O diodă zener cu o structură ascunsă (CCS, ing. zener îngropat ) este o diodă zener integrală din siliciu în care, spre deosebire de diodele zener convenționale, sub joncțiunea pn este creată o regiune ascunsă (insula) cu o concentrație mare de impurități acceptoare . Datorită faptului că curentul de defalcare al unei astfel de diode zener este concentrat nu în apropierea suprafeței, ci în straturi ascunse, caracteristicile sale sunt stabile și previzibile. Sursele de referință de tensiune integrate de precizie (VR) bazate pe SSS sunt cele mai precise și stabile dintre toate tipurile de VR produse. Cele mai bune ION-uri de pe CCC se apropie, în ceea ce privește totalitatea indicatorilor de acuratețe, elementul Weston normal .
Diodele convenționale, de suprafață, zener ale circuitelor integrate sunt construite pe baza structurilor tipice de tranzistori . Emițătorul tranzistorului npn devine catodul diodei zener, baza devine anodul. Tensiunea de defalcare a joncțiunii bază-emițător la concentrații tipice de purtător este de 6,2 V ±10%, iar coeficientul de temperatură al acestei tensiuni (TCC) este de +2,5 mV/°C [1] . Dacă o astfel de diodă Zener este conectată în serie cu o diodă polarizată direct (aceeași joncțiune bază-emițător conectată în direcția opusă) având un TCR de aproximativ -2,2 mV / ° C, atunci TCR-ul unei astfel de diode compensate termic va scăderea la o valoare de cel mult 0,5 mV/°C sau 80 ppm/°C [2] . Dezavantajele diodelor zener de suprafață - nivel ridicat de zgomot și deriva de tensiune înaltă - se datorează faptului că curentul diodei zener este concentrat în stratul de suprafață de siliciu. Dar acolo sunt concentrate și defectele rețelei cristaline și impuritățile străine, care generează zgomot și instabilitate [2] . Pentru a evita acest lucru, este necesar să conduceți curentul de defalcare adânc în cristal (în „structura ascunsă”) și să preveniți defalcarea joncțiunii bază-emițător în stratul apropiat de suprafață.
SSS se bazează pe o structură de tranzistor convențională fabricată folosind tehnologia epitaxială bipolară cu izolație de joncțiune pn [3] . În primul rând, pe suprafața unei plăci cu un singur cristal cu o concentrație scăzută de acceptori (p - tip de conductivitate), se formează insule largi de tip n + - viitoare straturi ascunse de colectoare de tranzistoare bipolare . Apoi, un strat colector epitaxial de conductivitate de tip n - este crescut pe substrat și se realizează difuzia profundă a impurităților p - izolarea printr-o joncțiune pn [3] . În această etapă, o insulă de conductivitate de tip p + este creată în centrul viitoarei diode zener [3] . Stratul izolator obișnuit de tip p + pătrunde prin stratul epitaxial prin, închizându-se pe stratul p - al substratului, dar sub insula diodei zener există un strat ascuns de tip n + , care nu permite închiderea puncției [3] .
Apoi se efectuează etapele standard de difuzie și metalizare a bazei și emițătorului. Stratul de bază de tip p - devine anodul diodei zener, stratul emițător de tip n + devine catodul său , iar direct sub catod există încă o insulă de tip p + ascunsă. Astfel, pereții laterali ai joncțiunii pn au un profil de conductivitate p - -n + , iar fundul său - p + -n + [4] . Tensiunea de defalcare a joncțiunii p + -n + este semnificativ mai mică decât tensiunea de defalcare a joncțiunii p - -n + -, prin urmare, întregul curent de defalcare al diodei Zener este concentrat în partea inferioară a acesteia, iar secțiunile apropiate de suprafață a joncțiunii anod-catod, contaminată inevitabil de impurități străine și neomogenități, nu conduc curentul [4] . De aceea, datorită deplasării zonei de defalcare adânc în cristal, dioda zener cu o structură ascunsă este stabilă, previzibilă și mai puțin zgomotoasă decât o diodă zener convențională [4] .
Dioda Zener LTZ1000 cu strat îngropat are o topologie concentrică caracteristică. O diodă zener este situată în centrul cristalului, tranzistoarele sunt direct adiacente acesteia - senzori de temperatură și o bobină de încălzire este „așezată” în jurul lor, realizată de asemenea folosind tehnologia plană. Cu această configurație, gradientul de temperatură al cristalului este direcționat de la spirală către marginea exterioară, iar în interiorul spiralei, unde se află dioda zener, se menține o temperatură practic uniformă. Astfel, dioda zener este protejată de „distorsiuni” termice care cresc instabilitatea tensiunii de referință.
Primul SSS discret a fost lansat în 1974. ION-urile de tip bandgap (prima generație) și ION-urile pe diode zener convenționale care existau la acel moment i-au mulțumit complet pe proiectanții stabilizatorilor de tensiune , dar la mijlocul anilor 1970 a început producția primelor convertoare analog-digitale integrate și cerințele pentru acuratețea ION-urilor au crescut de multe ori [5] . În 1976, National Semiconductor a lansat LM199 de la Bob Dobkin , primul CCC integrat de 6,95 V [6] . Datorită încălzitorului încorporat cu termostat , care a menținut o temperatură stabilă a cristalului (+90 °C), designerii și tehnologii naționali au obținut rezultate revoluționare pentru vremea lor [7] . Coeficientul de temperatură de tensiune (TVC) al seriei LM199 nu a depășit 1 ppm /°C, iar un TKV tipic a fost de numai 0,3 ppm/°C la un nivel de zgomot în domeniul de frecvență audio de cel mult 7 μV rms [8] . LM199 și omologii săi, cu toate meritele lor, erau scumpe și nepotrivite pentru utilizare în dispozitive de joasă tensiune și micro-putere [9] . Prețul ridicat al SSS de precizie este determinat de pregătirea termică electrică pe termen lung din fabrică .
LM199 a fost urmat de LM129 economic, fără termostat, iar apoi Analog Devices , Burr-Brown și Linear Technology [10] au început să lanseze circuite CCC îmbunătățite . Recordul absolut pentru acuratețea ION-urilor seriale, care nu a fost doborât nici măcar în secolul 21, a fost stabilit în anii 1980 de același Bob Dobkin. ION LTZ1000 al său, produs de Linear Technology, a garantat TKN nu mai mult de 0,05 ppm/°C cu o deriva pe termen mediu de cel mult 2 ppm/lună și un nivel de zgomot de 2 μV (vârf la vârf) [11] . Cea mai bună precizie dintre toate referințele în stare solidă, comparabilă cu cele ale unui element Weston normal (derivare pe termen lung de 2 ppm/an și TKN de 0,1 ppm/°C), este declarată de Fluke Corporation [12] . Standardele de tensiune Fluke sunt construite pe modelele LTZ1000 standard, selectate pentru instabilitate minimă, în timp ce termostatul menține temperatura diodei Zener la +50°C — substanțial mai mică decât soluțiile LTZ1000 obișnuite. Potrivit companiei, o temperatură mai scăzută de stabilizare termică permite reducerea derivei pe termen lung la jumătate [13] .
Referințele de referință CCC tipice de precizie datând din proiectele anilor 1980 au o toleranță inițială de 0,01 până la 0,05%, un TCO de 0,05 până la 10 ppm/°C și o deviere pe termen lung de nu mai mult de 25 ppm în primele 1000 de ore de funcționare . , care îndeplinește cerințele ADC-urilor de măsurare pe 14 biți. În anii 1980 și 1990, nicio tehnologie concurentă nu s-a putut apropia de aceste caracteristici. Cele mai bine îmbunătățite bandgaps conform schemei Brokaw au avut o precizie și indicatori de zgomot mai slabi cu unul sau două ordine de mărime. Cu toate acestea, la începutul secolului 21, superbandgap -urile și instrumentele de precizie construite pe principii fundamental diferite au intrat pe piață: XFET de la Analog Devices și FGA de la Intersil . Până în 2005, superbandgaps-urile și ION-urile de tip FGA s-au apropiat de CCC, depășind reperul important din punct de vedere psihologic - TKN de 1 ppm/°C. Cu toate acestea, în ceea ce privește totalitatea tuturor parametrilor de precizie și zgomot, dioda zener cu un strat ascuns încă nu are egal [14] .
| Diode semiconductoare | ||
|---|---|---|
| Prin programare | ||
| LED-uri | ||
| Rectificarea | ||
| Diode generatoare | ||
| Surse de tensiune de referință | ||
| Alte | ||
| Vezi si |
| |
| Surse de tensiune de referință | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Discret | Integral | |||||||||
| element Weston | Element de zinc mercur | Diodă zener umplută cu gaz | Stabistor | diodă Zener | Pe diode zener cu o structură ascunsă | Bandgap | Pe perechi diferențiale de tranzistoare cu efect de câmp (XFET) | Tranzistor cu poartă plutitoare (FGA) | ||
| descărcare strălucitoare | descărcare corona | Consistent | Paralel | |||||||