Главная Диоды и транзисторы





Рис. 3

Рис. 4


Рис. 3. Зависимость рассеиваемой мощности от температуры

Рис. 4. Зависимость рассеиваемой мощности от температуры при различных значениях и площади радиатора Sp

Рис. 5. Зависимость мощности рассеяния от площади радиатора при различных зна-- чениях температуры

О 100 т 300 т т вое

Рис. 5

частоты н скважности импульсов. При тепловом равновесии рассеиваемая мощность расходуется на нагревание и влияет на температуру перехода при заданной температуре окружающей среды Токр или температуре корпуса Т„.

Максимальная мощность, рассеиваемая диодом нли транзистором, ограничивается максимальной температурой перехода !„, а также рядом специфических процессов, определяющих максимальные напряжения и токи. Зависимость между максимальной (максимально допустимой) мощностью рассеяния в максимальной температурой перехода для прибора без радиатора (теплоотвода) имеет вид Рк mai=(Tn-Tokp)/Rt. п-с, где Rt. п-е - тепловое сопротивление переход - среда.

Для прнборов, работающих с внешним теплоотводом, Ри,тюаг=(Тв- - T„)Rt, п-н, где Rt, п-к - тепловое сопротивление переход - корпус. Максимальная (максимально допустимая) мощность при увеличении То„р или Т„ линейяо уменьшается. Она рассчитывается в соответствии с указанными формулами нли находится из типовых зависимостей, которые приводятся для конкретных приборов (рис. 3). Для мощных транзисторов значения Ря, i max приводятся в справоч-

инках при условии идеального отвода тепла или для радиаторов различных размеров (рис. 4, 5). Максимально допустимая мощность, в отличие от максимальной, приводится с запасом, гарантирующим заданную надежность.

2.4. ПРОБИВНЫЕ (МАКСИМАЛЬНЫЕ) И МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Максимальное напряжение, которое может выдерживать диод или транзистор, ограничивается явлением пробоя. Пробой р-п перехода выражается в резком увеличении обратного тока при достижении обратным напряжением определенного (критического) значения. Различают электрический и тепловой пробои. Механизм пробоя определяется физическими параметрами исходного материала, типом проводимости, мощностью прибора, конструктивно-технологическими факторами, внешними условиями и другими причинами.

Существуют два вида электрического пробоя: туннельный (зенеровский) и лавинный, связанные с увеличением напряженности электрического поля в р-п переходе. Туннельный и лавинный пробои различаются знаками температурного коэффициента напряжения (ТКИ)-отрицательным для туннельного (он уменьшается с ростом температуры) и положительным для лавинного (он увеличивается с ростом температуры). Электрический пробой определяется характеристиками р-п перехода (шириной, объемными и поверхностными свойствами, удельным сопротивлением исходного материала). Оба вида электрического пробоя находят применение в стабилитронах: в области пробоя напряжение слабо зависит от тока, что и определяет стабилизацию напряжения.

Тепловой пробой возникает из-за потери устойчивости теплового режима работы и появления теплоэлектрической обратной связи. При плохих условиях теч-лопередачи от перехода происходит повышение его температуры (саморазогрев) и возможно разрушение прибора нз-за перегрева (общего или локального). На вольт-амперной характеристике появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вероятность возникновения теплового пробоя существенно зависит от теплового сопротивления прибора, внешних условий, схемы включения, элементов входной цепи, рабочего тока и напряжения на приборе. Чем выше То шах н ниже обратные токи и тепловые сопротивления, тем более устойчивы к тепловому пробою приборы. Теплового пробоя можно избежать, обеспечив тепловую стабильность режима работы прибора, т. е. хороший теплообмен. Напряжения теплового пробоя значительно больше напряжений лавинного и туннельного пробоев для кремниевых приборов.

Транзисторы и диоды характеризуются максимальными (пробивными) напряжениями переходов (и«БОпров, Uaso оров, Uoep). Кроме того, максимальное напряжение коллектор - эмиттер зависит от схемы, в которой применяется транзистор,-от условий во входной цепи (между эмиттером и базой), т. е. от зцаченчй сопротивлений Роэ и Ra и напряжения смещения. Значения напряжения коллектор- эмиттер для произвольной схемы (икэнпров, иэк проб, Uwav проб) находятся в интервале между значениями напряжений Мкво проб и Мкбо пров. Пробивное напряжение Uxeonpos является наименьшим из всех возможных пробивных напряжений коллектор - эмиттер и соответствует наихудшим условиям на входе, когда цепь базы отключена (Re3=«>), т. е. Ukbo пров>икэх пров>ииэи пров> >1/ивв пров>ияво проб (рис. 6). Схемы измерения пробивных напряжений и об-




Рис. 6. Выходные вольт-амперные характеристики транзистора в области пробоя при различных условиях на входе

КЭО оров КЭХ проб кэ



3) е)

Рис. 7. Схемы измерения пробивных напряжений и обратных токов при различных условиях на входе


*«„р «> fO to* R,,J„

Рис. 8. Зависимость пробивного напряжения от сопротивления резистора в цепи базы

Рис. 9. Форма вольт-амперной характеристики в области второго пробоя (i/i н t/j -напряжения первого и второго пробоя)

ратных токов приведены иа рис. 7, а - е. Для обеспечения стабильной и надежной работы транзисторов рабочее напряжение коллектор - эмиттер выбирают меньше икэопроб. Изменение напряжения коллектор- эмиттер от сопротивления Rer. и Ra характеризуется зависимостью Uksh проб от этих сопротивлений. Имеется критическое сопротивление в цепи базы Рбэ кр, при котором начинается снижение допустимого рабочего напряжения (рис. 8). Чем больше Рвэ, тем сильнее зависимость ииэнпроб от температуры. Сопротивление Res существенно изменяет UwaH проб, если оно сравнимо или больше входного сопротивления транзистора. При включении сопротивления ?э входное сопротивление увеличивается, поэтому возможно увеличение Рбэ (см. рис. 7, д).

Напряжение Мкж проб используется для расчета схем с трансформатором или резонансным контуром на входе; напряжение Uaeo проб-для расчета напряжения запирания переключающих или усилительных схем при работе с отсечкой коллекторного тока; напряжение Ukeo проб -для расчета режимов работы запертого транзистора и схем с общей базой.

Пробивные напряжения переходов устанавливаются при определенном значении Етока (например, для маломощных транзисторов напряжение Мкво проб фиксируется при токах от 1 до 200 мкА). Пробивные напряжения снижаются, если повыша-.ется температура, т. е. приборы могут выйти из строя при напряжениях, безопасных при нормальной температуре.

К Максимально допустимые напряжения устанавливаются по наименьшим из из-гмеренных значений пробивных напряжений с некоторым запасом для обеспечения -надежной работы приборов. Максимальные н максимально допустимые напряжения определяют верхнюю допустимую границу рабочего диапазона обратных на-"Рряжений диодов и транзисторов.

При некотором сочетании параметров (при больших напряжениях и токах, да--же ие превышающих предельных значений) у любого транзистора в активном режиме прн прямом или обратном (в режиме отсечки) смещении на переходе эмиттер- база может возникнуть второй пробой (рис. 9). Поэтому изготовители при-ijpopoB определяют области их безопасной работы, исключающие этот вид пробоя, •сходного с тепловым. Кроме того, созданы транзисторы с повышенной устойчиво-!ртью ко второму пробою (например, транзисторы с эпитаксиальной базой, с бал-1астными стабилизирующими резисторами в цепях эмиттеров). Существуют также :схемные решения, уменьшающие вероятность возникновения второго пробоя. Я большей степени второму пробою подвержены транзисторы, работающие с ин-дуктивной нагрузкой в ключевом режиме (при запирании). Вследствие второго .fpo6oH значительно сужается область безопасной работы мощных высокочастотных •транзисторов. Даже при наличии запасов по предельным параметрам они могут ыйти из строя при средней мощности, меньшей предельно допустимой. Часто в ify для прямого смещения приводятся значения тока, при которых происходит второй пробой.

2.5. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКИ

Максимальный ток, протекающий через полупроводниковый прибор, оп-

Ееделяется допустимой рассеиваемой мощностью, коэффициентом усиления, умень-ающимся прн увеличении тока \к (например до значения Ь2э<10), критическим жом, при котором происходит второй пробой, сопротивлением Гкэ вас транзисто-



pa и постоянным прямым напряжением Unp дяода. Поэтому для увеличения максимального тока стараются уменьшить г„э нас и Unp, увеличить рассеиваемую мощность (т. е. уменьшить тепловое сопротивление, увеличить допустимую температуру перехода), повысить устойчивость ко второму пробою, уменьшить снижение коэффициента усиления прн увеличении тока 1к. Максимально допустимый ток устанавливается через максимальный с учетом коэффициента запаса.

Максимальный ток базы ограничивается сопротивлениями вывода и контактов базы. Ограничение максимального тока коллектора, как правило, наступает раньше, чем достигается максимальный ток базы.

Максимально допустимый ток через выпрямительный диод приходится выбирать с очень большим запасом по сравнению с максимальным (разрушающим) током. Дело в том, что при включении схемы выпрямителя через диоды за первые несколько периодов проходят большие импульсы тока, заряжающего конденсаторы фильтра. Например, при среднем выпрямленном токе 300...500 мА амплитуды импульсов тока могут достигать 3...5 А. При подборе аналогов следует иметь в виду, что некоторые зарубежные фирмы выбирают запасы по максимальному току, значительно меньше, чем это принято в СССР (соответственно даются и более узкие диапазоны температуры внешней среды или корпуса). Поэтому могут быть случаи, когда аналогичный по току отечественный выпрямительный диод имеет габаритные размеры много большие, чем зарубежный.

2.6. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

К тепловым параметрам приборов относятся минимальная Тпшш и максимальная Тп mai температуры перехода, тепловые сопротивления Rt, тепловые постоянные времени Тт и теплоемкости Ст. Они определяют стабильность работы полупроводниковых приборов при изменении температуры, ограничивают максимальные мощности, токи и напряжения, допустимые диапазоны температур окружающей среды, прн которых обеспечивается надежная работа. В частности, параметры Rt, и, Ст позволяют определять нагрев транзистора или диода в рабочем режиме.

Как уже отмечалось, максимальная мощность полупроводниковых приборов в различных условиях эксплуатации ограничивается максимальной температурой перехода, при достижении которой либо резко ухудшаются их параметры, либо они выходят из строя из-за теплового пробоя переходов. При постоянных условиях окружающей среды Тп является функцией электрической мощности P=UI, приложенной к прибору, и зависит от его структуры, теплофизических характеристик материалов (типа неходкого материала, степени его легирования, состояния поверхности) и других технологических факторов. Кремниевые р-п переходы сохраняют свои свойства до температуры 150...200°С, германиевые -до 70...120°С.

В процессе работы иа р-п переходах выделяется основная мощность и происходит повышение температуры. Так как р-п переход нагревается до температуры, большей, чем температура корпуса и окружающей среды, то для полупроводниковых приборов устанавливается диапазон максимально допустимой окружающей температуры: для кремниевых приборов -60...+ 125 °С, для германиевых -60...--70° С. Связь между Тп и Токр описывается формулой Тп -Tokp = RtP, где Rt показывает возрастание температуры на единицу рассеиваемой мощности.

Приводимые в справочниках значения Tnmai определяются экспериментальна или рассчитываются и имеют запас по сравнению со значением температуры, при которой наступает разрушение прибора.

Измерять Тп прямыми методами сложно, поэтому используются косвенные методы, при которых она оценивается по значению какого-либо термочувствительного параметра. Термочувствительными параметрами диодов являются обратный ток 1в«р и прямое напряжение Unp, а транзисторов - обратные токи 1кбо, 1эво, напряжения Use, Uff£, коэффициент передачи тока hjis, входное сопротивление. Температуру рабочих областей полупроводниковых приборов измеряют и другими методами, например методом регистрации инфракрасного излучения, физическим {термопарой).

Теплообмен между переходом и окружающей средой принято характеризовать тепловым сопротивлением прибора - сопротивлением элементов конструкции распространению тепла от перехода к корпусу и теплоотводу, которое определяется конструкцией прибора, теплопроводностью ее элементов и системой охлаждения корпуса. Тепловое сопротивление переход - среда Rt, п-с необходимо знать для расчета допустимой рассеиваемой мощности маломощных диодов и транзисторов, обычно работающих без теплоотвода, а тепловое сопротивление переход-корпус

Рис. 10. Тепловая эквивалентная схема транзистора с теплоотводом (Rt, п-к, Rt, к-с, Rt, к-р, Rt, р-с-тепловые со-яротивления переход - корпус, корпус - среда, корпус - радиатор, и радиатор - среда соответственно)


Cpeda

Ri, п-к-для расчета режима работы мощных приооров при наличии внешнего радиатора (рис. 10). Обычно Rt, n-c>RT, п-к (сопротивление Rt, п-к остается постоянным только в случае работы при малых плотностях тока). Тепло от кристаллч с переходами к корпусу или радиатору отводится за счет теплопроводности, а от корпуса в окружающее пространство - конвекцией и излучением.

Для охлаждения корпуса мощного прибора вместо радиатора может исполь* зеваться поток жидкости или газа. При применении радиатора нагрев полупроводникового прибора зависит от качества теплового контакта корпуса с радиатором, т. е. сопротивление корпус - среда Ri, к-с зависит от типа радиатора, метода крепления, чистоты сопрягающихся поверхностей, усилия, с которым прижимается прибор (контактного давления). Для уменьшения контактного сопротивления применяются специальные смазки (например, кремнийорганические) и пасты, заполняющие пустоты между контактирующими поверхностями, а также прокладки йз мягких, легко деформируемых металлов: свинца, индия, меди, алюминия.

Тепловые постоянные времени переход - корпус Тт, п-к и корпус - среаа Хт, к-с используются ДЛЯ расчета теплового режима приборов в динамическом режиме и характеризуют скорость нарастания температуры отдельных участков объема полупроводникового прибора, когда температура перехода значительно изменяется за период действия импульсной мощности. Постоянная времени Тт, п-и определяется по переходным тепловым характеристикам нагревания или остывания приборов и зависит от типа материала и конструкции приборов; Тт, к-с зависит от способа отвода тепла от прибора. Постоянная времени переход - среда тт, п-о характеризует время установления теплового режима диодов и транзисторов без теплоотвода.

Значения теплоемкостей переход - корпус Ст, п-к и корпус - среда Ст, к-о необходимы при определении тепловых режимов в случае работы приборов при Малых длительностях импульсов. Они определяются экспериментально,



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66


0.0135