Тепловой пробой p-n перехода

Общая характеристика пробоя p-n перехода

ПРОБОЙ p-n перехода

Лекция 15

Обратное напряжение, приложенное к диоду, падает на выпрямляющем электрическом переходе. При больших обратных напряжениях происходит пробой электрического перехода.

Пробой p-n перехода – это явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления p-n перехода, сопровождающееся резким увеличением обратного тока, при достижении обратным напряжением критического для данного перехода значения.

Пробой приводит к выходу p-n перехода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в p-n переходе, не превышает максимально допустимую, переход сохраняет работоспособность и после пробоя. Поэтому для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.

Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависит от типа p-n перехода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.

В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают тепловой, лавинный и полевой пробои. Два последних вида пробоя p-n перехода относятся к электрическому пробою. Резкий рост обратного тока p-n перехода в режиме электрического пробоя происходит за счет увеличения числа носителей заряда в переходе при достижении напряженностью поля в переходе некоторого критического значения. При тепловом пробое число носителей заряда в переходе возрастает за счет термической ионизации атомов.

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

.

Отводимая от p-n перехода мощность в результате теплопроводности и дальнейшего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n перехода (Т _П- Т _ОКР) и обратно пропорциональна тепловому сопротивлению конструкции диода R_Т:

.

Тепловое сопротивление диода R_Т 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 К_Т, площадь П _Т и чем меньше толщина слоя d _Т, проводящего тепло:

.

Коэффициент теплопроводности К_Т у германия равен 0,52Вт/(см×°С),
т.е. примерно в 7 раз меньше, чем у меди, отличающейся хорошей теплопроводностью. У кремния теплопроводность лучше: К_Т = 2,19 Вт/(см×°С).

В установившемся режиме мощность, выделяющаяся на p-n переходе, и мощность, отводимая от него, должны быть равны:

Р _ВЫД = Р _ОТВ.

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. 1. Это приводит к дальнейшему росту Р _ВЫД и температуры перехода Т _П; тепловой режим перехода теряет устойчивость, температура и ток перехода неограниченно растут, возникает тепловой пробой.

Рис. 1. Структура p-n перехода

На рис. 1 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×Lp – объем диффузии неосновных носителей заряда – дырок в полупроводнике n-типа, где Lp – длина диффузии дырок.

Вид обратной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) p-n перехода с тепловым пробоем представлен на рис. 2.

Рис. 2. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем

В точке А обратное напряжение на p-n переходе достигает значения напряжения теплового пробоя U _проб1, при котором начинается быстрый рост I _обр. ВАХ p-n перехода с тепловым пробоем имеет участок АВ, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно:

r _ДИФ = dU _обр/ dI _обр < 0,

так как концентрация носителей заряда резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.

Зависимость 1 рис. 2 приведена для температуры окружающей среды T ₁ = +20 °С, тепловой пробой наступает при напряжении, равном U _проб1. Если температура окружающей среды возрастет до значения T ₂ = +40 °C, то обратная ветвь ВАХ p-n перехода принимает вид зависимости 2 рис.2. Известно, что с увеличением температуры тепловой ток возрастает экспоненциально (т.к. резко возрастает количество неосновных носителей заряда):

I ₀ = B×S ×exp[-D W з / kT ],

где – Т – температура;

S – площадь p-n перехода;

D W з – 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 = T ₂ тепловой пробой наступает раньше – при меньшем напряжении пробоя, равном U _проб2. 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:

ТКН_ТЕПЛ = D U _проб/D Т < 0,

где D U _проб = U _проб2 – U _проб1 – изменение напряжения пробоя при изменении температуры на величину D Т = Т ₂ – Т ₁ 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.

Дата добавления: 2014-01-20