3 Тепловой пробой

3.1 Вах с учетом тепловыдепения в p-n-переходе

Тепловой пробой перехода (рис. 3.15) — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход, он может иметь место при значительно более низких напряженностях электрического поля чем туннельный и лавинный пробой

При подаче обратного напряжения практически все оно падает на р-n-переходе, через который идет, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся на р-n-переходе мощность

(3.33)

вызывает разогрев р-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника.

Отводимая от р-n-перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния тепла в окружающую среду пропорциональна перегреву р-n-перехода (Т — Т_окр) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции полупроводникового прибора R_Т:

(3.34)

Таким образом, тепловое сопротивление полупроводникового прибора между p-n-переходом и окружающей средой определяется мощностью, отводимой от перехода в окружающую среду при разности температур между ними в один градус.

Через некоторое время после подачи на полупроводниковый прибор обратного напряжения устанавливается тепловое равновесие между выделяемым и отводимым теплом. При этом Р_выд = Р_отв или

(3.35)

С учетом зависимости обратного тока от температуры и других факторов получено соотношение, описывающее связь обратного напряжения на диоде с температурой р-n-перехода.

(3.36)

Общий вид такой кривой показан на рис. 3.20. Кривая идет не из начала координат, так как обратный ток был принят равным току насыщения, т. е. нас не интересовала начальная часть характеристики.

Рис. 3.20. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода с учетом тепловыделения в переходе при разных температурах окружающей среды

На кривой могут быть два экстремума — максимум и минимум напряжения. Между этими экстремумами находится участок вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Возможность существования отрицательного дифференциального сопротивления объясняется тем, что с увеличением выделяемой мощности растет температура, а, следовательно, увеличиваются ток и выделяемая мощность.

Таким образом, в p-n-переходе возникает внутренняя положительная обратная связь, которая и может привести к появлению теплового пробоя и отрицательного дифференциального сопротивления.

3.2 Расчет пробивного напряжения при тепловом пробое

Чтобы оценить влияние разогрева на обратный ток диода, вводят понятие температурного коэффициента обратного тока (по аналогии с другими температурными коэффициентами — ТКρ, ТКR. TKε и т. д.):

(3.83)

Для полупроводниковых диодов значение температурного коэффициента обратного тока обычно около 0,1 К^–1, т. е. при тепловом пробое температура р‑n-перехода превышает температуру окружающей среды всего примерно на 10º К. Именно из-за малого перегрева р-n-перехода в начале развития теплового пробоя можно считать температурный коэффициент обратного тока величиной неизменной при изменении температуры. Конечно, при развитии теплового пробоя с дальнейшим увеличением обратного тока температура р-n-перехода может значительно повыситься — вплоть до плавления полупроводникового материала.

То есть, пробивное напряжение при тепловом пробое р-n-перехода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением. Особое внимание следует обратить на сильную зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды.

С увеличением температуры окружающей среды пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается (см. рис. 5). Пробивное напряжение уменьшается, во-первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от р‑n-перехода.

Так как пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от обратного тока через диод при температуре окружающей среды, 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, в частности, для германиевых диодов. И наоборот, в кремниевых диодах из-за значительно меньших обратных токов напряжение тепловою 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.

В связи с тем, что пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается с увеличением теплового сопротивления, на совершенство конструкции диода с точки зрения уменьшения его теплового сопротивления следует обратить особое внимание. Необходимо также отметить, что тепловое сопротивление может увеличиться из-за неправильной установки диода, когда он оказывается теплоизолированным. Напряжение теплового пробоя при этом может существенно уменьшиться. То же самое может произойти при изменении условий в окружающей среде (например, при понижении давления воздуха в связи с подъемом на большую высоту).