Тепловой пробой

Лавинный пробой.

Лавинный пробой происходит в результате лавинного размножения носителей за­ряда в р-п -переходе под действием сильного поля. При высокой напряженности поля подвижные носители заряда на длине свободного пробега приобретают энер­гию, достаточную для ударной ионизации атомов, под действием которой появ­ляются новые пары носителей заряда. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей заряда в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, что вызывает лавинный рост обратного тока. При этом обратный ток ограничивается резистором, вклю­ченным последовательно с диодом.

Интенсивность ударной ионизации оценивают коэффициентом размножения но­сителей заряда М, который равен отношению числа носителей заряда, покидаю­щих р-н-переход, к числу носителей заряда, вошедших в р-п -переход.

Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры. С повышением темпе­ратуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, в результате уменьшается энергия, которую приобретает носитель заряда на длине свободно­го пробега в электрическом поле. Поэтому лавинный пробой наступает при более высоком обратном напряжении.

Тепловой пробой обусловлен перегревом р-п -перехода обратным током. Мощность, подводимая к переходу и нагревающая его, определяется обратным напряжением и обратным током :

Одновременно с нагревом выделяющееся в переходе тепло передается металли­ческому основанию корпуса, на котором закреплен кристалл. Значение отводи­мой мощности пропорционально разности температур перехода и корпуса и обратно пропорционально тепловому сопротивлению :

Тепловое сопротивление определяет перепад температур и , необходимый для отвода 1 Вт мощности от перехода в окружающую среду. Тепловое сопротив­ление рассчитывают по формуле:

где — теплопроводность материала (для кремния , для герма­ния );

— толщина теплопроводящего слоя;

— площадь контакта кристалла с металлическим основанием.

В установившемся режиме мощность, подводимая к переходу, равна мощности, отводимой от него:

Решая это уравнение относительно температуры перехода, можно определить уста­новившуюся температуру 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 корнями уравнения. При фиксированной величине 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 и выполняется условие:

При случайном уменьшении температуры перехода количество отводимого теп­ла становится меньше количества выделяемого, переход разогревается и его тем­пература повышается до . 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 , и выполняется условие:

Случайное повышение температуры выше 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 .

При повышении обратного напряжения график сдвигается вверх, и точки А и В сближаются, в конечном итоге сливаясь в одну (точка С). В этом случае гра­фики и касаются, и выполняется условие

Такое состояние перехода является неустойчивым, то есть при случайном повы­шении температуры выше установившейся наступает разогрев перехода. Очевид­но, что напряжение, соответствующее такому случаю, следует считать напряже­нием теплового пробоя.