Лекции.Орг
 

Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника


Тепловой пробой p-n перехода



Тепловой пробой характерен для широких p-n переходов, у которых база слабо легирована примесями. Данный тип пробоя обусловлен разогревом p-n перехода при протекании через него обратного тока. В режиме постоянного тока мощность, выделяемая в p-n переходе, определяется соотношением

PВЫД = IОБР UОБР.

Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода ПОКР) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода RТ:

РОТВ = .

Тепловое сопротивление диода RТ выражается в градусах на ватт и определяет перепад температуры, необходимый для отвода 1 Вт мощности от p-n перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление тем меньше, чем больше теплопроводность материала КТ , площадь ПТ и чем меньше толщина слоя dТ, проводящего тепло:

.

Коэффициент теплопроводности КТ у германия равен 0,52Вт/(см×°С),
т.е. примерно в 7 раз меньше, чем у меди, отличающейся хорошей теплопроводностью. У кремния теплопроводность лучше:

КТ=2,19 Вт/(см×°С).

В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

РВЫД = РОТВ.

Если количество тепла, выделяемого на p-n переходе, превышает количество тепла, отводимого от p-n перехода, то температура перехода начинает расти. Соответственно растет обратный ток, увеличение которого определяется тепловой генерацией электронно-дырочных пар атомами полупроводников в областях, прилегающих к p-n переходу, на расстоянии длины диффузии, как указано на рис.23. Это приводит к дальнейшему росту РВЫД и температуры перехода ТП; тепловой режим перехода теряет устойчивость, температура и ток перехода неограниченно растут, возникает тепловой пробой.

 

 
 

Рис.23

На рис.23 обозначено:

S×Ln - объем диффузии неосновных носителей - электронов в полупроводнике p-типа, где S - площадь полупроводника, прилегающая к p-n переходу, Ln - длина диффузии электронов - неосновных носителей заряда полупроводника p-типа;

S×LР - объем диффузии неосновных носителей заряда -дырок в полупроводнике n-типа, где LР - длина диффузии дырок.

Вид обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис. 24.

 

 
 

Рис.24

 

В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя UПР1, при котором начинается быстрый рост IОБР. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

rДИФ = dUОБР/dIОБР < 0,

так как концентрация носителей заряда резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.

Зависимость 1 рис.24 приведена для температуры окружающей среды T1=+20°С, тепловой пробой наступает при напряжении, равном UПРОБ1. Если температура окружающей среды возрастет до значения T2=+40°C, то обратная ветвь ВАХ p-n перехода принимает вид зависимости 2 рис.24. Известно, что с увеличением температуры тепловой ток возрастает экспоненциально (т.к. резко возрастает количество неосновных носителей заряда):

I0 = B×S×exp[-DWз /kT],

где – Т – температура;

S – площадь p-n перехода;

DWз – ширина запрещенной зоны полупроводника;

k = 1,38×10-23 Дж/°С – постоянная Больцмана;

В – коэффициент, зависящий от типа полупроводника и p-n перехода.

Поэтому при T = T2 тепловой пробой наступает раньше - при меньшем напряжении пробоя, равном UПРОБ2. Пробивное напряжение уменьшается, во-первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от p-n перехода. Это означает, что температурный коэффициент напряжения для теплового пробоя имеет отрицательное значение:

ТКНТЕПЛ = DUПРОБ/DТ < 0,

где DUПРОБ = UПРОБ2 – UПРОБ1 - изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину DТ = Т2 – Т1 при фиксированном значении обратного тока.

Тепловой пробой - необратимый пробой, поскольку может привести к плавлению полупроводникового материала. Так как пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через p-n переход, то в диодах с большими обратными токами даже при комнатных температурах создаются условия для теплового пробоя и он наступает раньше, чем лавинный пробой. Это справедливо для германиевых полупроводниковых диодов и мощных транзисторов. И наоборот, в кремниевых диодах из-за значительно меньших обратных токов напряжение теплового пробоя получается настолько большим, что раньше наступает лавинный пробой. Однако это не означает, что в кремниевых диодах не может быть теплового пробоя. Он может происходить при высоких температурах окружающей среды. Кроме того, пробой может начаться как лавинный, а затем, по мере увеличения обратного тока, перейти в тепловой пробой.

В связи с тем, что напряжение пробоя уменьшается с увеличением теплового сопротивления, следует обратить особое внимание на совершенство конструкции диода. Тепловой пробой наблюдается и тогда, когда имеет место плохой отвод тепла от корпуса полупроводникового прибора.

 

 





Дата добавления: 2015-05-08; просмотров: 207 | Нарушение авторских прав


© 2015-2017 lektsii.org.

Ген: 0.008 с.