Транзистор, который час назад спокойно работал в открытом корпусе усилителя, вдруг за несколько секунд начинает греться всё сильнее, корпус становится горячим на ощупь, а через мгновение раздаётся тихий щелчок и в воздухе появляется характерный запах горелого кремния. Внешне это выглядит как внезапная поломка, но на деле произошёл управляемый самой физикой полупроводника процесс, который в электронике называют тепловым разгоном. Разгон запускается не дефектом детали, а вполне закономерным следствием того, как устроен p-n переход: рост температуры кристалла снижает порог его открытия и увеличивает собственную утечку, ток растёт, кристалл греется ещё сильнее, и если вовремя не остановить этот замкнутый круг, он неизбежно заканчивается разрушением перехода.
Два температурно-зависимых параметра запускают петлю разгона
В основе явления лежат два хорошо измеримых эффекта, которые описываются в любом учебнике по физике полупроводников. Первый: напряжение открытия эмиттерного перехода Uбэ при постоянном токе коллектора падает с ростом температуры кристалла примерно на 2 милливольта на каждый градус, эффект хорошо воспроизводимый и почти не зависящий от конкретного типа транзистора, поскольку определяется зависимостью концентрации собственных носителей заряда в кремнии от температуры. Второй: обратный ток закрытого перехода, тот самый паразитный ток утечки, который принято обозначать Iко, растёт с температурой не линейно, а экспоненциально, примерно удваиваясь на каждые 8 10 градусов подъёма температуры кристалла. По отдельности оба эффекта выглядят безобидно, но вместе они образуют физический механизм, который на языке электроники превращается в положительную обратную связь: греется кристалл, значит либо снижается порог открытия перехода при том же управляющем напряжении, либо растёт паразитный ток утечки, в обоих случаях итоговый ток коллектора при прежних внешних условиях становится больше, чем был.
Рост тока коллектора превращается в дополнительное тепловыделение на том же кристалле
Ток коллектора, протекающий через транзистор при некотором напряжении коллектор эмиттер, рассеивает на кристалле мощность, равную произведению этого тока на напряжение, и вся эта мощность в итоге превращается в тепло внутри того же самого кусочка кремния, температуру которого мы обсуждали в предыдущем разделе. Если схема смещения устроена так, что напряжение база эмиттер задаётся практически независимо от температуры, например простым делителем напряжения без эмиттерного резистора достаточного номинала, то рост температуры кристалла по уже описанному механизму приводит к росту тока коллектора при неизменном заданном напряжении база эмиттер. Возросший ток означает возросшую рассеиваемую мощность, возросшая мощность через тепловое сопротивление кристалла относительно окружающей среды поднимает температуру кристалла ещё выше, а более высокая температура кристалла снова снижает эффективное напряжение открытия и увеличивает утечку, снова поднимая ток. Круг замкнулся: температура определяет ток, ток через мощность определяет температуру, и если коэффициент передачи этой петли по кругу превышает единицу, любое случайное отклонение от равновесия не затухает, а нарастает от цикла к циклу вплоть до разрушения перехода.
Тепловое сопротивление кристалл среда определяет, останется ли петля устойчивой
Формальный критерий устойчивости этой тепловой петли обратной связи выражается через тепловое сопротивление кристалл среда, которое принято обозначать Rt, и через скорость роста рассеиваемой мощности с температурой кристалла, обозначаемую как производная мощности по температуре dP по dT. Петля остаётся устойчивой, пока произведение теплового сопротивления на эту производную меньше единицы, то есть Rt умножить на dP по dT меньше 1, и становится неустойчивой, срываясь в разгон, как только это произведение превышает единицу. Смысл условия простой: тепловое сопротивление показывает, на сколько градусов поднимется температура кристалла при увеличении рассеиваемой мощности на один ватт, а производная мощности по температуре показывает, на сколько ватт вырастет рассеиваемая мощность при повышении температуры кристалла на один градус. Если один градус подъёма температуры вызывает такой прирост мощности, который через тепловое сопротивление снова даёт больше одного градуса подъёма, каждый следующий виток петли усиливает предыдущий, и процесс идёт вразнос по нарастающей геометрической прогрессии, причём с ростом номера витка петли счёт идёт уже не на секунды, а на доли секунды, поскольку сама реакция полупроводника на температуру нелинейна и ускоряется вместе с разгоном.
Расчёт критерия устойчивости на конкретном примере мощного транзистора без эмиттерного резистора
Возьмём для примера мощный транзистор с тепловым сопротивлением кристалл окружающая среда 10 градусов на ватт, что типично для прибора среднего класса мощности на скромном радиаторе, работающий в рабочей точке с током коллектора 1 ампер при напряжении коллектор эмиттер 10 вольт, то есть рассеивающий 10 ватт. Пусть схема смещения не имеет эмиттерного резистора, напряжение база эмиттер задаётся фиксированным делителем, и при повышении температуры кристалла на 10 градусов ток коллектора в такой схеме на практике вырастает примерно в полтора раза за счёт совместного действия падения порога открытия на 20 милливольт и роста утечки, то есть рассеиваемая мощность на этих же 10 вольтах коллектор эмиттер поднимается с 10 до 15 ватт, прирост 5 ватт на 10 градусов, или производная мощности по температуре около 0,5 ватта на градус. Произведение теплового сопротивления 10 градусов на ватт на эту производную 0,5 ватта на градус даёт ровно 5, что в пять раз больше единицы, критерия устойчивости, а значит такая схема гарантированно уходит в разгон при малейшем случайном повышении температуры кристалла сверх расчётной рабочей точки, и вопрос только в том, за какое время это произойдёт после включения питания или после кратковременного перегрева от внешнего источника тепла.
Второй пробой как финальная стадия разгона внутри одного и того же кристалла
Когда петля разгона набирает обороты, разрушение чаще всего происходит не равномерно по всей площади перехода, а в виде так называемого второго пробоя, локального теплового прогара в одной единственной точке кристалла. Причина в том, что даже на идеально изготовленном кристалле всегда существует микроскопический разброс плотности тока по площади перехода, и та точка, где ток изначально был чуть выше среднего, греется чуть сильнее соседних областей, а по той же самой экспоненциальной зависимости чуть более горячая точка пропускает ещё больше тока, чем соседние, ещё сильнее нагреваясь именно в этом месте. Процесс стягивания тока в одну точку, часто размером в доли квадратного миллиметра, идёт значительно быстрее, чем усредненный по всей площади перехода тепловой разгон, поскольку локальному пятну не нужно прогревать весь массив кристалла, только собственную крошечную окрестность, и в этой точке за микросекунды достигается температура плавления кремния, оставляющая после себя характерное точечное прожжённое пятно, видимое под микроскопом при вскрытии сгоревшего транзистора. Именно поэтому в паспортных данных мощных транзисторов отдельно приводится область безопасной работы, ограничивающая допустимое сочетание тока и напряжения не только по средней рассеиваемой мощности, но и с учётом склонности конкретной конструкции кристалла к стягиванию тока в точку при кратковременных импульсных нагрузках. На графике области безопасной работы это выражается дополнительным изломом кривой в верхней правой части, там, где одновременно высокое напряжение коллектор эмиттер сочетается с большим током: именно в этой зоне транзистор может выйти из строя от второго пробоя значительно раньше, чем нагреется до предельной средней температуры кристалла, и производитель закладывает в кривую заметный запас именно на случай короткого, но интенсивного импульса тока, способного локально прожечь кристалл прежде, чем сработает любая внешняя защита по средней мощности.
Почему германиевые транзисторы страдали от разгона заметно сильнее кремниевых
Проблема теплового разгона не абстрактная теория из учебника, а вполне конкретная причина, по которой германиевые транзисторы, доминировавшие в усилительной технике до середины шестидесятых годов, довольно быстро уступили место кремниевым, несмотря на более высокую по тем временам граничную частоту германия. У германия заметно меньше ширина запрещённой зоны по сравнению с кремнием, а обратный ток закрытого перехода экспоненциально зависит именно от этой величины, поэтому при одинаковой температуре кристалла обратный ток германиевого перехода на несколько порядков выше кремниевого, и предельная рабочая температура кристалла германиевого прибора ограничена уже 70 85 градусами, тогда как кремниевый спокойно работает до 150 175 градусов. Более узкий температурный запас в сочетании с изначально более высокой утечкой означает, что произведение теплового сопротивления на производную мощности по температуре у германиевых конструкций подбиралось к критическому значению единица гораздо быстрее и при гораздо более скромном перегреве, и разработчикам усилителей на германиевых транзисторах приходилось закладывать эмиттерные резисторы и термокомпенсацию практически в обязательном порядке, а не как факультативную меру предосторожности. Переход индустрии на кремний в бытовой и профессиональной звуковой технике объясняется отчасти именно этим: кремниевый переход при сравнимых токах и напряжениях банально даёт разработчику куда больший запас по устойчивости тепловой петли обратной связи, позволяя обходиться более простыми и дешёвыми схемами смещения без риска внезапного выхода усилителя из строя от небольшого превышения комнатной температуры в помещении, где стоит аппаратура.
Практические способы разорвать петлю положительной обратной связи по теплу
Инженеры компенсируют склонность биполярного транзистора к тепловому разгону несколькими проверенными десятилетиями приёмами:
- включают в цепь эмиттера резистор достаточного номинала, который создаёт собственную отрицательную обратную связь: рост тока коллектора увеличивает падение напряжения на этом резисторе, снижая эффективное напряжение база эмиттер самого перехода и тем самым противодействуя дальнейшему росту тока;
- устанавливают термокомпенсирующий диод или маломощный транзистор в цепи задания смещения в тепловом контакте с тем же радиатором, что и силовой транзистор, чтобы напряжение смещения падало вместе с ростом температуры корпуса синхронно с падением порога открытия самого силового перехода, а не оставалось постоянным;
- снижают тепловое сопротивление кристалл среда за счёт более мощного радиатора и принудительного обдува, поскольку по уже разобранной формуле именно это сопротивление входит множителем в критерий устойчивости, и его уменьшение напрямую отодвигает схему от порога срыва в разгон;
- при параллельном включении нескольких транзисторов в одном силовом каскаде ставят индивидуальный эмиттерный резистор на каждый прибор, поскольку без такого резистора чуть более тёплый экземпляр в общей связке начинает забирать на себя непропорционально больше тока, разгоняясь по петле обратной связи в одиночку и в итоге сгорая первым, оставляя оставшиеся приборы ещё сильнее перегруженными.
Первый приём на практике даёт наибольший эффект при минимальных затратах: возвращаясь к примеру из предыдущего раздела, добавление эмиттерного резистора номиналом всего в несколько десятых долей ома способно снизить эффективный прирост тока коллектора при том же повышении температуры на порядок, переводя произведение теплового сопротивления на производную мощности по температуре из значения 5, гарантирующего разгон, обратно в область меньше единицы, где петля обратной связи остаётся устойчивой и температура кристалла стабилизируется на конечном, безопасном уровне вместо ухода в бесконечность.