Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 23
Текст из файла (страница 23)
3.21). 112 4 злз. твпиовоя провом Вольт-амиериая характеристика с учетом тепловыделения в диоде вызывает разогрев р-л-перехода и прилегающих к нему областей пол проводника. воднмая от р-и-перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву р-п-перехода (Т вЂ” Тел ) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода 1ср-: Ю хллс 7лле Р ~ттж (3 77) Таким образом, тепловое сопротивление диода между р-л-переходом и окружающей средой определяется мощностью, отводимой от перехода в окружающую среду при разности температур между ними в один кельвин. Через некоторое время после подачи иа диод обратного напряжения устанавливается тепловое равновесие между выделяемой и отводимой теплотой. При этом Р,, = Р„„или урбр Рис. 3.22. ВАХ диода с уче.
том выделеиия теплоты в р-лпереходе при разных температурах окрулсаю1пеа среды т — т.. (У,мабмр = — К. пррр (3.78) Учтем теперь зависимость обратного тока от температуры. Для простейшего случая, когда обратный ток определяется экстракцией неосиовных носителей в диоде с толстой базой (см. (3.2) или (3.29)], !аар = 7ррс5 = с)Зл( + ) ° С учетом (1.15), пренебрегая слабой зависимостью от температуры концентрации примесей, диффузионной длины и времени жизни, получим т р=б ЕХР( бт) ' лэх (3.79) Тепловой пробой диода — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе теплоты вследствие прохождения тока через переход. При подаче на диод обратного напряжения практически все оно падает на р-п-переходе, через который идет, хотя и небольшой, обратный ток.
Выделяющаяся иа р-а-переходе мощность Р а = Ирор!сор (3.76) а =тК/= — —. ! к/ / Фт (3.83) или а(Т вЂ” Т„.р) = 1и —, / /окр или ехР!а(Т вЂ” Токе)] = —, / /окр т. е. ( ) о Топр, I = /.,р ехр (а(Т вЂ” Т...)) . (3.88) !!5 !!4 где! имеет формальный стхысл тока прн бесконечно большой температуре.
Подставим (3.79) в уравнение теплового баланса (3.78). Тогда У. р = — '~-ехр —, т — т,„зэ (3.80) /стпс/ Полученное соотношение показывает связь обратного напряжения иа диоде с температурой р-л-перехода. Соотношения (3.79) и (3.80) представляют собой систему двух уравнений обратной ветви ВАХ диода, выраженной в параметрическом виде, через параметр Т, т.
е. с учетом тепловыделения в р-и-переходе. Общий внд такой кривой показан иа рис. 3.22. Кривая идет не нз начала координат, так как обратный ток был принят равным току насыщения, т. е. иас ие интересовала начальная часть характеристики. На кривой могут быть два экстремума: максимум и минимум напряжения. Между этими экстремумами находится участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Возможность существования отрицательного дифференциального сопротивления объясняется тем, что с увеличением выделяемой мощности растет температура, а следовательно, увеличиваются ток н выделяемая мощность.
Таким образом, в диоде возникает внутренняя положительная обратная связь, которая и может привести к появлению теплового пробоя и отрицательного дифференциального сопротивления. Проведем исследование экстремумов ВАХ. Для этого надо продиффереицировать уравнение (3.80) по температуре и приравнять полученное выражение нулю: — = 1ехр — + л//.е ! Г лз с/Т ят „Т Г /ст + (Т вЂ” Т, р) (ехр ~„) ~ ( — -!р-)~ = О, Отсюда температура р-л-перехода диода, соответствующая экстремальным напряжениям иа диоде, ЛЗ т лЭхр ЬЭ (3.81) Диод будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением прн обратном включении, а обратная ветвь ВАХ будет иметь два экстремальных напряжения прн условии, если корни последнего уравнения будут действительными и разными, т.
е. если нлн АЭ=.Ч Т,. (3.82) Последнее неравенство справедливо для всех полупроводников, применяемых для изготовления полупроводниковых диодов. Расчет пробнвяого напряжения прн тепловом пробое Чтобы оценить влияние разогрева на обратный ток диода, введем понятие температурного коэффициента обратного тока (по аналогии с другими температурными коэффициентами — ТКр, ТКЯ, ТКе и т. д.): Подставим в (3.83) аппроксимацию обратного тока (3.79). Тогда / ~ехр( — -~ — )1 /!Э / ек!и( — -йу ) В дифференциальном уравнении (3.83) можно разделить переменные, а потом провести интегрирование, согласовав пределы интегрирования: ! т ) — =а~ /ГТ, т, где /окр — обратный ток через диод при начальной темпера- туре Т,.
При интегрировании пренебрежем температурной зависи- мостью а, вынося этот параметр за знак интеграла. В этом слу- чае окончательный результат можно будет считать справедливым в первом приближении только при небольших перегревах р-и-пе- рехода относительно среды, окружающей диод. Тогда в ре- зультате интегрирования получим Если теперь подставить выражение обратного тока через температурный коэффициент этого тока (3.85) в уравнение теплового баланса (3.78), то (3.86) При тепловом пробое 71(77г(Т = О. Поэтому после дифференцирования формулы (3.86) и сокращений получим 1 о(Т Тор) О. Отсюда температура р-и-перехода при тепловом пробое Т = Т«м+ 1/а.
(3.87) Для полупроводниковых диодов значение температурного коэффициента обратного тока обычно около 0,1 К ', т. е. при тепловом пробое температура р-л-перехода превышает температуру окружающей среды всего примерно иа 10 К. Именно из-за малого перегрева р-и-перехода в начале развития теплового пробоя можно считать температурный коэффициент обратного тока величиной неизменной при изменении температуры и вынести его за знак интеграла. Конечно, при развитии теплового пробоя с дальнейшим увеличением обратного тока температура р-л-перехода может значительно повыситься— вплоть до плавления полупроводникового материала. Воспользовавшись полученным значением температуры р-и- перехода при тепловом пробое (3.87) и подставив его в (3.86), получим (3.
88) Следовательно, пробивное напряжение при тепловом пробое диода 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 в соответствии с (3.88) и (3.79) уменьшается (рис. 3.22).
Пробивное напряжение уменьшается, вопервых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от р-л-перехода. Так как пробивное напряжение прн 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 лавиниый пробой. Это справедливо, в частности, для гермаииевых диодов.
И наоборот, в кремниевых диодах из-за значительно меньших обратных токов напряжение теплового пробоя получается настолько боль- шнм, что раньше наступает лавииный пробой. Однако это ие означает, что в кремниевых диодах не может быть теплового пробоя. Ои может происходить при высоких температурах окружающей среды.
Кроме того, пробой может начаться как лавиииый, а затем, по мере увеличения обратного тока, перейти в тепловой. В связи с тем что пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается с увеличением теплового сопротивлении, 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 теплоизолироваииым. 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 иа большую высоту) .
Особенности теплового пробоя в реальных диодах Тепловой пробой в реальных диодах всегда происходит с образованием так называемого «шнура» илн канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части р-л-перехода. В свою очередь, образование шнура может быть вызвано либо дефектами в реальном р-л-переходе, либо статистической флуктуацией плотности обратного тока по площади р-и-перехода. Действительно, если в каком-нибудь месте р-и-перехода в некоторый момент времени плотность обратного тока оказалась несколько выше плотности обратного тока в остальной части р-н-перехода, то температура этого места р-л-перехода будет выше из-за большей выделяющейся там удельной мощности. Увеличение температуры приведет к росту плотности обратного тока в данном месте р-и-перехода в связи с увеличением тепловой генерации носителей либо в самом переходе (см.
э 3.10), либо в областях полупроводника, прилегающих к р-л-перехоху (см. $ 3.2, 3.4 и 3.5). Локальное увеличение плотности тока вызовет локальное увеличение температуры, увеличение температуры вызовет увеличение плотности тока и т. д. Диаметр шнура, возникшего при тепловом пробое, может составлять всего несколько микрометров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
