Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
так как дифференциальное сопротивление положительно.
3.4.2. Вторичный пробой
Использование мощных транзисторов и других полупроводниковых приборов
часто ограничивается явлением, называемым вторичным пробоем, признаком
которого служит резкое снижение напряжения на приборе с одновременным
внутренним шнурованием тока. Об этом явлении впервые сообщили Торнтон и
Симмонс 153],.и с тех пор оно широко изучается при исследовании мощных
Биполярные транзисторы
183
Рис. 29. Вольт-амперные характеристики транзистора в режиме вторичного
пробоя для двух значений температуры [56].
Вторичный
пробой
20 30 40 50 60 Гс?,д
Лавинный
пробой
'(пербичный
пробой)
во SO
полупроводниковых приборов [54, 55]. Транзисторы большой мощности должны
работать в условиях безопасного режима, при которых мала вероятность
возникновения вторичного пробоя.
Особенности вольт-амперной характеристики транзистора в режиме вторичного
пробоя показаны на рис. 29 [56]. Когда напряжение, приложенное между
эмиттером и коллектором, превышает величину, определенную формулой (44),
происходит лавинный пробой (первичный пробой). При дальнейшем повышении
напряжения наступает вторичный пробой. Экспериментальные результаты
позволяют в общем случае выделить четыре стадии вторичного пробоя: на
первой стадии наблюдается нестабильность тока при напряжениях, близких к
пробивному; на второй стадии происходит переключение из области высокого
в область низкого напряжения; третья стадия характеризуется возрастанием
тока при низком напряжении; четвертая стадия соответствует разрушению
прибора (буква D на рис. 29). Возникновение нестабильности вызвано в
первую очередь температурными эффектами. Когда на транзистор поступает
достаточно мощный импульс Р = Ic'BVceo" вызывающий вторичный пробой,
последний наступает с некоторой задержкой во времени. Это время называют
временем включения вторичного пробоя. На рис. 30 приведена типичная
зависимость времени включения вторичного пробоя от величины мощности
приложенного импульса при различной температуре окружающей среды [57].
Для определенного времени включения т существует температура включения
вторичного пробоя Ttr, под которой следует понимать температуру "горячих"
точек в момент, предшествующий лавинному пробою. Вели-
184
Глава 3
2-10~3
О 5 10 /f Z0
Мощность импульса, Вт
Рис. 30. Зависимость времени включения вторичного пробоя от мощности
приложенного импульса при различной температуре окружающей среды [57].
чина Ttr связана с мощностью импульса Р и с температурой окружающей среды
Т0 следующим соотношением:
где Сг - постоянная. Из рис. 30 видно, что при фиксированной температуре
соотношение между мощностью импульса и временем включения приблизительно
равно
где С2 - постоянная.
Подставляя выражение (88) в формулу (89), получим
Температура вторичного пробоя Ttr зависит от различных параметров и
геометрии прибора. Для большинства кремниевых диодов и транзисторов
температура Ttr соответствует той температуре, при которой концентрация
носителей собственного материала щ равна концентрации примеси в
коллекторе (рис. 12, гл. 1). "Горячие" точки обычно располагаются вблизи
центра прибора. Величина Ти изменяется в зависимости от концентрации
примеси в коллекторе, а отношение постоянных CJCX определяется геометрией
прибора. Поэтому время включения вторичного пробоя, зависящее
экспоненциально от этих параметров (формула (90)), сильно колеблется для
разных приборов.
За пределами области нестабильных токов напряжение на приборе резко
падает. В течение этой второй стадии вторичного пробоя сопротивление
точек локального пробоя резко уменьшается. На третьей стадии (стадии
низкого напряжения) полу-
(88)
т - ехр (- С2Р),
(89)
т ~ ехр [-^г-(Т,г - Г") .
(90)
Биполярные транзисторы
185
Рис. 31. Область безопасной работы транзистора [58].
проводник находится при высокой температуре, а вблизи точек пробоя
становится собственным полупроводником. При дальнейшем возрастании тока
точки пробоя начинают плавиться и наступает четвертая стадия - разрушение
прибора.
Для защиты транзистора от постепенного разрушения необходимо установить
область его безопасной работы. Типичный пример такой области для
кремниевого мощного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером,
приведен на рис. 31. Нагрузочная кривая коллекторной цепи для
определенной схемы должна лежать ниже указанного допустимого предела.
Ограничение вытекает из следующего требования: максимальная температура
перехода не должна превышать 150 °С. На постоянном токе тепловой предел
области безопасной работы определяется тепловым сопротивлением прибора
Rth [58]:
(91)
где Р - рассеиваемая мощность. Следовательно, тепловой предел
ограничивает максимально допустимую температуру перехода:
D ___ Т j макс - То
Kth МЭКС " ~0cXVce)urkc *
(92)
186
Глава 3
Если Т, макс = 150 °С и Rth макс считать постоянным, то (/с х Ус?)Ма"с =
¦ = const. (93)
К th макс
Следовательно, между In /с и In VCe существует линейная зависимость, и
