Особенности теплового пробоя в реальных диодах

Тепловой пробой в реальных диодах всегда происходит с образованием так называемого «шпура» пли канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части р-n-перехода. В свою очередь, образование шнура может быть вызвано либо дефектами в реальном р-n-переходе, либо статистической флуктуацией плотности обратного тока по площади р-n-перехода. Действительно, если в каком-нибудь месте р‑n‑перехода в некоторый момент времени плотность обратного тока оказалась несколько выше плотности обратного тока в остальной части р-n-перехода, то температура этого места p-n-перехода будет выше из-за большей выделяющейся там удельной мощности. Увеличение температуры приведет к росту плотности обратного тока в данном месте р-n-перехода в связи с увеличением тепловой генерации носителей либо в самом переходе, либо в областях полупроводника, прилегающих к р-n-переходу.

Локальное увеличение плотности тока вызовет локальное увеличение температуры, увеличение температуры вызовет увеличение плотности тока и т.д.

Диаметр шнура, возникшего при тепловом пробое, может составлять всего несколько микрометров. Длина его определяется толщиной р-n-перехода, т. е. может составлять десятки микрометров. Поэтому, учитывая малый объем шнура, следует заключить, что для развития теплового пробоя в реальных диодах при шнуровании тока требуется очень малая мощность, т. е. тепловой пробой может происходить при малых обратных токах и малых обратных напряжениях.

Рис. 3.23. ВАХ при тепловом пробое диода и гиперболы равной мощности

Удельная мощность, выделяемая в единичном объеме шпура, даже при очень малых обратных токах через диод оказывается довольно большой.

Для возникновения теплового пробоя необходим перегрев шнура примерно на 10º К. Это свидетельствует, во-первых, о том, что опять необходима малая мощность для развития теплового пробоя, и, во-вторых, о том, что тепловой пробой — это явление обратимое, если, конечно, ограничить обратный ток при пробое, не доводя разогрев шнура до появления необратимых физико-химических процессов в полупроводнике.

Следствием малого объема шнура, по которому происходит тепловой пробой, является также малая инерционность процесса теплового пробоя реальных диодов. Тепловые постоянные времени нагрева и охлаждения шнура могут быть порядка 10^–6 — 10^–7 с. При этом еще надо учесть, что при тепловом пробое напряжение на диоде уменьшается и барьерная емкость р-n-перехода диода разряжается через сопротивление шнура с выделением добавочной мощности в шнуре. Это явление способствует ускорению разогрева шнура и уменьшению инерционности процесса теплового пробоя.

Рис. 3.24. ВАХ

шнура (1) и шунтирующего сопротивления остальной части р-n-перехода (2), которые в сумме могут дать у-образную вольт-амперную характеристик; диода (3) при тепловом пробое

Еще одним следствием шнурования тока при тепловом пробое диода является возможность получения своеобразной вольт-амперной характеристики — так называемой у-образной вольт-амперной характеристики, которая на первый взгляд противоречит тепловому механизму пробоя диода.

Действительно, с увеличением тока через диод температура р-n-перехода все время должна возрастать, что видно из уравнения теплового баланса (3.78).

Таким образом, кривые (гиперболы) равной мощности должны пересекать вольт-амперную характеристику диода с учетом тепловыделения в р‑n‑переходе только в одной точке (рис. 3.23). Однако тепловой пробой происходит но шнуру с очень малым поперечным сечением. Если бы удалось из всего р-n-перехода выделить шнур, то его вольт-амперная характеристика соответствовала бы всем условиям теплового пробоя (кривая 1 на рис. 3.24). Через остальную часть р-n-перехода, площадь которой на несколько порядков больше поперечного сечения шнура, идет обратный ток, т. е. ее можно характеризовать некоторым сопротивлением R.

Для простоты будем считать сопротивление R постоянным — с линейной вольт-амперной характеристикой (кривая 2). Если сопротивление R окажется меньше абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления шнура на падающем участке его вольт-амперной характеристики, то суммарная вольт-амперная характеристика диода (кривая 3) будет иметь у-образный вид. Следовательно, у-образные вольт-амперные характеристики не противоречат тепловому механизму пробоя диода.

Таким образом, пробивное напряжение при тепловом пробое уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Однако тепловому пробою может предшествовать лавинный пробой, для которого характерен положительный температурный коэффициент пробивного напряжения. Поэтому температурная зависимость пробивного напряжения для диода при наличии теплового и лавинного пробоя может быть сложной и даже немонотонной, так как при больших температурах тепловой пробой может наступать без предшествующего лавинного пробоя.