Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

В соответствии с выражением (10.1) любое локальное повыше­ ние температуры р-п перехода А,Тр-п приводит к локальному уве­ личению тока (при постоянном напряжении U3 р . п ) , т. е. фактически к повышению уровня рассеиваемой мощности в данном месте. Это, в свою очередь, вновь вызывает повышение температуры и т. д.

Результатом действия такой положительной термической обрат­ ной связи являются тепловая нестабильность и стягивание тока в пределы небольшой области, приводящие, как правило, ко вто­ ричному пробою.

Таким образом, в основе теории тепловой нестабильности лежит концепция положительной термической обратной связи, возникаю­ щей в результате взаимодействия локального повышения темпе­ ратуры и возросшей плотности рабочего тока и приводящей к обра­ зованию горячего пятна. Температура такого горячего пятна сос­ тавляет по оценкам различных исследователей 350—500° С. Не­ большое увеличение рассеиваемой мощности приводит к локаль­ ному тепловому пробою в этих пятнах.

Для того чтобы в рамках предложенной теории вывести крите­ рий тепловой стабильности, необходимо рассмотреть некоторые но­ вые физические величины и, прежде всего, температурный коэф­ фициент эмиттерного тока ато (иногда называемый также темпе­ ратурным коэффициентом перехода эмиттер — база).

По определению.

277

эмиттерном р-п переходе оэ р.п^ 0,65—0,7 В из (10.3) получаем,

(7эб- Однако экспериментальные исследования [224] показывают, что реальные значения температурного коэффициента эмиттерного тока ат при больших эмиттерных токах Ід оказываются значитель­

приложенное к эмиттерному переходу [183], не совпадает с напря­

сопротивление пассивной части базовой области, которое опреде­ ляется расстоянием от границы эмиттерного перехода до базового

Тогда, с учетом соотношений (10.3) и (10.5), более точное выражение для температурного коэффициента эмиттерного тока будет иметь вид

Т 1+ ( ? / А Г р . п ) [ г ; + ^ п / ( 1 + в с т ) ] / э '

где коэффициент ато определяется из формулы (10.3). Как видно из выражения (10.6), коэффициент ат убывает с ростом эмиттерного

тока / э .

Рассмотрим теперь влияние локального повышения плотности тока на поведение транзистора, в котором первоначальное распре­ деление тока предполагается равномерным. Обозначим флюктуационное отклонение тока (в сторону больших значений) в какомлибо участке транзисторной структуры через Д / х . При постоянном напряжении UK (рис. 10.3) это приведет к возрастанию мощности

новании формулы (9.18)]. В соответствии с (10.1) это повышение

не включает в себя дифференциальное сопротивление эмиттера гд р_„.

278

будет связано с первоначальным отклонением тока через показатель стабильности s, а именно

напряжении) вызывает достаточное увеличение температуры, чтобы поддержать это изменение тока A / l t т. е. имеет место условие само­ баланса.

р-п переходов относительно корпуса может быть совершенно незна­

чителен. Наоборот, при больших токах растет падение напряжения

Как было отмечено ранее, топология структуры мощных тран- 'зисторов обычно представляет собой параллельную комбинацию многих отдельных активных ячеек (иногда для получения заданной мощности просто осуществляют параллельное соединение большого количества маленьких транзисторов, выполненных на одной пла­ стинке кремния).

В связи с этим большой интерес представляет изучение внут­ ренней тепловой нестабильности в системе параллельных транзисто­ ров или многих ячеек одного транзистора. Возникновение положи­ тельной термической обратной связи в любой отдельной ячейке (отдельном транзисторе) общей параллельной цепочки приведет к тому, что эта ячейка будет стремиться взять на.себя все большую часть тока, в то время как остальная часть транзистора останется относительно холодной. Если не принять специальных мер, то прибор попадет в область вторичного пробоя с последующим вы­ ходом из строя.

Д л я оценки стабильности такой системы рас­ смотрим для простоты параллельную комбинацию двух транзисторов, как это показано на рис. 10.4, a [211]. Условие стабильной работы такой параллель­ ной цепочки зависит не .только от характеристик отдельных транзисторов, но также и от их спо-

Рис. 10.3. Схема для определения показателя ста­ бильности 5.

279

двумя такими транзисторами (так же, как и неравномерное распределение

состояние возмущения, когда для каждого из транзисторов существует отк­ лонение в величине тока, равное і (положительное для левого транзистора и отрицательное для правого). Соответствующее отклонение температуры равно ОТ. Приращение теплового потока от левого, более нагретого транзис­

тору слева. Таким образом, отклонение в температуре 6Т приводит к увели­

При таком положении возможно появление тепловой нестабильности, когда один прибор нагревается, а второй соответственно охлаждается. Очевидно, что показатель стабильности, соответствующей эквивалентной схеме рис. 10.4, б, может быть записан как

ности s для одиночного транзистора с равномерным распределением тока (10.7). Условие (10.9), называемое иногда условием самобаланса, непосред­

мическая неустойчивость с последующим образованием горячего пятна, раз­ меры которого 5 П до определенной температуры ограничены сопротивлением базы и коллектора. Если температура горячего пятна настолько высока, что носители, возникшие за счет тепловой генерации в коллекторном р-п пере-

Рис. 10.4. Параллельная комбинация двух идентичных транзисторов [211J.

280

пряжения на сопротивлении активной базы эмиттерный ток концентрируется под центром эмиттерной полоски и реализуются условия для локализованно­ го теплового пробоя.

В более поздней работе [225] приводится несколько уточненная мо­ дель термической обратное связи для определения области безопасной ра­ боты транзистора. Эта модель (рис. 10.5) учитывает возможное умножение

где Л„р = МІІкъ — усиление для прямого потока мощности.

Сучетом концентрации тока в какой-либо области транзисторной

величиной неустановившейся однородной температуры перехода (т. е. фак­

Следовательно, условие потери термической устойчивости и начало развития

Как уже отмечалось, механизм развития вторичного пробоя, основанный на теории тепловой нестабильности, действует при напряжениях, меньших Um о-

Если не принять специальных мер и исходить из теоретиче­ ской гиперболы (7К = Р к м а к с / ^ к э ) рассеиваемой мощности, по­ строенной в предположении постоянного теплового сопротивления, то это может привести к катастрофическим отказам. Непосредствен­ ные измерения теплового сопротивления, выполненные авторами работ [186, 187], показали, что формула (9.18), определяющая мак-

281