結(jié)溫,junction temperature,半導(dǎo)體結(jié)溫-KIA MOS管

結(jié)溫（Junction Temperature）是電子設(shè)備中半導(dǎo)體（晶圓、裸片）的實(shí)際工作溫度。它通常較封裝外殼溫度（Case Temperature）高。溫度差等于其間熱的功率乘以熱阻。

結(jié)溫可以衡量從半導(dǎo)體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時(shí)間以及熱阻。

最高結(jié)溫（Maximum junction temperature），器件結(jié)溫越低越好。

最高結(jié)溫會(huì)在器件的datasheet數(shù)據(jù)表中給出，可以用來(lái)計(jì)算在給定功耗下器件外殼至環(huán)境的熱阻。這可以用來(lái)選定合適的散熱裝置。

如果器件結(jié)溫超過(guò)最高工作溫度，器件中的晶體管就可能會(huì)被破壞，器件也隨即失效，所以應(yīng)采取各種途徑降低結(jié)溫或是讓結(jié)溫產(chǎn)生的熱量盡快散發(fā)至環(huán)境中。

首先必須保證芯片的結(jié)溫在其可以承受的范圍之內(nèi)。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品一般規(guī)定范圍是-20~85℃，軍品或者汽車級(jí)能達(dá)到-40~125℃。

半導(dǎo)體結(jié)溫分析

結(jié)溫產(chǎn)生機(jī)制

結(jié)溫主要產(chǎn)生在PN結(jié)區(qū)域。從PN結(jié)制造工藝上，核心原理是根據(jù)雜質(zhì)補(bǔ)償，通過(guò)摻雜獲得,如下圖， P-type 摻雜和 N-type 摻雜接觸后，中間形成一個(gè)耗盡區(qū)（或者稱為空間電荷區(qū)，如下圖右上）；兩個(gè)的交接線周圍形成一個(gè)PN結(jié)（如下圖左上）。

PN結(jié) 結(jié)構(gòu)圖

PN結(jié)電子空穴復(fù)合發(fā)熱

首先，電子空穴的復(fù)合也是一個(gè)發(fā)熱是結(jié)溫的主要熱源；復(fù)合遵循能量守恒原則，電子和空穴復(fù)合時(shí)應(yīng)釋放一定的能量，最后在內(nèi)部都轉(zhuǎn)換為熱能。

復(fù)合頻率越高產(chǎn)生熱越高，隨之會(huì)加速載流子速率μ，電場(chǎng)E相對(duì)不變，復(fù)合率和結(jié)溫形成閉合正反饋，導(dǎo)致結(jié)溫持續(xù)升高。

其次，PN結(jié)的工藝也不可能極端完美，電子/空穴的的注入效率達(dá)不到100％, 即在工作時(shí)除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（Hole）外，N區(qū)也會(huì)向P區(qū)注入電荷（Electron）；同樣也會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫升高。

最后，器件兩端的陰極Cathode，陰極Athode 2個(gè)的歐姆接觸（ohmic contact）會(huì)產(chǎn)生熱量，兩端形成熱屏障，阻礙內(nèi)部的熱量更難及時(shí)通過(guò)熱傳導(dǎo)方式消散，同樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)溫升高。

如果希望保證器件工作正常，務(wù)必保證芯片結(jié)溫在可承受范圍內(nèi)。

器件溫度散熱圖

結(jié)溫公式

結(jié)溫為：熱阻×輸入功率+環(huán)境溫度,因此如果提高接合溫度的最大額定值,即使環(huán)境溫度非常高,也能正常工作。

一個(gè)芯片結(jié)溫的估計(jì)值Tj，可以從下面的公式中計(jì)算出來(lái)：

Tj=Ta+( R θJA × PD )

Ta = 封裝的環(huán)境溫度 ( o C )

R θJA = P-N結(jié)至環(huán)境的熱阻 ( o C / W ) （數(shù)據(jù)手冊(cè)一般會(huì)提供）

PD = 封裝的功耗即功率 (W) 芯片功耗 = Pin-Pout

關(guān)于PD,例如如果輸入電流為12V，采用78M05進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓到5V，最大輸出電流為0.3A ,則78M05消耗的（最大）功耗為P=（12V-5V）x 0.3A=2.1W

推薦以Tj 的最高容許溫度的80%為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行熱量設(shè)計(jì)。

降低結(jié)溫的途徑：

1、減少器件本身的熱阻；

2、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；

3、減少器件與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝介面之間的熱阻；

4、控制額定輸入功率；

5、降低環(huán)境溫度；

結(jié)溫對(duì)半導(dǎo)體的影響：

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