12. Teplo, a jak se tranzistor zabije
Kapitola 1 skončila varováním: vodivost polovodiče roste s teplotou. Tady se to vrátí.
Tepelný řetěz
Ztrátový výkon vzniká na přechodu a musí se dostat do vzduchu. Cestou překonává řadu tepelných odporů, které se prostě sčítají — je to Ohmův zákon, jen s jinými jednotkami:
| úsek | značka | typicky |
|---|---|---|
| přechod → pouzdro | Rth,j-c | 0,5–2 K/W (TO-220) |
| pouzdro → chladič | Rth,c-s | 0,2–1 K/W (podle pasty) |
| chladič → vzduch | Rth,s-a | 1–20 K/W |
| bez chladiče (jen pouzdro) | Rth,j-a | 60–100 K/W |
Tepelný útěk
Teď to nebezpečné. U bipolárního tranzistoru s pevným UBE platí: teplejší přechod → větší proud → větší ztráta → teplejší přechod. Smyčka s kladnou zpětnou vazbou. Pokud se nezastaví, skončí to zničením — a nezastaví se sama.
Čím se zastaví: emitorovým odporem (větší proud = větší úbytek = menší UBE), tedy přesně tím, co dělá klidový bod stabilní v kapitole 8. Táž součástka řeší dva různé problémy.
SOA a druhý průraz
Katalog udává bezpečnou pracovní oblast (Safe Operating Area) — v souřadnicích UDS a ID vymezuje, co součástka snese. Omezují ji čtyři věci: maximální proud, maximální napětí, hyperbola konstantního výkonu a u bipolárů ještě druhý průraz.
Druhý průraz je lokální jev: proud se v čipu shlukne do místa, které je nejteplejší, tam se ohřeje ještě víc a shlukne se tam ještě víc proudu. Čip odejde v jednom bodě, přestože průměrný výkon byl v pořádku. Moderní MOSFETy tímhle netrpí — právě proto, že jejich odpor s teplotou roste a proud se sám rozprostře.
MOSFET topí 3,6 W, pouzdro TO-220 (Rth,j-c = 1,5 K/W), pasta 0,5 K/W, chladič 8 K/W, okolí 40 °C. Celkem 10 K/W → oteplení 36 K → přechod na 76 °C. To je v pořádku. Ale beze chladiče (Rth,j-a = 62 K/W) by to bylo 40 + 223 = 263 °C, tedy mrtvý tranzistor. Rozdíl mezi funkčním a spáleným obvodem je tady kus hliníku za dvacku.