjadřuje graficky vztah mezi napětím zdroje E_z a napětím na diodě U_z;

U_z = E_z-R_dI_d.

Směrnice zatěžovací přímky, tedy tangenta orientovaného úhlu mezi ní a osou pořadnic na charakteristice, je rovna záporně vzatému předřadnému odporu R_d. Zatěžovací přímku zkonstruujeme tak, že najdeme dva body, kterými musí procházet: pro nulový proud diodou je to bod (E_z,0), pro (myšleně) nulové napětí na diodě je to bod (0, E_z/R_d). Napětí na diodě a proud diodou musí vyhovovat jednak charakteristice, jednak zatěžovací přímce; to je možné jen v průsečíku obou čar. Při zvýšení napětí zdroje E_z na E_1z>E_z se nezmění směrnice zatěžovací přímky a dostaneme ji tedy jako rovnoběžku k původní, procházející bodem (E_1z,0) a obdobně při snížení napětí zdroje, jak je rovněž nakresleno na obrázku 3.23b. Vidíme, že díky strmosti charakteristiky diody v oblasti průrazu, je její diferenciální odpor malý a tedy i změna napětí na diodě bude relativně malá vzhledem ke změně napětí E_z. Definujeme zde tzv. činitel stabilizace

S = (ΔE_z/E_z)/(ΔU_z/U_z),

kde ΔE_z je změna napětí E_z a ΔU_z je změna napětí U_z vyvolaná změnou napětí E_z. Činitel stabilizace u tohoto jednoduchého stabilizátoru se pohybuje okolo 10. Diodám, které se v těchto stabilizátorech využívají, říkáme stabilizační nebo Zenerovy diody. (Název Zenerova dioda se často používá i pro diody pracující na principu lavinovitého průrazu.) Připojíme-li ke stabilizátoru zatěžovací odpor R_z, viz obrázek 3.23a,

je ekvivalentní s následujícím obvodem

je ekvivalentní s následujícím obvodem

obr. 3.23a

můžeme k analýze zapojení použít s výhodou Théveninovy věty, podle které nahradíme celý obvod až ke svorkám připojení diody. Vidíme, že obvod, který budeme nahrazovat, je vlastně jednoduchý odporový dělič a můžeme tedy okamžitě napsat pro ekvivalentní napětí a ekvivalentní odpor vztahy

E_ekv = E_z·R_z / (R_d+R_z),
R_ekv = R_dR_z  / (R_d+R_z).

Obvod jsme tedy převedli na předchozí, již analyzovaný případ, kde místo E_z máme E_ekv a místo R_d R_ekv; grafický rozbor je na obrázku 3.23b.

obr. 3.23b

Vidíme, že zatěžovací přímka je strmější a vychází z bodu na ose úseček blíže k počátku; výsledný efektem je snížení napětí na diodě. Je zřejmé, že napětí E_ekv musí být větší než napětí, při kterém dochází ke ”zlomu” v závěrné charakteristice; bude-li nižší, dioda zůstane ”zavřená” a celý obvod bude fungovat jen jako prostý dělič napětí. Můžeme proto naši diskusi uzavřít tím, že tento jednoduchý stabilizátor napětí, tzv. parametrický paralelní stabilizátor, se příliš nehodí pro proměnnou zátěž a používá se tedy převážně jako zdroj opěrného, referenčního, napětí, zpravidla ve spojení s elektronicky regulovaným zdrojem proudu na místě odporu R_d. Pro tuto aplikaci je ještě třeba diskutovat teplotní závislost nastaveného napětí U_z. Pracuje-li stabilizační dioda na principu lavinovitého průrazu, pak při zvýšení teploty dojde ke zvýšenému tepelnému chaotickému pohybu atomů v mříži, což má za následek snížení střední volné dráhy elektronů při pohybu v mříži. Pro urychlení elektronu na energii potřebnou k ”přeskoku” přes zakázaný pás je tedy potřeba vyššího elektrického pole a tedy vyššího závěrného napětí. Teplotní koeficient napětí U_z u diod pracujících na principu lavinovitého průrazu je tedy kladný. U stabilizačních diod pracujících na principu Zenerova průrazu je třeba si uvědomit fakt, že šířka zakázaného pásu klesá se zvyšující se teplotou (zdůvodnění tohoto faktu již vybočuje mimo rámec tohoto učebního textu). Při vyšší teplotě bude tedy bariéra, skrze kterou elektrony tunelují, tenčí, a pro dosažení stejného proudu bude třeba nižší napětí. Teplotní koeficient napětí U_z u stabilizačních diod pracujících na principu Zenerova průrazu je tedy záporný. Z hlediska technologie výroby stabilizačních diod je to tedy šířka přechodu a tedy koncentrace příměsí, kterou můžeme rozhodovat, na kterém principu bude vyrobená stabilizační dioda pracovat; u větších šířek přechodu (tj. u vyššího napětí U_z) bude převažovat efekt lavinovitého průrazu, u menších šířek přechodu (a tedy nižšího napětí U_z) Zenerův efekt. Z hlediska uživatele je to napětí U_z, podle kterého můžeme zhruba rozhodnout, na jakém principu dioda pracuje; rozhraním je stabilizační napětí zhruba 7 V. Diody s vyšším napětím pracují na principu lavinovitého průrazu, diody s nižším napětím na principu Zenerova průrazu. U diod s napětím U_z okolo 7 V se oba efekty mísí a teplotní koeficient tohoto napětí může být velmi malý, řádově 10^-7/^oC i nižší. Těmto diodám říkáme referenční diody a používají se jako zdroje referenčního napětí v měřicích přístrojích, např. v číslicových voltmetrech.

Světlo emitující dioda, LED (light emitting diode)