Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 36
Текст из файла (страница 36)
В установившемся режиме мощность, подводнмая к переходу, равна мощности, отводимой от него: т„- т и„,1„Р = 77 (3.20) Решая это уравнение относительно температуры перехода, можно определить установившуюся температуру Т„при данном напряжении на нем. Рассмотрим решение уравнения графическим методом. Для этого необходимо построить графики температурных зависимостей левой и правой частей уравнения (рис. 3.5).
Точки пересечения этих графиков являются кориями уравнения. При фиксированной величине и,б„зависимость выделяемой в переходе мощности от температуры имеет экспоненциальный характер. Зависимость отводимой мощности имеет линейный характер. Поэтому получаются две точки пересечения. Первая из точек пересечения (точка А) соответствует устойчивому тепловому равновесию.
В этой точке температура перехода равна Т„, н выполняется условие дР др ат ат ' 183 а.З. П обои диода т т т т„ Рис. 3.5 При случайном уменьшении температуры перехода количество отводимого тепла становится меньше количества выделяемого, переход разогревается и его температура повышается до Т„. Если же температура перехода случайно возрастает, то количество отводимого тепла оказывается больше количества выделяемого и переход охлаждается. Вторая точка пересечения (точка В) соответствует неустойчивому равновесию. В этой точке температура перехода равна Т, и выполняется условие дР дР > — ~ ат ат ' Случайное повышение температуры выше Т„, приводит к тому, что количество выделяемого в переходе тепла оказывается выше количества отводимого, в результате чего начнется разогрев перехода и увеличение тока.
При случайном уменьшении температуры переход будет охлаждаться, вследствие чего температура установится равной Т„. При повышении обратного напряжения график Р сдвигается вверх, и точки А и В сближаются, в конечном итоге сливаясь в одну (точка С). В этом случае графики Р и Р касаются, и выполняется условие ар.„аР дТ дТ Такое состояние перехода является неустойчивым, то есть при случайном повышении температуры выше установившейся наступает разогрев перехода. Очевидно, что напряжение, соответствуюшее такому случаю, следует считать напряжением теплового пробоя.
Определим напряжение теплового пробоя, исходя из условия баланса мощностей (3.20), которое представим в виде Ьт и„((Т„) = —, Л, * (3.21) где бт= ҄— Т;, 184 Глава 3. Пол п оводниковые диоды ((Т„) — ток, соответствующий температуре перехода Т„. Будем считать, что обратный ток зависит от температуры перехода по экспонен- циальному закону (3.10), который представим в виде ((Т„) =1(Т )ехр(аЬТ), где !(Т,) — ток, соответствующий температуре корпуса Т„, Ез а= —,. МТ' Логарифмируя (3.22), определим АТ: 1 1(Т) ЬТ=-!ив а 1(Т ) (3.23) Из (3.21) найдем и,б„подставив в него (3. 23): 1 ъ(Т„) и„= —, 1п— а((Т„) К, 1(Т ) (3.24) то есть при 1(Т„) = е((Т ), где е = 2,718. Иначе говоря, в момент наступления про- боя обратный ток р-л-перехода примерно в 2,71 раза превышает ток, соответству- ющий температуре корпуса.
Таким образом, напряжение теплового пробоя определяется формулой 1 2,71а((Т )К, ' (3.26) Это напряжение тем больше, чем меньше тепловое сопротивление В, и чем меньше ток 1(Т„,э), который можно выразить через ток !(Т,) при комнатной температуре: 1(Т ) =1(Т,)ехр а(Т -Т,), С ростом обратного напряжения растет ток 1(Т„), при этом изменяется дифферен-, циальное сопротивление р-п-перехода, которое можно определить, продифферен- цировав (3,24); 1 ~ (Т„) 1 (3.25) а( (Т„)К ~ 1(Т )~ По мере приближения к напряжению пробоя обратный ток 1(Т„) возрастает, и диф- ференциальное сопротивление уменьшается.
При этом точка А на рис. 3.5 сдви- гается вверх, приближаясь к точке С. При наступлении пробоя точки А и С сли- ваются, и дифференциальное сопротивление перехода становится равным нулю. Из (3.25) следует, что гз становится равным нулю при условии, что !и — "=1, ~ (Т„) 1(Т ) 185 3.3. Пробой диода С увеличением температуры окружающей среды, в которую отводится тепло, напряжение пробоя уменьшается. Вольт-амперные характеристики при разных видах пробоя показаны на рис. 3.6.
Туннельный пробой происходит в очень узких р-и-переходах, имеющих толщину в доли микрометра, которая получается при концентрации примеси в базе, превышающей 10м см '. Напряжение туннельного пробоя не превышает 4 В. Лавинный пробой происходит в широких р-и-переходах, которые получаются при концентрации примесей в базе, не превышающей 10" см '. Напряжение лавинного пробоя больше 6 В.
При снижении концентрации примеси напряжение лавинного пробоя возрастает. При концентрации примеси от 10" до 10" см ' может возникнуть как лавинный, так и туннельный пробой. Часто эти два вида пробоя существуют одновременно. При этом напряжение пробоя лежит между 4 и 6 В. Ит»»» Ул М»»» При лавинном и туннельном пробое вольт-амперные характеристики идут почти вертикально.
При этом при туннельном пробое на р-и-переходе устанавливается напряжение, обеспечивающее критическую напряженность поля„а при лавинном пробое устанавливается напряжение, обеспечивающее лавинное размножение носителей заряда. Ток при лавинном и туннельном пробое может достигать очень больших значений, что может привести к перегреву перехода и возникновению теплового пробоя. Чтобы этого не произошло, обратное напряжение на диод всегда подают через ограничительный резистор.
Тепловой пробой происходит в р-и-переходах с большими обратными токами. При этом рост тока при наступлении пробоя сопровождается снижением обратного напряжения, так как с ростом тока уменьшается сопротивление перехода из-за повышения температуры. Поэтому на вольт-амперной характеристике получается падающий участок. Тепловой пробой обычно сопровождается «шнурованием» тока в переходе, суть которого заключается в следующем.
Вследствие дефектов кристаллической структуры либо статистических (случайных) флюктуаций плотности обратного тока по ширине перехода в некоторой локальной области перехода температура может превысить среднюю по переходу, это приводит к локальному увеличению плотности тока и выделяемой мощности, что, в свою очередь, еще больше повышает температуру в данной области, и т. д. В результате обратный ток стягивается в узкий шнур, и образуется локальный канал с высокой плотностью тока, что может привести к разрушению перехода. 186 Глава 3. Полупроводниковые диоды У германиевых диодов при повышении обратного напряжения практически всегда создаются условия для возникновения теплового пробоя.
У кремниевых диодов с очень высокой концентрацией примеси при повышении обратного напряжения даже при небольшом обратном напряжении наступает туниельный пробой. У кремниевых диодов с низкой концентрацией примеси условия для возникновения туннельного пробоя не возникают, поэтому при повышении обратного напряжения наступает лавинный пробой, который по мере роста обратного тока может перерасти в тепловой пробой. Однако при высокой температуре окружающей среды в кремниевых диодах при повышении обратного напряжения тепловой пробой может возникнуть раньше, чем лавинный пробой.
3.4. Дифференциальные параметры диода Дифференциальные параметры связывают между собой малые изменения вели- чин, определяющих работу диода. Ток в диоде является функцией двух независи- мых переменных — напряжения и и температуры Т, поэтому дифференциал тока, то есть его приращение, имеет две составляющих: д1 д1 й = — Ыи+ — ИТ, ди дТ Частные производные перед дифференциалами независимых переменных ои и ПТ представляют собой дифференциальные параметры диода.
Введем для них обозначения: д. н 5 = — — дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики (прядя мая проводимость), мА/В; д. сз е, = — — дифференциальная температурная чувствительность тока диода, дТ мА/'С. Используя введенные обозначения, запишем соотношение (3,27) в виде й = Яи+ е,дТ. (3.28) Если принять за независимые переменные ток 1 и температуру Т, то дифференциал напряжения можно представить в виде Ыи = —. й+ — ИТ. дя . дя д1 дТ В этом случае для дифференциальных параметров вводят обозначения: дп о г = —, — дифференциальноесопротивление диода, Ом; д 167 3.4. 1:иоффе енциальные параметры диода ди С1 е„= — — дифференциальная температурная чувствительность нанряжения ат диода, мВ/'С.
Используя введенные обозначения, запишем соотношение (3.29) в виде (3.30) Ии гй+ е„ЙТ. Переходя от бесконечно малых приращений к конечным, дифференциальные параметры можно определить по вольт-амперным характеристикам диода, снятым для двух значений температуры (рнс. 3,7). Рис. 3 Дифференциальное сопротивление диода г~ содержит две составляющих: б гп+гб где г„— дифференциальное сопротивление р-п-перехода, зависящее от тока ди- ода; гб — дифференциальное сопротивление базы, зависящее от концентрации приме- си в базе. Для нахождения сопротивления перехода продифференцируем уравнение вольт- амперной характеристики перехода: 1 п( Н.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
