Тепловой пробой р-n перехода

Тепловой пробой обусловлен возникновением тепловой неустойчивости p-n перехода. Этапы процесса можно описать следующим образом. При протекании обратного тока происходит некоторый разогрев p-n перехода. Это ведет к росту обратного тока из-за усиления тепловой генерации свободных носителей вблизи границ ОПЗ. Одновременно увеличивается тепловой поток от p-n перехода на корпус прибора из-за возросшего между ними перепада температур. Повышение температуры p-n перехода ведет к дальнейшему росту обратного тока и дальнейшему увеличению мощности тепловыделения в ОПЗ. Таким образом, имеется положительная тепловая обратная связь. В установившемся режиме должен наступить баланс мощностей выделяемой в p-n переходе и отводимой от него. При увеличении обратного напряжения устанавливается новый стационарный режим с большим обратным током и балансом возросших мощностей тепловыделения и теплоотвода. Если обратное напряжение окажется выше некоторого критического значения, называемого напряжением теплового пробоя, ïUï³ U _тпп , нарастание отводимой мощности уже не сможет поспевать за ростом мощности, выделяемой в ОПЗ, поскольку тепловое сопротивление участка p-n переход - корпус прибора не может быть сколь угодно малым. С этого момента тепловой режим p-n перехода теряет устойчивость, происходит его недопустимый перегрев и невосстановимый отказ прибора.

На рисунке 2.1.6 показана схематически вольтамперная характеристика диода в процессе развития теплового пробоя. Оценим напряжение теплового пробоя. В режиме баланса мощностей тепловыделения в p-n переходе и теплоотвода от него имеет место равенство

(2.1.37)

Здесь I и U- величины обратного тока и обратного напряжения, ΔТ- разность температур между p-n переходом и корпусом прибора, R_T-так называемое тепловое сопротивление участка p-n переход- корпус прибора, по которому отводится тепло. Воспользуемся приближённым выражением для температурной зависимости обратного тока p-n перехода

(2.1.38)

и выразим из него величину ΔТ

(2.1.39)

Если принять, что I(T₀)- обратный ток при температуре корпуса прибора, а I- обратный ток при температуре, которую имеет p-n переход, то формула (2.1.39) будет выражать перепад температур между p-n переходом и корпусом прибора. Подставляя (2.1.39) в (2.1.37), получим уравнение обратной ветви ВАХ диода, работающего в устойчивом тепловом режиме

(2.1.40)

Из рис. 2.1.6 ясно, что в момент потери тепловой устойчивости имеет место равенство

(2.1.41)

Вычисляя производную с использованием (2.1.40) и приравнивая её нулю, получим уравнение для определения обратного тока диода I_проб в момент потери тепловой устойчивости

, (2.1.42)

откуда следует, что

(2.1.43)

Подставляя (2.1.43) в (2.1.40), получаем формулу для расчета напряжения теплового пробоя

(2.1.44)

Подставляя (2.1.43) в (2.1.39) находим разность температур между p-n переходом и корпусом прибора в момент начала теплового пробоя

(2.1.45)

В соответствии с последней формулой для кремния величина ΔТ_тпп =1/α₀~10К, а согласно (2.1.43) ток пробоя лишь в е раз больше обратного тока диода при температуре корпуса прибора.

Эти факты указывают на то, что для начала теплового пробоя важна не температура p-n перехода как таковая, а температура потери тепловой устойчивости. При хорошем теплоотводе диод может сохранить тепловую устойчивость и при более высокой температуре на p-n переходе и на корпусе прибора. Из формулы (2.1.44) видно, что чем меньше тепловое сопротивление R_T, тем выше напряжение теплового пробоя. Для развития тепловой неустойчивости необходимо достаточно большое значение обратного тока I(T₀). Поэтому тепловому пробою предшествует возрастание обратного тока диода по туннельному или лавинному механизму. Иными словами, тепловой пробой начинается с пробоя туннельного или лавинного. Тепловой пробой ведет к локальному термическому разрушению p-n перехода и невосстанавливаемому отказу прибора.

Рис.2.1.6 ВАХ полу-

проводникового диода

в области теплового

пробоя