такой защиты служит схема рис. 6-6, где используется пробой эмит-терно-базового диода, который присоединяется между выходом стабилизатора и землей и предотвращает поБЫщение выходного напряжения больше 6,3 В.

Защита от перегрева необходима для предохранения монолитной пластинки со схемой от повреждений, обусловленных длительной работой схемы при повышенной температуре. Повышение температуры может произойти по двум причинам: нагрев самой схемы или повышенная температура окружающей среды. Такая защита ослщест-вляется введением специальных устройств, которые автоматически отключают мощную схему, если температура переходов на монолитной пластинке превысит максимально допустимую (обычно -Ы75°С). На рис. 6-11 показано устройство тепловой защиты, которое изготовляется на одной монолитной пластинке вместе с усилителем мощности рис. 6-8. Транзистор Tg в нормальном состоянии закрыт. Когда напряжение С/о, зависящее от температуры, на коллекторе транзистора станет достаточно большим (т. е. С/о=2(/дэ), транзисторы Гу и Ts открываются. При открытом положении транзистора Тв усилитель мощности закрывается б>г1агодаря шунтированию тока смещения.

Зависящее от температуры напряжение Uq получают следующим образом. Если обратиться к рис. 6-11 и предположить, что напряжения на всех открытых диодах одинаковы и равны С/оэ, то ток коллектора /б приблизительно будет равен С/бэ ?5. Тогда напряжение Uo можно записать в виде

и,и-ибэ-, (6-15)

где напряжение U, при котором транзистор 78 начинает открываться, можно рассчитать из (6-15), подставляя значение Uo=2Us-

Uz{U,.s) = (/бэ1.) (2 + . (6-16)

Рис 6-11. Схема тепловой защиты усилителя моадаости.

Напряжение Uz и падение напряжения на открытом диоде изменяются линейно с температурой со скоростью, зависящей от соответствующего температурного коэффициента Oz и о/оэ- Значения величин Uz и С/бэ при температуре отключения схемы можно связать с их значениями, соответствующими комнатной температуре (о = 25°С), Uzo и С/бэо, следующими соотношениями:

Uzifanw) = (/го [1 + аг(откл - о)];

(6-17)

(/бэ(откл)= (/бэо [1 -\- ЯбзСсткл - о)].

(6-18)

Для данного конкретного технологического процесса изготовления интегральной схемы значения величин (/го, С/бэо, az и а-оэ легко определить и они хорошо воспроизводимы. Поэтому заданная температура отключения откл может быть установлена из уравнения (6-16) путем выбора соотношения сопротивлений резисторов RelRb- Из уравнений (6-16), (6-17) и (6-18) требуемое значение отношения сопротивлений резисторов для заданной температуры выключения откл можно выразить следующим уравнением:

1 -f- аг(откл - о)

бэо L 1 -Ь«бэ(/откл-М

(6-19)

Наиболее часто значение температуры выключения выбирается

+ 175С. При условии хорошо регулируемого производственного процесса заданная величина откл обеспечивается в пределах ±10°С.

6-5. МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ОТКАЗОВ В СХЕМАХ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Существуют два вида отказов, специфичных для монолитных устройств и для схем, работающих при больших мощностях. Такими отказами являются так называемый вторичный пробой и явление электромиграции. Вторичный пробой представляет собой явление тепловой нестабильности, встречающейся в мощных биполярных транзисторах, которая приводит к переключению транзистора в режим работы при малом напряжении и большом токе и в конечном итоге к ухудшению характеристик транзистора или (Полному нарушению его работоспособности. Явление электромиграции заключается в физическом движении атомов металла в слое соединительной металлизации, которое может привести к обрыву электрических цепей.

Вторичный пробой

Явление вторичного пробоя происходит из-за неравномерного распределения тока по площади переходов транзистора при большой мощности. Это приводит к неравномерному нагреву и образованию локальных «горячих точек» на переходе. Эффективность инжекции эмиттера очень быстро возрастает с повышением температуры. Поэтому образование локальных горячих точек приводит к еще большей неоднородности распределения тока и, следовательно, еще к большему локальному нагреву. Таким образом, локальная плотность мощности и температуры могут достигать очень больших величин, несмотря ни на какие внешние устройства стабилизации. Если температура перехода при данном токе и напря-

жении достигает критического значения, то при этом происходит вторичный пробой и мощный транзистор становится по существу замкнутым накоротко.

Вторичный пробой является сложной функцией тока коллектора /к и напряжения, приложенного между коллектором и эмиттером бкэ- Величина тока коллектора, при которой происходит начало вторичного пробоя, имеет значительно меньшую величину при высоких напряжениях. Например, мощный транзистор, предназначенный для работы при токе 3 А и напряжении 30 В, при повышении напряжения до 50 В сможет работать при токе только 1 А. Таким образом, для каждого типа мощных транзисторов на его вольт-амперных характеристиках необходимо определить пределы области безопасной работы и обеспечить, чтобы рабочие токи и напряжения в любой момент не выходили за эти пределы. Для усилителей мощности, работающих в классе Б, полезным правилом является следующее: выбирать такие транзисторы, которые могут работать при максимально возможном токе в режиме короткого замыкания и при напряжении, равном половине напряжения источника питания, и в этом режи.ме не наблюдается явления вторичного пробоя. Распределение тока в эмиттерной области мощного транзистора также можно улучшить путем правильного размещения элементов монолитной схемы и применением «балластных» резисторов. Эти вопросы рассматриваются в следующем параграфе.

Электромкграция

Явление электромиграции заключается в переносе массы, которое наблюдается в металлах при больших плотностях тока. При этом атомы металла мигрируют из точки с большей плотностью тока. Такое явление может привести к нарушению целостности проводника, на-

пример алюминиевой соединительной металлизации на монолитной пластинке, и к обрыву цепи в точке наибольшей плотности тока. Процесс электромиграции протекает достаточно медленно, но ускоряется при повышении плотности тока и температуры и уменьшении поперечных размеров проводника. Электромиграция начинается с образования пустот в полосках металлического проводника и заканчивается полным обрывом в цепи.

Приближенное выражение для расчета среднего времени до отказа- ср проводящей металлической пленки можно записать в следующем .виде:

te\ (6-20)

где К - коэффициент пропорциональности; /-плотность тока; W- ширина проводника; d - толщина проводника; Ф - энергия активации, зависящая от типа и размеров зерна металла; k - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина.

Для алюминия энергия активации, при которой наблюдается явление электромиграции, находится в пределах от 0,48 эВ (при мелкозернистой структуре) до 1,2 эВ (при крупнозернистой правильной структуре). Электромиграция - это процесс типа износа, медленно приводящий к отказам, аналогично отказам, которые возникают из-за усталости металла, испытывающего механические нагрузки.

Как видно из уравнения (6-20), возникновение отказов из-за электромиграции представляет экспоненциальную функцию температуры и поэтому становится особенно значительным при высоких температурах. Необходимо также отметить, что так как плотность тока / обратно пропорциональна площади поперечного сечения, то при заданном уровне тока эффект электромиграции увеличивается пропорционально третьей степени площади поперечного сечения.

Для обеспечения приемлемой надежности в мощных монолитных схемах (среднее время на отказ /ср~10 ч~10.лет) плотность тока в соединительной металлизации не должна превышать 5X1 ХЮА/см. Например, при толщине полосок алюминиевой соединитель-ной металлизации 0,6 мкм через них не должен протекать ток более 60 мА на 0,025 мм ширины проводящей полоски. При этом среднее время на один отказ, обусловленный явлением электром,играции, будет составлять более 10 лет.

£-6. СООБРАЖЕНИЯ ПО Т0П0Л01ИИ МОЩНЫХ МОНОЛИТНЫХ СХЕМ

В мощных монолитных схемая выходные мощные транзисторы являются определяющими элементами. Поэтому проектирование и размещение мощных транзисторов на монолитной пластинке требуют особого внимания. В большинстве случаев более половины площади кремниевой пластинки отводится для мощных транзисторов, а для размещения маломощных схем управления и обработки сигналов остается меньшая часть.

При больших токах инжекция носителей почти полностью происходит по краям эмиттерной области. Для увеличения периферийной части эмиттера используют эмиттерные и базовые области гребенчатой формы с большим отношением периметра к площади. Однако при проектировании гребенчатой эмиттерной области необходимо учитывать падение напряжения на металлических соединительных полосках. Так как вольт-амперная характеристика, эмиттерно-базового перехода имеет экспоненциальный характер, плотность инжектируемого эмиттером тока уменьшается в 2 раза на каждые 18 мВ падения напряжения на проводниках, соединяющих выступы эмиттерной области. В случае применения алюминиевой соединительной металлизации, имеющей