Тепловой пробой обусловлен перегревом р-п-перехода обратным током. Мощность, подводимая к переходу и нагревающая его, определяется обратным напряжением и обратным током :
Одновременно с нагревом выделяющееся в переходе тепло передается металлическому основанию корпуса, на котором закреплен кристалл. Значение отводимой мощности пропорционально разности температур перехода и корпуса и обратно пропорционально тепловому сопротивлению :
Тепловое сопротивление определяет перепад температур и , необходимый для отвода 1 Вт мощности от перехода в окружающую среду. Тепловое сопротивление рассчитывают по формуле:
где — теплопроводность материала (для кремния , для германия );
— толщина теплопроводящего слоя;
— площадь контакта кристалла с металлическим основанием.
В установившемся режиме мощность, подводимая к переходу, равна мощности, отводимой от него:
Решая это уравнение относительно температуры перехода, можно определить установившуюся температуру при данном напряжении на нем. Рассмотрим решение уравнения графическим методом. Для этого необходимо построить графики температурных зависимостей левой и правой частей уравнения (рис. 3.5).
Точки пересечения этих графиков являются корнями уравнения. При фиксированной величине зависимость выделяемой в переходе мощности от температуры имеет экспоненциальный характер. Зависимость отводимой мощности имеет линейный характер. Поэтому получаются две точки пересечения.
Первая из точек пересечения (точка А) соответствует устойчивому тепловому равновесию. В этой точке температура перехода равна и выполняется условие:
При случайном уменьшении температуры перехода количество отводимого тепла становится меньше количества выделяемого, переход разогревается и его температура повышается до . Если же температура перехода случайно возрастает, то количество отводимого тепла оказывается больше количества выделяемого и переход охлаждается.
Вторая точка пересечения (точка В) соответствует неустойчивому равновесию. В этой точке температура перехода равна , и выполняется условие:
Случайное повышение температуры выше приводит к тому, что количество выделяемого в переходе тепла оказывается выше количества отводимого, в результате чего начнется разогрев перехода и увеличение тока. При случайном уменьшении температуры переход будет охлаждаться, вследствие чего температура установится равной .
При повышении обратного напряжения график сдвигается вверх, и точки А и В сближаются, в конечном итоге сливаясь в одну (точка С). В этом случае графики и касаются, и выполняется условие
Такое состояние перехода является неустойчивым, то есть при случайном повышении температуры выше установившейся наступает разогрев перехода. Очевидно, что напряжение, соответствующее такому случаю, следует считать напряжением теплового пробоя.