Стабилитроны от ON Semiconductor: простое решение сложных проблем

Компания ON Semiconductor, основанная в 1999 году (Феникс, Аризона, США), является мировым лидером в поставках высококачественных дискретных компонентов, и далеко не последнее место здесь занимают стабилитроны. И хотя сегодня наблюдается все больший акцент на микросхемных решениях, эти элементы обеспечивают максимальную экономию энергии в приложениях, чувствительных к энергопотреблению, таких как сетевые зарядные устройства (адаптеры), источники питания, осветительные приборы, компьютеры, промышленные устройства управления и автоматики, бытовая техника.

 

Введение

Стабилитроны являются уникальными устройствами среди полупроводниковых приборов, в широкую практику они вошли в 50-х годах прошлого века. В англоязычной технической литературе его называют «Диод Зенера» по имени Кларенса Мэлвина Зенера (Clarence Melvin Zener), открывшего эффект туннельного пробоя. Из-за своих необычных свойств, помимо других полезных функций, основное применение стабилитронов — это стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения. Современные стабилитроны доступны в широком диапазоне уровней напряжения и мощности.

 

Что такое стабилитрон

Стабилитрон хоть и привычен, но не так прост, как кажется. Активная часть стабилитрона представляет собой полупроводниковый p-n-переход. У смещенного в прямом направлении p-n-перехода сопротивление весьма низкое. Это связано с тем, что дырки с положительным зарядом очень легко движутся через переход к отрицательной стороне. И наоборот, электроны легко движутся в другом направлении. Когда же p-n-переход смещен в обратном направлении, то область p-типа становится более отрицательной, чем область n-типа. При напряжениях ниже напряжения пробоя перехода через границы перехода протекает очень слабый ток. По мере того как обратное напряжение увеличивается до точки, называемой точкой напряжения пробоя, и выше, проводимость тока через переход быстро увеличивается. Переход от низкого значения обратного тока к области нарастания тока очень резкий и хорошо проявляется в большинстве p-n-переходов. Этот участок вольтамперной характеристики (ВАХ) называется коленом Зенера. Когда на p-n-переход подаются обратные напряжения, превышающие точку пробоя напряжения, падение напряжения на переходе остается практически постоянным при значении напряжения пробоя для относительно широкого диапазона токов. Эта область за пределами точки пробоя напряжения называется областью напряжения стабилизации стабилитрона. ВАХ типичного стабилитрона с напряжением стабилизации 30 В представлена на рис. 1 и показывает, что стабилитрон проводит ток в обоих направлениях.

 

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.

 

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

Основной тип/серия	Описание	Мощность, Вт		Диапазон напряжений, В	Тип корпуса
		ном.	макс.
1SMA59xxBT3G SZ1SMA59xxBT3G*	1,5-Вт стабилитроны для поверхностного монтажа	0,5	1,5	3,3–68	DO-214AC, SMA-2
1SMF5920B	Стабилитрон 2,5 Вт в корпусе с плоскими выводами (Flat Lead)	0,35	2,5	6,2	SOD-123FL-2
1N59xxB	3-Вт стабилитрон в корпусе DO-41, Surmetic 30	1	3	3,3–200	DO-204AL, DO-41
MZP4729A	3-Вт стабилитрон в корпусе DO-41, Surmetic 30	1	3	3,6–30	DO-204AL, DO-41
3EZ6.2D5	3-Вт стабилитрон в корпусе DO-41, Surmetic 30	1	3	6,2–18	DO-204AL, DO-41
1SMB59xxBT3G SZ1SMB59xxT3G*	3-Вт стабилитроны поверхностного монтажа	0,55	3	3,3–200	DO-214AA, SMB-2
1PMT5920B	3,2-Вт пластиковый корпус для поверхностного монтажа POWERMITE	0,5	3,2	6,2–47	DO-216AA
1N59xxBRNG	3-Вт стабилитрон в корпусе DO-41, Surmetic 30	1	3	3,3–200	DO-204AL, DO-41, выводной
1N53	5-Вт стабилитрон в корпусе Surmetic 40		5	3,3–200	017AA-2, выводной
1N5221B	500-мВт стабилитрон общего назначения	0,5		2,4–56	DO-35-2, выводной
BZX79C	500-мВт стабилитрон общего назначения в корпусе DO-35	0,5		2,6–60	DO-35, выводной
BZX84CxxxET1G SZBZX84CxxxET1G*	SOT-23 для поверхностного монтажа, подавляющий выбросы напряжения, пиковая мощность 225 Вт (8×20 мкс)	0,225	0,25, 0,30	2,4–75	SOT-23
MMBZ52xxELT1G SZMMBZ52xxELT1G*	SOT-23 для поверхностного монтажа, подавляющий выбросы напряжения, пиковая мощность 225 Вт (8×20 мкс)	0,225	0,3	2,4–91	SOT-23
MMSZ52xxET1G SZMMSZ52xxET1G*	Подавляющий выбросы напряжения, пиковая мощность 225 Вт (8×20 мкс)	0,225	0,5, 0,34	2,4–110	SOD-123
MMSZxxxET1G SZMMSZxxxET1G*	SOD-123 для поверхностного монтажа, подавляющий выбросы напряжения, пиковая мощность 225 Вт (8×20 мкс)	0,225	0,5, 0,34	2,4–56	SOD-123
MMSZ4xxxET1G SZMMSZ4xxxET1G*	SOD-123 для поверхностного монтажа, подавляющий выбросы напряжения, пиковая мощность 225 Вт (8×20 мкс)	0,225	0,5, 0,34	1,8–43	SOD-123
MM3Z2V4B-MM3Z75VB	Стабилитроны общего назначения в небольшом тонком корпусе	0,2		2,4–75	SOD-323F
MMSZ	Стабилитроны общего назначения	1	2,3	5,6–36	SOD-123 F
NZ9F2V4ST5G, SZNZ9F2V4ST5G*	Стабилитроны общего и специального назначения	0,25		2,4–18	SOD-923
NZ9F2V4T5G, SZNZ9F2V4T5G*	Стабилитроны общего и автомобильного назначения	0,25		2,4–24	SOD-923
MMSZ4xxxT1G SZMMSZ4xxxT1G*	500 мВт, с низким IZT, SOD-123 для поверхностного монтажа	0,5		1,8–43	SOD-123
MMSZ52xxxT1G SZMMSZ52xxxT1G	500 мВт, SOD-123 для поверхностного монтажа	0,5		2,4–110	SOD-123
MM3ZxxxST1G SZMM3ZxxxST1G*	300 мВт SOD−323 серия стабилитронов с жесткими допусками по размерам	0,3		3,3–36	SOD-323
BZG03C15	Стабилитроны с пиковой мощностью 600 Вт (100 мкс)	1,5		15–150	SMA
MM3ZxxxT1G SZMM3ZxxxT1G*	300 мВт, SOD-123 для поверхностного монтажа	0,3		2,4–75	SOD-323
BZX84BxxxLT1G BZX84CxxxLT1G SZBZX84BxxxLT1G* SZBZX84CxxxLT1G*	250 мВ SOT-23 для поверхностного монтажа	0,25	0,3	2,4–75	SOT-23
NZ8F**	225 мВ, со смачиваемыми фланцами (Wettable Flank) для лучшего оптического контроля	0,25	0,5	2,4–47	X2DFNW2
1N4728A–1N4758A	Стабилитроны общего назначения		1	3,3–56	DO-41
BZX85C	Стабилитроны общего назначения	1	1.3	3,3–56	DO-41
BZX79C	Стабилитроны общего назначения	0.5		2,4–56	DO-35
NZD5V1MU/D	200 мВт, в микрокорпусе	0,2		2,2–9,1	X3DFN2
MM5ZxxxT1G SZMM5ZxxxT1G*	500 мВт SOD-523 для поверхностного монтажа	0,5		2,4–75	SOD-523
MM5Z4xxxT1G SZMM5Z4xxxT1G	500 мВт, с низким IZT, SOD-523 для поверхностного монтажа	0,5		1,8–43	SOD-523
MMBZ52xxBLT1G** SZMMBZ52xxBLT1G*	225 мВт, общего назначения, SOT-23 для поверхностного монтажа	0,25	0,3	2,4–91	SOT-23
MMSZxxxT1G SZMMSZxxxT1G*	500 мВт, SOD-123 для поверхностного монтажа	0,5		2,4–56	SOD-123
NSZ5V6V2	200 мВт, общего назначения SOD-523 для поверхностного монтажа	0,2		5,6	SOD-523
MM5ZxxxST1G SZMM5ZxxxST1G*	500 мВт, SOD-523 для поверхностного монтажа	0,5		2,4–18	SOD-523

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.

Заключение

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.