Safe operating area

For effekthalvlederkomponenter (såsom (effekt) bipolar transistor, effekt MOSFET, thyristor eller IGBT), defineres safe operating area (SOA, sikkert driftsområde) hvor spænding og strøm betingelser forventes at kunne fungere uden selvdestruktion.^[1]

SOA bliver typisk præsenteret i transistor datablade som en kurve med V_CE (kollektor-emitter spænding) på førstekoordinaten og I_CE (kollektor-emitter strømmen) på andenkoordinaten; her refererer det sikre område (SOA) til området under kurven. Er der kun en SOA-kurve er det typisk for vedvarende Vce og Ice. SOA-specifikationen kombinerer de forskellige komponent begrænsninger — maksimal spænding, strøm, effekt, chip-temperatur, secondary breakdown — i én kurve, hvilket simplificerer design af beskyttelseskredsløb.

Illustration af *safe operating area* (SOA) af en bipolar effekt transistor. Enhver kombination af kollektorstrøm og spænding under linjen/kurven kan tolereres af transistoren. *Secondary breakdown* vises i højre side ved at kurven knækker anden gang.

Ofte vises også separate SOA-kurver for forskellige pulsbredder (1 ms pulser, 10 ms pulser, osv.).

Secondary breakdown

Secondary breakdown er en fejltilstand i bipolare effekttransistorer. Årsagen er større eller mindre følsomhed overfor forbedret ledningsevne for højere temperaturer i selve NPN-området eller PNP-området. I en effekttransistor med stort basisemitterareal og for visse betingelser af Ice og Vce over en vis tærskel, vil strømmen koncentrere sig i små områder kaldet hotspots i basisemitterarealet. Dette forårsager lokal opvarmning som er højere end den maksimale chiptemperatur, hvilket typisk forårsager kortslutning mellem kollektor og emitter. Dette leder ofte til destruktion af transistoren. Secondary breakdown kan både forekomme ved forward og reverse basisstyring.^[2] Undtagen ved lave kollektor-emitter spændinger, begrænser secondary breakdown kollektorstrømmen mere end for fast effekt for enheden.^[3]

Der findes bipolare effekttransistorer som fx ring-emitter transistorer (RET), multi-emitter transistorer (MET), perforeret-emitter transistorer, large area parallel transistorer (LAPT) og emitter ballast transistorer (EBT), der har væsentlig forbedret secondary breakdown.^[4]^[5]^[6] Large area parallel transistorer bliver bl.a. produceret af det japanske firma Sanken. Af meget kendte Hi-Fi transistorer med forbedret secondary breakdown er der fx: 2SC2922^[7], 2SA1216^[8] og 2SC3519^[9], 2SA1386^[10].

Her er et par eksempler på bipolare transistorer, som har ringe secondary breakdown: MJ802^[11] og MJ4502^[12]. Allerede ved 25V haves secondary breakdown-knækket, hvilket betyder, at transistoren MJ802, der kan tåles en afsat effekt på 200W når Vce=<25V, fx kun kan tåle en afsat effekt på ca. 50W ved 50Vce (aflæst fra datablad). Andre eksempler på transistorer med ringe secondary breakdown er NPN: BD435, BD437, BD439, BD441 - og PNP: BD436, BD438, BD440, BD442.^[13]^[14] Allerede ved Vce>20Vce sætter secondary breakdown ind.

Kilder/referencer

^ Tim Williams ,The circuit designer's companion 2nd ed.,Butterworth-Heinemann, 2004 ISBN 0-7506-6370-7, pp.129-130
^ L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682, pages 8-45 and 8-46
^ "SANYO Semiconductor Co., Ltd., Area of Safe Operation". Arkiveret fra originalen 16. juli 2012. Hentet 19. oktober 2018.
^ Udløbet patent: freepatentsonline.com: United States Patent 3704398: Multi-emitter power transistor having emitter region arrangement for achieving substantially uniform emitter-base junction temperatures
^ Udløbet patent: freepatentsonline.com: United States Patent 4151542 Citat: "...A transistor which has a plurality of ring emitter transistor...to provide for enhanced power handling capability of the transistor without a large reduction in its maximum current...", pdf
^ Forum tråd: diyaudio.com: Bipolar (bjt) transistor families for audio power output stages Citat: "...Until this day I don't find a describtion about the advantages and the disadvantages between all this technologies..."
^ 2SC2922 datablad
^ 2SA1216 datablad
^ 2SC3519 datablad
^ 2SA1386 datablad
^ MJ802 datablad
^ MJ4502 datablad
^ Datablad: BD435, BD437, BD439, BD441
^ Datablad: BD436, BD438, BD440, BD442

H. A. Schafft, J. C. French, Secondary Breakdown in Transistors, IRE Trans. Electron Devices ED-9, 129-136 (1962). online Arkiveret 14. oktober 2011 hos Wayback Machine
Michaël Bairanzade, Understanding Power Transistors Breakdown Parameters, OnSemi application node AN1628/D online
Apex technical document on operating power opamps within SOA

[1] Tim Williams ,The circuit designer's companion 2nd ed.,Butterworth-Heinemann, 2004 ISBN 0-7506-6370-7, pp.129-130

[2] L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682, pages 8-45 and 8-46

[3] "SANYO Semiconductor Co., Ltd., Area of Safe Operation". Arkiveret fra originalen 16. juli 2012. Hentet 19. oktober 2018.

[4] Udløbet patent: freepatentsonline.com: United States Patent 3704398: Multi-emitter power transistor having emitter region arrangement for achieving substantially uniform emitter-base junction temperatures

[5] Udløbet patent: freepatentsonline.com: United States Patent 4151542 Citat: "...A transistor which has a plurality of ring emitter transistor...to provide for enhanced power handling capability of the transistor without a large reduction in its maximum current...", pdf

[6] Forum tråd: diyaudio.com: Bipolar (bjt) transistor families for audio power output stages Citat: "...Until this day I don't find a describtion about the advantages and the disadvantages between all this technologies..."

[7] 2SC2922 datablad

[8] 2SA1216 datablad

[9] 2SC3519 datablad

[10] 2SA1386 datablad

[11] MJ802 datablad

[12] MJ4502 datablad

[13] Datablad: BD435, BD437, BD439, BD441

[14] Datablad: BD436, BD438, BD440, BD442

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]