Vad är Thermal Runaway i en transistor?

Termisk språng i en transistor är ett kritiskt fenomen som varje elektronikingenjör, hobbyist och alla som handlar med transistorer bör förstå. Som transistorleverantör har jag bevittnat första hand effekterna av termisk språng på kretsprestanda och tillförlitlighet. I det här blogginlägget kommer jag att fördjupa vad Thermal Runaway är, dess orsaker, effekter och hur man kan förhindra det.

Vad är Thermal Runaway?

I sin kärna är Thermal Runaway en själv - accelererande process där en temperaturökning leder till en ytterligare ökning av temperaturen, vilket potentiellt orsakar skador på transistorn och hela kretsen. För att förstå detta bättre måste vi titta på de grundläggande egenskaperna hos en transistor. En transistor, som du kan lära dig mer om på [Transistor] (/Power - Semiconductor - Device/Transistors/Transistor.html), är en halvledaranordning som kan förstärka eller växla elektroniska signaler och elektriska effekt.

Driften av en transistor genererar värme på grund av flödet av ström genom dess korsningar. Kraften som sprids i en transistor ges av produkten från samlaren - emitterspänning ($ v_ {ce} $) och samlarströmmen ($ i_ {c} $), dvs. $ p = v_ {ce} \ gånger i_ {c} $. Denna kraftfördelning får transistorns temperatur att stiga.

Orsaker till termisk flykt

1. Positiv temperaturkoefficient för kollektorns ström

Samlarströmmen för en transistor har en positiv temperaturkoefficient. Detta innebär att när temperaturen på transistorn ökar ökar också samlarströmmen. Förhållandet mellan samlarströmmen och temperaturen kan vara ganska komplicerat, men i allmänhet får en ökning av temperaturen att fler laddningsbärare är tillgängliga för ledning, vilket leder till en ökning av kollektorströmmen.

Matematiskt kan samlarens nuvarande $ i_ {c} $ uttryckas som en funktion av temperatur $ t $: $ i_ {c} (t) = i_ {c} (t_ {0}) \ gånger e^{\frac{E_{g}}{k}(\frac{1}{T_{0}}-\frac{1}{T})}$, where $I_{C}(T_{0})$ is the collector current at a reference temperature $T_{0}$, $E_{g}$ is the energy gap of Halvledarmaterialet och $ K $ är Boltzmann -konstanten.

När kollektorns ström ökar ökar också kraftfördelningen $ p = v_ {ce} \ gånger i_ {c} $. Denna ökning av kraftförstörelsen höjer transistorns temperatur ytterligare och skapar en positiv återkopplingsslinga.

2. Dålig värmeavledning

Om en transistor inte kyls ordentligt kan värmen som genereras under dess drift inte spridas effektivt. Detta kan hända om transistorn är monterad på en liten kylfläns eller om det inte finns tillräckligt med luftflöde runt transistorn. När värmen inte kan fly, fortsätter transistorns temperatur att stiga, vilket förvärrar problemet med att öka samlarens ström och kraftfördelning.

3. Hög tillförselspänning

En hög matningsspänning kan också bidra till termisk språng. När matningsspänningen är hög är också samlaren - emitterspänning $ v_ {ce} $ hög. Eftersom kraftavledningen är direkt proportionell mot $ v_ {ce} $, leder en hög tillförselspänning till att mer kraft sprids i transistorn, vilket ökar temperaturen och potentiellt utlöser termisk språng.

Effekter av termisk språng

1. Transistorfel

Den mest uppenbara effekten av termisk språng är transistorns misslyckande. När temperaturen stiger utöver transistorns maximala nominella temperatur kan halvledarmaterialet börja bryta ner. Detta kan få transistorn att korta kretsar eller öppna kretsen, vilket gör den värdelös. I vissa fall kan den överdrivna värmen till och med få transistorn att smälta eller ta eld fysiskt.

2. Kretsfel

En misslyckad transistor kan få hela kretsen att fungera. Om transistorn används som en förstärkare kan förstärkningsfaktorn förändras avsevärt eller utgångssignalen kan bli förvrängd. Om transistorn används som en switch kan den inte kunna slå på eller av ordentligt, vilket leder till felaktig drift av kretsen.

3. Minskad systemtillförlitlighet

Termisk språng kan också minska systemets totala tillförlitlighet. Om en transistor misslyckas på grund av termisk utflykt kan den behöva bytas ut, vilket kan vara tid - konsumtion och kostsam. Dessutom kan misslyckandet med en enda transistor orsaka att andra komponenter i kretsen är överdrivna, vilket potentiellt kan leda till ytterligare fel.

Förhindra termisk språng

1. Rätt värmesänkning

Ett av de mest effektiva sätten att förhindra termisk språng är att använda en korrekt kylfläns. En kylfläns är en passiv enhet som överför värme från transistorn till den omgivande miljön. Det fungerar genom att öka transistornas ytarea, vilket gör att mer värme kan spridas. När du väljer en kylfläns är det viktigt att ta hänsyn till transistorns kraftavledning, omgivningstemperaturen och det tillgängliga luftflödet.

2. Termiska hanteringstekniker

Förutom kylflänsar kan andra termiska hanteringstekniker användas för att förhindra termisk språng. Dessa inkluderar att använda fläktar för att öka luftflödet runt transistorn, använda termiska dynor eller fett för att förbättra den termiska kontakten mellan transistor och kylflänsen och utformar kretslayouten för att minimera värmen som genereras i närheten av transistorn.

3. Kretsdesignöverväganden

Korrekt kretskonstruktion kan också hjälpa till att förhindra termisk språng. Att använda ett ström - begränsande motstånd i samlarkretsen kan till exempel hjälpa till att begränsa samlarströmmen och minska kraftavledningen. Att använda en spänningsregulator för att säkerställa en stabil matningsspänning kan dessutom förhindra att transistorn utsätts för överdriven spänning.

4. Övervaknings- och skyddskretsar

Övervakning av temperaturen på transistor- och implementeringskretsar kan också vara effektiva för att förhindra termisk språng. Temperatursensorer kan användas för att övervaka transistornas temperatur, och om temperaturen överskrider en viss tröskel kan en skyddskrets aktiveras för att minska samlarströmmen eller stänga av transistorn.

Vår roll som transistorleverantör

Som transistorleverantör förstår vi vikten av att tillhandahålla högkvalitativa transistorer som är mindre benägna att termiska sprängda. Vi väljer noggrant halvledarmaterial och tillverkningsprocesser för att säkerställa att våra transistorer har stabila elektriska egenskaper och god termisk prestanda.

Vi erbjuder också teknisk support till våra kunder. Vårt team av experter kan hjälpa dig att välja rätt transistor för din applikation, ge råd om termisk hantering och hjälpa dig att utforma kretsar som är mer resistenta mot termisk språng.

Om du är på marknaden för transistorer inbjuder vi dig att kontakta oss för en upphandlingsdiskussion. Vi kan ge dig detaljerad produktinformation, prissättning och leveransscheman. Oavsett om du arbetar med ett litet hobbyprojekt eller en industriell applikation i stor skala har vi rätt transistorer för dig.

Referenser

1. Sedra, Adel S. och Kenneth C. Smith. "Mikroelektroniska kretsar." Oxford University Press, 2015.
2. Millman, Jacob och Christos C. Halkias. "Integrerad elektronik: analoga och digitala kretsar och system." McGraw - Hill, 1972.