Стабилитроны ON Semiconductor: эффективные решения для современных технологий

В мире электроники стабилитроны играют ключевую роль, обеспечивая надежность и стабильность в работе различных устройств. Компания ON Semiconductor, основанная в 1999 году в Фениксе, штат Аризона, является одним из ведущих мировых поставщиков высококачественных дискретных компонентов, включая стабилитроны. Несмотря на растущую популярность микросхемных решений, стабилитроны продолжают оставаться незаменимыми в приложениях, требующих минимизации энергопотребления, таких как адаптеры, источники питания, осветительные системы, компьютеры и бытовая техника.

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это уникальный полупроводниковый прибор, который впервые появился на рынке в 1950-х годах. Он известен также как "диод Зенера", в честь Кларенса Мэлвина Зенера, который открыл эффект туннельного пробоя. Благодаря своим уникальным свойствам, стабилитроны находят применение в качестве стабилизаторов напряжения и источников опорного напряжения.

Структурно стабилитрон представляет собой p-n-переход. При прямом смещении этого перехода его сопротивление остается низким, что позволяет свободно перемещаться положительно заряженным дыркам и электронам. Однако когда переход смещается в обратном направлении, область p-типа становится более отрицательной по сравнению с областью n-типа. В этом состоянии ток через переход остается минимальным до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя.

Когда обратное напряжение превышает пороговое значение пробоя, проводимость тока резко возрастает. Этот переход от низкого тока к высокому хорошо выражен в характеристиках стабилитрона и называется коленом Зенера. В этой области, известной как область стабилизации, падение напряжения на переходе остается практически постоянным при различных значениях тока.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика типичного 30-В стабилитрона

Как можно видеть на рис. 1, прямой ток I_F является функцией прямого напряжения V_F. Обратите внимание, что I_F мало до тех пор, пока V_F лежит ниже 0,65 В, после чего ток увеличивается очень быстро. Для V_F> 0,65 В ток I_F ограничен главным образом сопротивлением внешней цепи. Обратный ток I_R является функцией от обратного напряжения V_R, но для большинства практических целей он, до тех пор, пока обратное напряжение не приблизится к V_Z (напряжению пробоя p-n-перехода), его можно считать равным нулю, после чего он резко возрастает. Поскольку обратный ток для уровней напряжения V_R <V _Z мал, а для V_R> V_Z велик, каждая из областей тока определяется своим символом. Для области тока утечки, то есть непроводящей области, между 0 В и V_Z, обратный ток обозначается символом I_R, для области стабилизации V_R ≥ V_Z, обратный ток обозначается символом I_Z. Что касается спецификации, то ток I_R обычно указывается при обратном напряжении V_R ≈ 0,8 V_Z.

Для большинства применений стабилитроны хорошо работают в области пробоя на токах I_ZT–I_ZM. Большинство производителей, для того чтобы указать минимальный рабочий ток для обеспечения разумного подхода к стабилизации напряжения, дают дополнительный параметр в виде тока I_ZK (на рис. 4 I_ZK = 5 мА). Этот минимальный ток I_ZK варьируется в зависимости от конкретного типа стабилитронов. Максимальный ток стабилитрона I_ZM следует считать максимальным обратным током, рекомендованным производителем. Значения I_ZM также указываются в спецификации.

Между границами токов I_ZK и I_ZM, которые в примере, приведенном на рис. 1, составляют 5 и 1400 мА (1,4 А) соответственно, напряжение на диоде по существу постоянно и примерно равно V_Z. Эта область плоская, однако имеет большой положительный наклон, так что точное значение обратного напряжения в зависимости от установленного тока I_Z будет слегка меняться.

Изготовление стабилитронов схоже с изготовлением полупроводниковых диодов, но имеет ряд отличий. Основные этапы изготовления стабилитронов представлены в [2]. Процесс начинается с выращивания ультрачистого защитного пассивирующего слоя диоксида кремния. Оксид обычно выращивают в интервале температур +900…+1200 °C. Как только защитный слой из диоксида кремния будет сформирован, его необходимо выборочно удалить из тех областей, куда будут вводиться атомы легирующей примеси. Это делается с помощью фотолитографических методов.

Затем оксид травится, образуя открытые участки, в которые будет вводиться легирующая добавка. Внедрение легирующих примесей нередко проводят в двухстадийном процессе, разделяя фазы загонки примеси в приповерхностную область и разгонки загнанной примеси по требуемому объему (отжига). После того как легирующая добавка осаждена, p-n переходы образуются при последующей высокотемпературной обработке, типичный диапазон +1100…+1250 °С. Результирующий профиль перехода определяется фоновой концентрацией исходного субстрата, количеством легирующей примеси, нанесенной на поверхность, а также временем и температурой, использованными во время ввода легирующей примеси. Этот профиль соединения определяет электрические характеристики устройства. После еще ряда технологических операций, включая шлифовку пластин до нужной толщины, на завершающей стадии открывается область контакта, в которой осаждается металлизация анода.

Система соединительной металлизации для стабилитронов ON Semiconductor используется исходя из требований по корпусированию. Металл осаждают в ультрачистых вакуумных камерах с использованием методов электронно-лучевого испарения. Качество пластин тщательно контролируется на протяжении всего процесса изготовления, а в самом процессе, для того чтобы минимизировать загрязнение и избежать повреждения заготовок, компанией ON Semiconductor используется специальное оборудование. Это дополнительно повышает качество и стабильность параметров стабилитронов.

Современные стабилитроны доступны в широком диапазоне уровней напряжения и мощности, что делает их универсальными для использования в самых разных устройствах и системах. Благодаря своей способности поддерживать стабильное напряжение, они являются важным компонентом в схемах, чувствительных к изменениям напряжения.

Корпусирование

Корпусирование является важным этапом, определяющим качественные характеристики и надежность любого компонента РЭА. Стабилитроны компании ON Semiconductor выпускаются в пластмассовых и стеклянных корпусах, в выводном и SMD-исполнении, в том числе и в корпусах POWERMITE. Чертежи корпусов стабилитронов компании ON Semiconductor доступны по ссылке [4], а их внешний вид представлен на рис. 2.

Рис. 2. Типы корпусов стабилитронов, выпускаемых компанией ON Semiconductor

Кроме стабилитронов в стандартных выводных корпусах компанией ON Semiconductor предлагаются устройства в пластиковых корпусах Surmetic, которые, в отличие от DO-35 и DO-41 (рис. 3а), собирают в два этапа. Вначале сборочный автомат припаивает кремниевый кристалл диода встык к уширенным торцам выводов. Выводы изготавливаются из бескислородной меди, а их сечение сопоставимо с площадью кремниевого кристалла или превышают его, в результате улучшается отвод тепла. Потом торцы выводов формуются в форме шляпки гвоздя и обычно предварительно облуживаются. После пайки в сборочном автомате полуфабрикаты упаковываются в герметичные пластиковые цилиндры из термореактивной пластмассы (рис. 3б). На сайтах некоторые поставщики идентифицируют корпуса Surmetic 30 и 40, как DO-35 и DO-41, хотя это в корне не верно.

Рис. 3. Варианты корпусирования стабилитронов, используемые компанией ON Semiconductor: а) в корпусе типа DO-35; б) в пластиковом корпусе Surmetic 30

После сборки стабилитроны компании ON Semiconductor подвергаются проверке в ходе приемо-сдаточных и периодических испытаний. Подробно эти процессы и методы контроля изложены в [2].

Перечень коммерчески доступных на текущий момент стабилитронов компании ON Semiconductor одиночного исполнения общего применения приведен в таблице.

Таблица. Стабилитроны компании ON Semiconductor

Примечание. *Префикс SZ исполнение для автомобильной промышленности. **Новинка.

Применение

Рекомендации по применению стабилитронов компании ON Semiconductor доступны в [1] и в документации, приведенной на сайте компании [3]. Информация по корпусированию доступна по ссылке [4].

Стабилитроны используются не только по своему прямому назначению в качестве источников опорного напряжения и параметрических стабилизаторов, но еще как нелинейные сопротивления, генераторы шума (наибольший уровень шумов наблюдается в области перелома ВАХ, в полосе частот 0–200 кГц имеет характер белого шума), перестраиваемые конденсаторы (стабили трон может использоваться в качестве своеобразного варикапа большой емкости), ограничители, формирователи прямоугольных сигналов и еще в ряде приложений.

Компания ON Semiconductor ведет агрессивную рыночную политику: так, ее позиции в области дискретных компонентов, в том числе и стабилитронов, значительно усилились после поглощения в 2016 году одной из старейших полупроводниковых компаний — Fairchild Semiconductor, которая была основана в далеком 1957 году и сделала ставку именно на кремний. Как можно видеть из перечисленных в таблице предлагаемых компанией ON Semiconductor стабилитронов одиночного исполнения, их номенклатура достаточно широка, чтобы удовлетворить потребности самых разнообразных приложений.