- ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И ТОКОНЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ
Полупроводниковые диоды
В заводских каталогах электрическая прочность полупроводниковых диодов характеризуется значением наибольшего обратного напряжения при определенном токе. Под импульсной электрической прочностью полупроводниковых диодов подразумевается наибольшее значение амплитуды волны (импульса) обратного напряжения, предшествующее пробою р-п перехода. При этом напряжении происходят резкое увеличение обратного тока.
В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою р-п перехода, различают несколько его видов [9].
Лавинный пробой р-п перехода, диода связан с образованием лавины носителей заряда, возникающей под действием электрического поля, при котором носители приобретают энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника. При этом происходит непрерывное возрастание тока; если его ограничить, то лавинный пробой становится обратимым, в противном случае он перерастает в тепловой с последующим выходом из строя диода.
Тепловой пробой р-п перехода диода обусловлен выделением в р-п переходе тепла вследствие прохождения через него тока под действием приложенного обратного напряжения. Этот пробой характеризуется резким снижением обратного напряжения и возрастанием тока.
Туннельный пробой р-п перехода диода вызван квантомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону проводника без изменения их энергии. Обычно этот пробой сравнивают с автоэлектронной эмиссией или холодной эмиссией электронов из металла. Туннельный пробой р-п перехода кремниевого диода происходит при напряженности электрического поля 8· 105 В/см, германиевого — 3 · 10-5 В/ом.
Поверхностный пробой р-п перехода диода вызывается токами, проходящими по поверхности кристалла проводника, минуя р-п переход. Поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым.
Испытания ПП в импульсном режиме, проведанные ВНИИЖТом, показали, что увеличение амплитуды волны 1,5/40 мкс обратного напряжения до 450 В у германиевых диодов Д7Г и до 720 В у диодов Д7Ж вызывает небольшое повышение обратного тока. С дальнейшим ростом напряжения ток резко возрастает, что сопровождается частичным или полным разрушением р-п перехода. Полное разрушение р-п перехода диодов Д7Г происходит волной обратного напряжения амплитудой 700 В, а диодов Д7Ж — 800 В. При этом обратные токи достигают соответственно 14,5 и 9,5 мА.
Полное разрушение р-п переходов диодов Д302, Д305 наблюдается при амплитудах обратного напряжения 870 и 840 В и обратного тока соответственно 2,4 и 7,7 А. Увеличение длительности волны с 40 до 500 мкс с постепенно возрастающей амплитудой напряжения сопровождается появлением на экране осциллографа вначале небольших искажений формы волны, а затем, по мере повышения напряжения, резких срезов. В момент среза волны обратное напряжение снижается почти до нуля, что характеризует полное нарушение электрической прочности р-п перехода диода.
Резкое снижение обратного напряжения, по-видимому, вызвано поверхностным перекрытием кристаллов, образующих р-п переход, или его импульсным пробоем (проколом). Последующее возрастание обратного напряжения свидетельствует о самовосстановлении его электрической прочности, что указывает на обратимые процессы, происходящие в полупроводниковых диодах. По этой
причине после среза волны электрические параметры диодов не изменяются. Выход из строя диодов происходит лишь после многочисленных (более 50) воздействий волны с амплитудой, равной напряжению среза волны.
Явления обратимых процессов в полупроводниковых элементах (диодах и транзисторах) наблюдаются также в эксплуатационных условиях. На сети железных дорог отмечены случаи повреждений ПП с последующим самовосстановлением. Обычно вслед за импульсным током, проходящим по месту перекрытия или пробоя, под действием рабочего напряжения возникают так называемые сопровождающие токи, которые разогревают р-п переход, что приводит к его разрушению. Степень разрушения зависит от значения сопровождающего тока и длительности его действия. Для защиты полупроводникового диода следует ограничить сопровождающие токи включением в его цепь дополнительного защитного резистора. Необходимо заметить, что чем больше длина волны воздействующих перенапряжений, тем меньше наибольшие значения обратных на пряжений и тока.
Так, например для диодов Д304 увеличение длительности импульса волны с 40 до 500 мкс обусловливает понижение наибольшего обратного напряжения с 840 до 400 В и обратного тока соответственно с 7,7 до 0,3 А.
На рис. 7, а приведены обратные ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) пакетного выпрямителя КЦ402И с кремниевыми диодами, нагруженного на реле АСШ2-220, а на рис. 7, 6 и в для сравнения — обратные ветви ВАХ кремниевых (Д226Б), германиевых (Д7Г) диодов и селеновых элементов выпрямителей 22ВД16А и 22ВМ4А. Эти характеристики получены при воздействии волны 10/500 мкс.
Из рис. 7, а видно, что наибольшая импульсная электрическая прочность у кремниевого выпрямителя КЦ402И (1830 В) и кремниевого диода Д226Б (1240 В). Германиевый диод Д7Г имеет сравнительно низкую электрическую прочность (760 В). Еще меньшая электрическая прочность у селеновых элементов выпрямителей 22ВД16А (580 А) и 22ВМ4А (100 В) (см. рис. 7, б, в). Однако максимальная амплитуда обратных токов, разрушающая р-п переход в этих выпрямителях, достигает нескольких ампер.
В селеновых пластинах р-n переход пробивается не по всей поверхности, а только в отдельных «слабых» местах. В этих местах из-за резкого повышения плотности тока возникает местное расплавление селена, который затем при быстром охлаждении переходит в аморфное состояние. Так как удельное сопротивление аморфного селена на несколько порядков выше кристаллического, то место пробоя оказывается изолированным. Иногда в узком месте пробоя селен полностью сгорает и испаряется без нарушения нормальной работы выпрямителя. Таким образом осуществляется «самозалечивание» места пробоя.
Как показывают испытания, вслед за селеновыми выпрямителями лучшие характеристики (с точки зрения устойчивости) имеют кремниевые, а затем германиевые диоды.
В результате испытаний диодов в прямом направлении выявлено, что р-п переходы разрушаются током, амплитуда которого значительно превышает наибольшие значения выпрямленного тока. Так, германиевые диоды Д7Ж разрушаются при прохождении через них 20—30 импульсов амплитудой 95 А (волна 20/40 мкс) с интервалом 5 с, что значительно превышает допустимые значения выпрямленного тока диода этого типа (0,1 А).
Повреждение диодов зависит от числа импульсов, их длительности и интервала между ними. Например, при прохождении через диоды Д7Ж волны тока 10/500 мкс р-п переходы разрушаются током амплитудой 35 А, т. е. почти втрое меньшей, чем при волне 20/40 мкс при прочих равных условиях. В то же время было отмечено, что прохождение в прямом направлении диода Д7Ж импульса тока амплитудой 5 А сопровождается возрастанием обратного тока диода до 2,6 мА, что значительно превышает его допустимые значения (0,3 мА). По-видимому, импульсы тока амплитудой 5 А вызывают частичное разрушение р-п перехода.
Аналогичная зависимость наблюдается в кремниевых диодах Д811 (стабилитронах), повреждение которых происходит при прохождении через них в прямом направлении волны тока 20/40 мкс амплитудой 73 А и волны 10/500’мкс амплитудой 10 А.
Полупроводниковые транзисторы
Электрическая прочность транзисторов характеризуется максимальными значениями обратных напряжений эмиттерного (эмиттер-база) и коллекторного (коллектор-база) переходов при отключенных соответственно коллекторе и эмиттере, а также значений напряжений на участке эмиттер-коллектор при отключенной базе, вызывающих пробой (лавинный или тепловой) или перекрытие по внешней поверхности кристаллов.
В транзисторах различают также явления вторичного пробоя, приводящие к внезапному переходу транзистора в состояние, характеризуемое большим током и относительно малым напряжением. При вторичном пробое ток, проходящий через транзистор, локализуется в узкой области (шнуре). Если его не ограничить, то локальный разогрев приведет к необратимым изменениям в транзисторе. Вероятность вторичного пробоя возрастает с увеличением рабочего тока транзистора и напряжения на коллекторе, так как неравномерность выделения мощности в транзисторе при этом проявляется сильнее из-за большого перегрева и, следовательно, из-за большого влияния собственной электропроводимости.
При определении импульсной электрической прочности транзисторов к каждой паре их электродов при изолированном третьем электроде прикладывали импульсы напряжения длительностью 500 мкс с постепенно возрастающей амплитудой. Критерием выхода из. строя транзистора являлось увеличение начального тока коллектора (Iк0). При разрушении того или иного перехода транзистора наблюдалась деформация (срезы) воздействующей волны тока. В этот момент происходило нарушение электрической прочности транзистора и затем — ее самовосстановление (обратимый процесс).' Такие результаты были получены при испытаниях транзисторов МП39. В более мощных транзисторах наименьшую электрическую прочность имеет также переход эмиттер-коллектор.
Испытания эмиттерного и коллекторного переходов транзисторов в прямом направлении в импульсном режиме показывают, что они могут пропускать относительно большие импульсные токи. Так, максимальная амплитуда волны тока 20/40 мкс, вызывающая разрушение коллекторного и эмиттерного переходов транзистора МП39, достигает 50—70 А, что значительно превосходит допустимое наибольшее значение тока эмиттера и коллектора (10 мА). В транзисторах П21-3 указанные переходы разрушались при прохождении через них волны тока 10/500 мкс амплитудой 200 А.
Таким образом, испытания показали, что в зависимости от длительности воздействующей волны максимально допустимые значения прямых и обратных импульсных напряжении и токов полупроводниковых диодов и транзисторов изменяются в широких пределах. Эти параметры значительно превышают значения, приводимые в справочниках и заводских каталогах, что следует учитывать при разработке схем грозозащиты ПП. Заводы-изготовители, как правило, не дают сведений об импульсных параметрах ПП, поэтому их следует определять экспериментально по методике, изложенной в главе V.