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

P_ВЫД = I_ОБР U_ОБР.

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

Р_ОТВ = .

Тепловое сопротивление диода R_Т 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 К_Т, площадь П_Т и чем меньше толщина слоя d_Т, проводящего тепло:

.

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

К_Т=2,19 Вт/(см×°С).

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

Р_ВЫД = Р_ОТВ.

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 Р_ВЫД и температуры перехода Т_П; тепловой режим перехода теряет устойчивость, температура и ток перехода неограниченно растут, возникает тепловой пробой.

 

Рис.23

На рис.23 обозначено:

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

S×L_Р - объем диффузии неосновных носителей заряда -дырок в полупроводнике n-типа, где L_Р - 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 U_ПР1, при котором начинается быстрый рост I_ОБР. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

r_ДИФ = dU_ОБР/dI_ОБР < 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 U_ПРОБ1. 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 U_ПРОБ2. 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:

ТКН_ТЕПЛ = DU_ПРОБ/DТ < 0,

где DU_ПРОБ = U_ПРОБ2 – U_ПРОБ1 - 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.