Зависимость напряжения пробоя от температуры

При анализе температурной зависимости V_В будем исходить из того, что лавинный пробой в p-n переходе начинается, когда максимальная напряжённость поля в ОПЗ достигает значения ε_кр, при котором М → ∞. Тогда для диода с резким p-n переходом и с базой n-типа будем иметь:

, (5.116)

где – ширина ОПЗ при ε_макс = ε_кр. Отсюда с учётом (5.110) можно получить следующее выражение для получения пробоя:

. (5.117)

Различие в зависимости V_B от N_D по формулам (5.115) и (5.117) объясняется тем, что ε_кр является функцией от N_D. Чем больше N_D, тем выше ε_кр. Например, для германиевых диодов при увеличении концентрации примеси в базе от 10 14 до 10 17 см -3 ε_кр должно измениться от 1.5∙10 5 до приблизительно 3.5∙10 5 В/см. При тех же условиях для диодов из арсенида галлия ε_кр должно возрасти от 3,5 до 7∙10 5 В/см. Для кремниевых p-n переходов

.

Для диода с плавным p-n переходом условие лавинного пробоя в соответствии с (5.20) можно записать так:

. (5.118)

. (5.119)

Подстановка (5.119) в (5.118) приводит к выражению:

. (5.120)

С увеличением температуры условия ускорения электронов или дырок в ОПЗ p-n перехода ухудшаются, так как увеличиваются потери энергии на столкновение с оптическими фононами и уменьшается коэффициент ударной ионизации. Отсюда следует необходимость повышения ε_кр при увеличении температуры для сохранения равенства (5.105). Таким образом, напряжение пробоя для резких и плавных p-n переходов в соответствии с (5.117) и (5.120) должно расти при увеличении температуры. Экспериментом это положение подтверждается. В не очень широком интервале температур (Т – Т₀) экспериментальные данные можно описать линейным законом зависимости V_B от T:

, (5.121)

где температурный коэффициент напряжения пробоя α зависит от материала и уровня легирования и находится в диапазоне 10 –3 К –1 .

Энергия ионизации нейтрального атома полупроводника горячим электроном определяется шириной запрещённой зоны и потерями на столкновение с оптическими фотонами.

,

где r – число столкновений, E_r – энергия оптического фонона, E_f – остаточная энергия.

С увеличением температуры энергия ионизации возрастает из-за увеличения числа столкновений r, связанным с увеличением концентрации фононов.

Рисунок 5.68 – Зависимость от температуры ВАХ (а) и напряжения лавинного пробоя (б)

Следовательно, для поддержания ударной ионизации требуются большие ε_кр и напряжение пробоя U_В(Т) (рисунок 5.68, а). С увеличением напряжения пробоя (уменьшением уровня легирования базы) температурный коэффициент напряжения α_пр увеличивается (рисунок 5.68,б), так как увеличивается толщина δ_пр , и количество столкновений с фононами (потери энергии, которые компенсируются внешним полем).

Расчёт напряжения лавинного пробоя p-n перехода

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика .

Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле

где d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Пробой жидких диэлектриков – явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. На рис. 5-13 показана зависимость изменения электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.

Рис. 5-13. Изменение электрической прочности трансформаторного масла от содержания в нем воды.

Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) подобно воде понижают электрическую прочность жидких диэлектриков.

Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 5-14).

Рис. 5-14. Зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от времени воздействия на него электрического поля.

Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных характеристик жидких диэлектриков (рис. 5-15 и 5-16).

Рис. 5-15. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами.
1 – плоскость против шара диаметром 125 мм; 2 – плоскость против острия.

Рис. 5-16. То же, что рис. 5-15, но для постоянного напряжения. Электроды острие – плоскость:
1 – острие отрицательное; 2 – острие положительное.

Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления (рис. 5-17). Зависимость пробивного напряжения от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей, что указывает на большое влияние газообразных примесей.

Рис. 5-17. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления при 50 Гц.1-невакуумированное масло; 2-вакуумированное масло.

При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.

Влияние температуры на пробивные характеристики жидких диэлектриков различно в зависимости от их химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загрязнений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко понижается.

Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессам пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий (авторы Н. Н. Семенов и А. Ф. Вальтер, Эдлер и др.) пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до с).
2. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин см).
3. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя.
4. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.
5. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине – по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.
2. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды (рис. 5-18).

Рис. 5-18. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от температуры (при тепловом пробое).

Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения (рис. 5-19).

Рис. 5-19. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от длительности приложенного напряжения (при тепловом пробое).

Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.

Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика (рис. 5-20).

Рис. 5-20. Зависимость пробивного напряжения от температуры для электротехнического фарфора (а – точка перехода к тепловому пробою).

Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.

Согласно выводам теории теплового пробоя твердых диэлектриков (В. А. Фок, Н. Н. Семенов) можно подсчитать величину пробивного напряжения для простых электроизоляционных конструкций (пластины) по формулам

а) для постоянного напряжения

б) для переменного напряжения

где – функция величины,

– коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; – коэффициент теплопроводности электродов, Дж/(с м °С); – коэффициент теплопроводности диэлектрика Дж/(с м °С); h – половина толщины диэлектрика, м; – толщина электрода, м; а – постоянная, характеризующая рост проводимости диэлектрика с температурой; – диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); – тангенс угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); f – частота, Гц.

По известным значениям вычисляют величину с и, воспользовавшись графиком (рис. 5-21), находят .

Рис. 5-21. Значения функции. К расчету пробивного напряжения твердого диэлектрика при тепловом пробое (по В. А. Фоку).

При неограниченном возрастании с величина стремится к пределу, равному 0,66.

Напряжение – тепловой пробой

Напряжение теплового пробоя уменьшается с увеличением температуры, так как при этом возрастает температура р – – перехода, а следовательно, уменьшается обратное допустимое напряжение. [2]

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях. [4]

Напряжение теплового пробоя сильно зависит от температуры окружающей среды и условий теплоотвода. [6]

Напряжение теплового пробоя существенно зависит от конструкции диода, которая определяет условия отвода тепла от перехода. Качество теплоотвода определяется тепловым сопротивлением – Rt, показывающим, на сколько градусов повысится температура перехода Д / при повышении рассеиваемой мощности на АР. [7]

Напряжение теплового пробоя обратно пропорционально току через прибор. Поэтому тепловой пробой может возникнуть после того, как обратный ток возрастет благодаря туннельному эффекту или эффекту ударной ионизации. Этим объясняется наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением после участков, соответствующих туннельному или лавинному пробою. [8]

Напряжение теплового пробоя зависит от температуры, а следовательно, от тока длительности и формы импульсов. При некоторых длительностях и скважностях тепловой механизм практически прекращает свое влияние на величину напряжения пробоя. Уже в начале активной области при токах, превышающих 1к о лишь в 2 – 3 раза, напряжение теплового пробоя резко возрастает, и единственной причиной, ограничивающей напряжение коллектора, остается лавинный пробой. [9]

Напряжение теплового пробоя непосредственно связано с температурой окружающей среды. [11]

Величина напряжения теплового пробоя зависит от температуры окружающей среды. Если Г01ф возрастает, то Ротв становится меньше и пробой наступает при меньшей величине обратного напряжения. [12]

Следовательно, напряжение теплового пробоя полупроводникового диода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением. Особое внимание следует обратить на сильную зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. [13]

При расчетах напряжения теплового пробоя в первую очередь должны учитываться тангенс угла диэлектрических потерь и зависимость величины tg6 от температуры. [15]