5.3. Тепловой пробой

Явление теплового пробоя связано с тем, что при прохождении обратного тока в переходе выделяется определенное количество тепла. Если это количество превосходит отводимое от перехода, температура его начинает повышаться, и, следовательно, возрастает обратный ток, что еще больше увеличит количество выделяемого тепла. Такой нарастающий процесс может привести к недопустимому разогреву перехода – тепловому пробою.

Для количественной оценки теплового пробоя рассмотрим уравнение теплового равновесия перехода. Оно наступает в том случае, когда количество выделяемого тепла равно количеству отводимого. Количество тепла, выделяемого в переходе в единицу времени:

Р_выд = U₀ I₀.

Количество отводимого тепла может быть рассчитано по формуле

,

где Т – температура электронно-дырочного перехода; Т_окр – температура окружающей среды или тела, в которое осуществляется теплоотвод; R_T – тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой или телом, в которое осуществляется теплоотвод.

Тепловое сопротивление определяет перепад температур Т и Т_окр, необходимый для отвода 1 Вт мощности от перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле

,

где λ – теплопроводность материала; δ_Т – толщина теплопроводящего слоя; S_T – площадь контакта кристалла с окружающей средой.

Количество выделяемого тепла можно определить из выражения

.

Условие теплового равновесия имеет вид

.

При подстановке выражений для тока получим:

. (5.3)

Решая полученное уравнение относительно Т, можно определить установившуюся температуру перехода при данном напряжении на нем.

Построим графики зависимости левой и правой частей уравнения от температуры (рис. 5.3).

При фиксированном значении напряжения, приложенного к переходу, зависимость выделяемой в нем мощности от температуры имеет такой же характер, как и для обратного тока, то есть экспоненциальный, зависимость отводимой мощности от температуры имеет линейный характер. Поэтому получим две точки пересечения графиков (рис. 5.3, а).

Точка Т_раб соответствует устойчивому тепловому равновесию. В этой точке выполняется условие

< .

Действительно, при случайном отклонении температуры перехода вниз от рабочей количество отводимого тепла становится меньше выделяемого (кривая Р_отв идет ниже Р_выд), переход разогревается и температура повышается до Т_раб. При повышении температуры по отношению к Т_раб количество отводимого тепла превосходит количество выделяемого, переход охлаждается.

Т очка Т_кр соответствует неустойчивому равновесию. При этом выполняется условие

> .

Случайное повышение температуры выше Т_кр приводит к тому, что количество выделяемого в переходе тепла превосходит отводимое, то есть происходит неограниченный разогрев перехода вплоть до разрушения.

При повышении обратного напряжения (кривая 2 на рис.5.3, б) точки Т_раб и Т_кр сближаются, пока не сольются в одну. При этом условии переход работает неустойчиво, то есть малейшее повышение температуры выше рабочей вызывает неограниченный разогрев. Напряжение, соответствующее такому случаю, считается напряжением пробоя U_пр.

Решая уравнение (5.3) относительно U, при условии, что кривые Р_выд и Р_отв касаются, то есть

= ,

получим выражение для напряжения теплового пробоя

.

Здесь I₀ – ток перехода при некоторой температуре Т₀, близкой к рабочей, но не равной ей.

Полученное выражение показывает, что величина напряжения теплового пробоя зависит от условий теплоотвода, уменьшаясь при увеличении теплового сопротивления, а также от температуры окружающей среды, повышение которой приводит к уменьшению напряжения теплового пробоя.

На рис 5.4 показаны вольт-амперные характеристики при разных видах пробоя.

Т уннельный пробой происходит в очень узких переходах, имеющих толщину в доли микрона, которая получается при концентрации примеси свыше 10¹⁹ см^-3. Напряжение туннельного пробоя невелико.

Лавинный пробой происходит в широких переходах при концентрации примесей не более 10¹⁸ см^-3. Напряжение лавинного пробоя больше, чем туннельного. При снижении концентрации примесей напряжение лавинного пробоя возрастает. При концентрации от 10¹⁸ см^-3до 10¹⁹ см^-3 могут возникнуть и лавинный и туннельный пробои.

При лавинном и туннельном пробоях вольт-амперные характеристики идут вертикально, ток может достигать очень больших величин, что может привести к перегреву перехода и возникновению теплового пробоя.

Тепловой пробой происходит в переходах с большими обратными токами. Условием развития теплового пробоя является нарушение баланса между количеством тепла, выделяемого в переходе и количеством тепла, отводимого от перехода в окружающую среду. При этом рост тока сопровождается снижением обратного напряжения, поскольку с ростом тока уменьшается сопротивление перехода.

Контрольные вопросы и задания

1. Какова природа лавинного пробоя?

2. В каких переходах возможно развитие лавинного пробоя?

3. Что называют коэффициентом умножения?

4. Что называют коэффициентом ионизации?

5. Запишите эмпирические зависимости напряжения лавинного пробоя от удельного сопротивления р- и п-областей.

6. Как напряжение лавинного пробоя зависит от температуры?

7. Какова природа туннельного пробоя?

8. В каких переходах возможно развитие туннельного пробоя?

9. Запишите эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя от удельного сопротивления р- и п-областей.

10. Как напряжение туннельного пробоя зависит от температуры?

11. В чем состоит тепловой пробой?

12. При каком условии развивается тепловой пробой?

13. Объясните температурную зависимость мощностей: выделяемой в переходе и отводимой от перехода.

14. Что называется тепловым сопротивлением?

15. Сделайте сравнение вольт-амперных характеристик при различных видах пробоя.