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 (ТП-ТОКР) 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.
