МОП, ты должен был побороть вторичный пробой, а не примыкать к нему!
Не так уж давно преподавал предмет "Полупроводниковые приборы" студентам МФТИ. И среди прочего, рассказывал о вторичном пробое биполярных транзисторов, из-за чего у них область безопасной работы (она же SOA - Safe Operating Area) примерно такая:
Кроме ограничения по току (горизонтальная часть), по выделяемой мощности (первый наклон) и по максимальному напряжению (вертикальный отрезок в конце), есть ещё одно (второй, более резкий наклон) - как раз-таки по вторичному пробою. Хотя транзистор мог бы рассеивать 40 Вт, но при напряжении 80 вольт можно пропускать лишь 0,2 ампера, что соответствует 16 Вт.
И тут же говорил: а вот у МОП-транзисторов такой проблемы В ПРИНЦИПЕ НЕТ. И по той же в точности причине МОП-транзисторы можно соединять параллельно, а биполярные - только с использованием правильно подобранных выравнивающих резисторов!
А сегодня мне ardelfi рассказал, что эта информация слегка устарела, самые передовые МОП-транзисторы вдруг начали страдать от вторичного пробоя (хотя там это чуть по-другому назвали), да так, что биполярные нервно курят в сторонке!
Сперва опишу, что это вообще за явление такое.
Большой мощный транзистор можно представить как кучу транзисторов поменьше, включённых параллельно. В идеале, ток должен распределяться между ними равномерно, но в реальности какой-то один "транзисторик" (то есть, кусочек структуры большого транзистора, какой-то один её срез) может пропускать через себя больше тока, чем свои соседи. При параллельном соединении, падение напряжение у всех "транзисториков" одинаковое, а выделяемая мощность равна произведению тока на напряжение. Поэтому если через какой-то кусочек течёт ток больше, она и греться будет сильнее.
А дальше весь вопрос, как этот транзисторик отреагирует на нагрев. Биполярный транзистор при нагреве, если на него подаётся всё то же самое напряжение база-эмиттер, НАЧНЁТ ПРОВОДИТЬ ЕЩЁ БОЛЬШЕ. У него отрицательный температурный коэффициент напряжения, около -2 мВ/°С, поэтому он начнёт приоткрываться. От этого он начнёт греться ещё сильнее, отчего он начнёт стягивать на себя всё больше и больше тока базы и коллектора. Результат этой положительной обратной связи ожидаем: данная часть транзистора выгорит! И даже на этом процесс не закончится, ведь это место разогрело и соседние области, так что и они начали проводить больше, чем положено (вместо ровного деления тока по всей площади, он начинает сосредотачиваться в очень узком канале), так что в итоге выгорит ВЕСЬ транзистор, и весьма быстро. На рисунке выше показаны характерное время, 10 мс, а то и 1 мс, всё зависит от величины "перегрузки".
Подобный эффект работает на достаточно высоких напряжениях и малых токах, поскольку в такой ситуации омическое сопротивление транзистора не может оказать выравнивающего действия. Условно, у нас сопротивление полностью открытого транзистора 0,1 Ом. Мы его разбили на 10 параллельных каналов, у каждого сопротивление по 1 Ом. Если мы пропускаем через транзистор 10 А, через каждый канальчик идёт по амперу, и падает 1 вольт. Практически всё падает именно на омическом сопротивлении, которое так резво от температуры не зависит, и тогда никаких проблем, ток распределится раввномерно. А вот на токе 0,2 ампера, через каждый канал проходит по 20 мА, и падает на омическом сопротивлении 20 мВ. Они, конечно же, погоды не сделают на фоне общего падения 80 вольт!
И то же самое происходит, если мы "тупо" соединяем биполярные транзисторы параллельно, не делая никаких выравнивающих резисторов, и ОСОБЕННО, если не поставим их на один теплоотвод, каждому по своей небольшой пластиночке дадим...
С МОП-транзисторами данная логика не работала: у них при росте температуры проводимость, напротив, ухудшалась! Поначалу это кажется плохим явлением, но как по предыдущим размышлениям становится понятно, ЭТО ЗАМЕЧАТЕЛЬНО. Разогревшаяся часть начнёт пропускать через себя меньше тока, благодаря чему токи естественным образом выровняются! И то же самое с параллельным включением нескольких транзисторов.
Так было написано во всех книгах, начиная со всеми любимого Хоровица-Хилла. В документации на полевые транзисторы область максимальных режимов (она же безопасной работы, она же SOA) зачастую вообще не рисовали, ибо тривиально: не превышай максимальный ток, не превышай максимальное напряжение, не превышай максимальную мощность, и всё будет зашибись!
Но, как оказалось, с развитием технологий, кое-что поменялось: удалось заметно снизить удельное сопротивление открытого канала, и начал ощущаться ранее пренебрегаемый эффект, работающий в обратную сторону, зависимость порогового напряжения от температуры.
График отсюда:
На малых токах, если один кусочек транзистора нагрелся сильнее остальных, там повышается концентрация носителей заряда, и за счёт этого снижается пороговое напряжение, т.е этот кусочек "приоткрывается" сильнее. И дальше - пошло-поехало по накатанной схеме.
Получается примерно так: самые современные полевые транзисторы при той же ёмкости затвора имеют существенно меньшее сопротивление открытого канала, но за это приходится расплачиваться "потерей стабильности" - и пресловутым вторичным пробоем.
При нынешнем засилье импульсных (ключевых) устройств повсюду - источники питания, усилки класса D, контроллеры бесколлекторных двигателей и пр. - такой компромисс действительно оправдан. Мало кому теперь хочется рассеивать на транзисторе мощность, гонять его в "линейном режиме". Транзистор либо открыт, либо закрыт, и лишь на считанные микросекунды находится в переходном процессе из одного состояния в другое. Да, этот переходный процесс теперь стал нестабильным, зато такие транзисторы обладают малой ёмкостью, поэтому через этот опасный режим очень шустро перескакивают.
Вот область безопасной работы "современного" силового МОП-транзистора:
Надо это учитывать, если всё-таки транзистор понадобился в линейном режиме, например, старый добрый УМЗЧ забабахать особенно большой мощности, с питающим напряжением в 50+ вольт. Или, как в моём случае, когда транзистором захочется ограничить пусковый ток в устройство. На выходе этого транзистора стоят приличные ёмкости, и пока они не зарядились, всё напряжение (вплоть до 35 вольт) падает на транзисторе, и характерное время здесь - миллисекунды-десятки миллисекунд.
Впрочем, лично мне пока переживать не о чем. Отечественные МОП-транзисторы немного туговаты в плане емкостей (нанофарады - ЛЕГКО, если речь идёт о десятках ампер), но такой фигнёй они не страдают!
2born на заметку, если захотим выпустить Радиофизику и электронику для начинающих, издание исправленное и дополненное. Тот нечастый случай, когда учебники приходится переписывать! Хотя уже не помню, кажется, мы так глубоко, всё же, не забирались.
Кроме ограничения по току (горизонтальная часть), по выделяемой мощности (первый наклон) и по максимальному напряжению (вертикальный отрезок в конце), есть ещё одно (второй, более резкий наклон) - как раз-таки по вторичному пробою. Хотя транзистор мог бы рассеивать 40 Вт, но при напряжении 80 вольт можно пропускать лишь 0,2 ампера, что соответствует 16 Вт.
И тут же говорил: а вот у МОП-транзисторов такой проблемы В ПРИНЦИПЕ НЕТ. И по той же в точности причине МОП-транзисторы можно соединять параллельно, а биполярные - только с использованием правильно подобранных выравнивающих резисторов!
А сегодня мне ardelfi рассказал, что эта информация слегка устарела, самые передовые МОП-транзисторы вдруг начали страдать от вторичного пробоя (хотя там это чуть по-другому назвали), да так, что биполярные нервно курят в сторонке!
Сперва опишу, что это вообще за явление такое.
Большой мощный транзистор можно представить как кучу транзисторов поменьше, включённых параллельно. В идеале, ток должен распределяться между ними равномерно, но в реальности какой-то один "транзисторик" (то есть, кусочек структуры большого транзистора, какой-то один её срез) может пропускать через себя больше тока, чем свои соседи. При параллельном соединении, падение напряжение у всех "транзисториков" одинаковое, а выделяемая мощность равна произведению тока на напряжение. Поэтому если через какой-то кусочек течёт ток больше, она и греться будет сильнее.
А дальше весь вопрос, как этот транзисторик отреагирует на нагрев. Биполярный транзистор при нагреве, если на него подаётся всё то же самое напряжение база-эмиттер, НАЧНЁТ ПРОВОДИТЬ ЕЩЁ БОЛЬШЕ. У него отрицательный температурный коэффициент напряжения, около -2 мВ/°С, поэтому он начнёт приоткрываться. От этого он начнёт греться ещё сильнее, отчего он начнёт стягивать на себя всё больше и больше тока базы и коллектора. Результат этой положительной обратной связи ожидаем: данная часть транзистора выгорит! И даже на этом процесс не закончится, ведь это место разогрело и соседние области, так что и они начали проводить больше, чем положено (вместо ровного деления тока по всей площади, он начинает сосредотачиваться в очень узком канале), так что в итоге выгорит ВЕСЬ транзистор, и весьма быстро. На рисунке выше показаны характерное время, 10 мс, а то и 1 мс, всё зависит от величины "перегрузки".
Подобный эффект работает на достаточно высоких напряжениях и малых токах, поскольку в такой ситуации омическое сопротивление транзистора не может оказать выравнивающего действия. Условно, у нас сопротивление полностью открытого транзистора 0,1 Ом. Мы его разбили на 10 параллельных каналов, у каждого сопротивление по 1 Ом. Если мы пропускаем через транзистор 10 А, через каждый канальчик идёт по амперу, и падает 1 вольт. Практически всё падает именно на омическом сопротивлении, которое так резво от температуры не зависит, и тогда никаких проблем, ток распределится раввномерно. А вот на токе 0,2 ампера, через каждый канал проходит по 20 мА, и падает на омическом сопротивлении 20 мВ. Они, конечно же, погоды не сделают на фоне общего падения 80 вольт!
И то же самое происходит, если мы "тупо" соединяем биполярные транзисторы параллельно, не делая никаких выравнивающих резисторов, и ОСОБЕННО, если не поставим их на один теплоотвод, каждому по своей небольшой пластиночке дадим...
С МОП-транзисторами данная логика не работала: у них при росте температуры проводимость, напротив, ухудшалась! Поначалу это кажется плохим явлением, но как по предыдущим размышлениям становится понятно, ЭТО ЗАМЕЧАТЕЛЬНО. Разогревшаяся часть начнёт пропускать через себя меньше тока, благодаря чему токи естественным образом выровняются! И то же самое с параллельным включением нескольких транзисторов.
Так было написано во всех книгах, начиная со всеми любимого Хоровица-Хилла. В документации на полевые транзисторы область максимальных режимов (она же безопасной работы, она же SOA) зачастую вообще не рисовали, ибо тривиально: не превышай максимальный ток, не превышай максимальное напряжение, не превышай максимальную мощность, и всё будет зашибись!
Но, как оказалось, с развитием технологий, кое-что поменялось: удалось заметно снизить удельное сопротивление открытого канала, и начал ощущаться ранее пренебрегаемый эффект, работающий в обратную сторону, зависимость порогового напряжения от температуры.
График отсюда:
На малых токах, если один кусочек транзистора нагрелся сильнее остальных, там повышается концентрация носителей заряда, и за счёт этого снижается пороговое напряжение, т.е этот кусочек "приоткрывается" сильнее. И дальше - пошло-поехало по накатанной схеме.
Получается примерно так: самые современные полевые транзисторы при той же ёмкости затвора имеют существенно меньшее сопротивление открытого канала, но за это приходится расплачиваться "потерей стабильности" - и пресловутым вторичным пробоем.
При нынешнем засилье импульсных (ключевых) устройств повсюду - источники питания, усилки класса D, контроллеры бесколлекторных двигателей и пр. - такой компромисс действительно оправдан. Мало кому теперь хочется рассеивать на транзисторе мощность, гонять его в "линейном режиме". Транзистор либо открыт, либо закрыт, и лишь на считанные микросекунды находится в переходном процессе из одного состояния в другое. Да, этот переходный процесс теперь стал нестабильным, зато такие транзисторы обладают малой ёмкостью, поэтому через этот опасный режим очень шустро перескакивают.
Вот область безопасной работы "современного" силового МОП-транзистора:
Надо это учитывать, если всё-таки транзистор понадобился в линейном режиме, например, старый добрый УМЗЧ забабахать особенно большой мощности, с питающим напряжением в 50+ вольт. Или, как в моём случае, когда транзистором захочется ограничить пусковый ток в устройство. На выходе этого транзистора стоят приличные ёмкости, и пока они не зарядились, всё напряжение (вплоть до 35 вольт) падает на транзисторе, и характерное время здесь - миллисекунды-десятки миллисекунд.
Впрочем, лично мне пока переживать не о чем. Отечественные МОП-транзисторы немного туговаты в плане емкостей (нанофарады - ЛЕГКО, если речь идёт о десятках ампер), но такой фигнёй они не страдают!
2born на заметку, если захотим выпустить Радиофизику и электронику для начинающих, издание исправленное и дополненное. Тот нечастый случай, когда учебники приходится переписывать! Хотя уже не помню, кажется, мы так глубоко, всё же, не забирались.