Рис. 3. Область безопасной работы транзистора КТ838: Д - признаки кумуляции тока; □-признаки образования горячих пятен>

Г А 10

0,t 0,1

10 20

и ИЗ) 8

произвести неразрушающие измерения параметров электрического и теплового режимов мощных биполярных кремниевых транзисторов в критических условнях эксплуатации. По результатам этих измерений построены области безопасной работы (ОБР) для широкого класса кремниевых плаиарных транзисторов.

Типичные примеры экспериментальных ОБР, построенных для мощных плаиарных транзисторов с учетом всех ограничивающих ОБР факторов, приведены на рис. 1... 3.

На рис. 1 указаны границы ОБР для транзистора КТ809А, построенные с учетом ограничений, налагаемых перегревом переходов прн однородном токораспределенни, термической нестабильностью, т.е. появлением горячих пятен , вторичным пробоем. Для сравнения тут же приведены ограничения по току и напряжению, определяемые техническими условиями на этот прибор. Следует заметить, что ограничения, связанные с появлением горячих пятен в импульсном режиме, могут не приводить к отказу транзистора при эксплуатации его в аппаратуре, если длительность импульсов такова, что развития вторичного пробоя не происходит. Прямыми измерениями температуры горячих пятен с помощью ИК радиометров показано, что развитие тепловой формы вторичного пробоя в транзисторах происходит, когда температура областей локального перегрева превышает S40 К. На рис. 1 видно, что области ограничений ОБР по ВП и по горячим пятнам , начиная с некоторых напряжений, совпадают, когда длительность импульсов коллекторного тока превышает 0,1 мс. Прн меньшей длительности импульсов возникновение горячих пятен в приборе не приводило к развитию ВП.

На рис. 2 и 3 указаны границы типичных ОБР, построенных для транзисторов КТ828А н КТ838 соответственно, прн различной длительности прямоугольных импульсов коллекторного тока на испытуемых приборах. Видно, что перегрев переходов и термическая нестабильность существенно ограничивают ОБР приборов при эксплуатации, когда длительность импульсов превышает 0,5 мс.

По-видимому, представляет интерес рассмотреть условия возникновения горячих пятен на коллекторе испытуемого транзистора и

механизм развития вторичного пробоя в таком транзисторе с позиций теории локализованного теплового пробоя [6, 7].

Современные мощные плаиарные транзисторы представляют собой с тепловой точки зрения многослойную конструкцию, содержащую слои кремния, металла, керамики. Топология эмиттера и базы обычно развитая, гребенчатая.

Рассчитаем зависимость критического тока ВП от длительности одиночного прямоугольного импульса коллекторного тока испытуемого транзистора КТ809, полагая, что структура ие содержит дефектов, приводящих к возникновению низковольтных микроплазм, резко снижающих устойчивость его в отнощеиии возникновения неоднородности токораспределения, ведущей к образованию горячих пятеи> и ВП [8]. Воспользуемся формулой, полученной для этого случая в [7]:

где т - длительность импульса коллектора тока; р - плотность материала; с -удельная теплоемкость; ft - коэффициент температуропроводности; 6 -толщина слоя база-эмиттер; / - толщина слоя коллектора; /о-нулевой ток ВП;

/о = -; (2)

Гс - критическая температура начала ВП; S -площадь коллекторного эффективного транзистора [7]; 1/к - иапряжеине коллектор - эмиттер в предпробойиом режиме.

Заметим, что формула (1) переходит в известное выражение, полученное в [6], при малой длительности импульсов, т. е. когда можно пренебречь теплоотводом от области эпитаксиального слоя коллектора, где выделяется основная мощность

/ Ух = const. (3)

Подставляя в (2) соответствующие данные по материалу и конструктивным размерам транзистора KT809, получаем /о=ьЮ,09 А. Тогда, используя (1), можно построить зависимость /к(т) для транзистора KT809A. Результаты построения приведены на рис. 4. Там же построена экспериментальная зависимость /к(т), соответствующая ОБР этого транзистора. Совпадение расчетной и экспериментальной кривых вполне удовлетворительное. На этом же рисунке построена зависимость /k(i:), вытекающая из адиабатической теории [6]. Постоянная в формуле (3) для построения зависимости выбрана исходя из предполагаемого совпадения этой зависимости с экспериментальной кривой при минимальной длительности импульса (т=100 мкс). Видно, что удовлетворительное совпадение зависимости, рассчитанной по формуле (3), с экспериментальной зависимостью сохраняется до тгкЮ мс, что соответствует времени тепловой диффузии для структуры транзистора KT809; при большей длительности импульсов пренебрегать теплоотводом через кристаллодержатель уже нельзя [7].

Энергия вторичного пробоя Ев.и часто используется как наиболее стабильный параметр для характеристики устойчивости транзисторов

Рис. 4. Экспернмеи-тальиые точкн и теоретические зависимости времени задержки ВП от ,коллекторного тока:

/ - с учетом теплоотвода; 2 - по адиабатической модели Вейцша

100 r,MC

к ВП. Для тепловой формы ВП характерной является зависимость Еъ.и от критической длительности импульса тока т внда [1, 2]

Е/1х = const

На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость для транзистора КТ809; Е{х), соответствующая ОБР этого транзистора, построена на рис. 1. Здесь же построены зависимости £(т), вытекающие из формул (4) и (1). В последнем случае использовано выражение

Нв.п=/к1/кт, (5)

справедливое для прямоугольных импульсов тока, когда /к поддерживается постоянным. Совпадение экспериментальной кривой с зависимостью внда (4) удовлетворительное при мс, а с зависимостью, следующей нз выражений (1) и (5), -во всем диапазоне. Аналогичные выводы получены, для транзисторов КТ828 и КТ838. Для них, однако, среднее время тепловой диффузии, определяемое из соотно-щення t=Llk, где L - характерный размер транзисторной структуры в направлении теплового потока, отличается от t для транзистора КТ809.

Рис. 5. Экспериментальные точки и теоретические зависимости энергии ВП от времени воздействия импульса рассеяния мощности на коллекторном переходе:

О - КТ809;

А - КТ828;

□ - КТ838; 1 - с учетом теплоотвода; 2 - по адиабатической модели Вейцща

0,01

0,01 0,1 1,0 10

100 Т,мс 205