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

結(jié)溫（Junction Temperature）是電子設備中半導體（晶圓、裸片）的實際工作溫度。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)溫可以衡量從半導體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻。

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

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

如果器件結(jié)溫超過最高工作溫度，器件中的晶體管就可能會被破壞，器件也隨即失效，所以應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)級產(chǎn)品一般規(guī)定范圍是-20~85℃，軍品或者汽車級能達到-40~125℃。

半導體結(jié)溫分析

結(jié)溫產(chǎn)生機制

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)補償，通過摻雜獲得,如下圖， P-type 摻雜和 N-type 摻雜接觸后，中間形成一個耗盡區(qū)（或者稱為空間電荷區(qū)，如下圖右上）；兩個的交接線周圍形成一個PN結(jié)（如下圖左上）。

PN結(jié) 結(jié)構(gòu)圖

PN結(jié)電子空穴復合發(fā)熱

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

復合頻率越高產(chǎn)生熱越高，隨之會加速載流子速率μ，電場E相對不變，復合率和結(jié)溫形成閉合正反饋，導致結(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不到100％, 即在工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（Hole）外，N區(qū)也會向P區(qū)注入電荷（Electron）；同樣也會導致結(jié)溫升高。

最后，器件兩端的陰極Cathode，陰極Athode 2個的歐姆接觸（ohmic contact）會產(chǎn)生熱量，兩端形成熱屏障，阻礙內(nèi)部的熱量更難及時通過熱傳導方式消散，同樣會導致內(nèi)部結(jié)溫升高。

如果希望保證器件工作正常，務必保證芯片結(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。

一個芯片結(jié)溫的估計值Tj，可以從下面的公式中計算出來：

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)手冊一般會提供）

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%為基準來進行熱量設計。

降低結(jié)溫的途徑：

1、減少器件本身的熱阻；

2、良好的二次散熱機構(gòu)；

3、減少器件與二次散熱機構(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)溫對半導體的影響：

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