(完整版)晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系
所有半导体的失效机制都与温度有关所以结温越低
Section 7-2: Heat Dissipation
在功率管基板和heatsink之间的热阻与接触面的质量和尺寸，介质，接触压力有关。在散热器 上钻孔时要注意避免金属的毛边和扭曲，接触的啮合面应该很光洁。油漆抛光（paint finishes）的正常厚度最多为50um（为防止电解腐蚀），几乎不会影响热阻。功率管的case和 散热器表面不可能完美的平坦，所以只可能是一些点接触，剩余的区域有小的气隙。通过使用 软的物质来填充气隙，从而降低接触面热阻。正常情况下，用散热的复合物来填充气隙，在功 率管正常工作温度下共保留相当的粘性，并且有较高的热传导率。同时这种填充物也能防止接 触面上有湿气渗入。 heatsinking compounds由a silicone grease loaded with some electrically insulating good thermally conducting powder such as alumina. 当通过自然对流来降温时，接触面的 热阻Rth mb-h比起来（Rth j-mb+Rth h-amb）来说是很小的。然而，heatsink热阻Rth h-amb当 使用强制风冷或水冷时是很小的，因此，在功率管case和散热器间紧密的热接触是非常重要的。
Contact Thermal Resistance Rth mb-h：
Thermal Resistance Calculations:
图1a所示为不用散热器时,在junction和环境的整个热阻. Rthj_amb = Rth j_mb+ Rth mb_amb 然而,功率管一般会加装散热器,因为Rthj_amb一般不会小的足够保 持chip温度在所需水平下.图1b所示为当加heatsink时,整个的热阻: Rthj_amb=Rthj_mb+Rthmb_h+Rth h_amb. 注意从晶体管的case到surroundings通过Rthmb_amb直接散发的热损 耗相当小.决定heatsink尺寸和材质的第一步是计算最大的heatsink 热阻Rth h_amb来保持结温在desired value值以下.
半导体电阻率和温度的关系在实际中的应用
半导体电阻率和温度的关系在实际中的应用
半导体的电阻率与温度有一定的关系，通常可以表示为：
ρ = ρ0 * exp(α(T - T0))
其中，ρ为半导体的电阻率，ρ0为常数，α为温度系数，T为
温度，T0为参考温度。
这一关系在实际中有以下应用：
1. 温度传感器：利用半导体的温度系数，可以制作温度传感器，即根据半导体电阻率随温度变化的特性，来测量环境的温度。
例如，根据硅的温度系数制作的热敏电阻和热敏电阻器，常用于温度测量和控制。
2. 温度补偿：半导体器件的性能会随温度的变化而发生变化，使用半导体的温度系数可以进行温度补偿，从而提高器件的稳定性和精度。
例如，在电子电路设计中，通过测量半导体电阻率的变化来进行温度补偿，以确保电路的稳定工作。
3. 热敏元件：半导体的电阻率与温度的关系可以用于制作热敏元件，例如热敏电阻、热敏电流源等。
这些热敏元件可以根据温度的变化来控制电路中的电流、电压等参数。
4. 热管理：半导体电阻率与温度的关系可以用于热管理，即通过监测半导体器件的温度变化，来控制散热风扇、热散片等散热设备的工作状态，以保持器件在安全温度范围内工作。
总之，半导体电阻率与温度的关系在实际中具有广泛的应用，包括温度传感器、温度补偿、热敏元件和热管理等领域。
mosfet热阻k系数
mosfet热阻k系数MOSFET热阻是指MOSFET器件在工作中消耗的功率与其温度之间的关系，通常用热阻系数K来表示。
这个系数是一个重要的参数，能够帮助工程师评估和优化MOSFET器件的热管理和散热设计。
本文将详细介绍MOSFET热阻的概念、计算方法、影响因素以及如何优化热阻等相关内容。
首先，让我们了解一下MOSFET热阻的基本概念。
热阻是指两个接触表面之间的温度差与单位时间内的热流之间的比率。
对于MOSFET来说，热阻是指外部环境与MOSFET芯片之间的温度差与MOSFET芯片所消耗的功率之间的比率。
根据这个定义，我们可以用以下公式来计算MOSFET芯片的热阻：热阻= (Tj - Ta) / P其中，Tj表示MOSFET芯片的温度，Ta表示外部环境的温度，P表示MOSFET芯片所消耗的功率。
热阻的单位通常是摄氏度/瓦特（°C/W）。
MOSFET热阻系数K的值可以通过上述公式进行计算。
热阻系数K是指在单位温度差下，MOSFET芯片所消耗的功率的变化量。
它表示了MOSFET芯片的散热效率，数值越小表示散热效率越高，MOSFET芯片的温度上升越小。
计算热阻系数K的方法通常有两种：直流静态方法和交流动态方法。
直流静态方法是指在MOSFET器件处于恒定工作状态下，通过测量MOSFET芯片的温度和功率来计算热阻系数K。
交流动态方法是指在MOSFET器件处于动态工作状态下，通过测量MOSFET芯片的瞬时功率和温度响应来计算热阻系数K。
在实际应用中，进行热阻系数K的测量通常需要一些专用的测试仪器和方法。
根据测试的具体要求和条件，可以选择不同的测试方法和测试工具。
一般情况下，工程师可以使用热敏电阻、红外线测温仪、热像仪等设备来测试MOSFET芯片的温度。
同时，还需要测量MOSFET器件的电流和电压来计算功率。
除了直接测量，还可以通过模拟仿真来估算MOSFET芯片的热阻系数K。
利用电热耦合模型和热传导原理，可以建立MOSFET芯片的等效电路模型，并进行电热耦合仿真分析。
晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系
晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja下图是等效热路图：公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温， P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。
Rja表示结与环境间的热阻。
当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj 为150度。
一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。
比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。
把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。
一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。
公式变为：Tj=Tc+P*Rjc同样以2N5551为例。
59第4章_8BJT热阻与最大功耗
半导体器件物理(1)4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性功率BJT 即使工作电流未超过发射极条长允许的最大电流值、同时工作电压也未超过击穿电压BV CEO ，但是如果功耗过大或者发生二次击穿，也会导致器件的烧坏。
半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(1) BJT 器件功耗包括：EB 结上功耗I E V BE由于串联电阻R E 很小，流过R B 上的电流I B 很小，R C 上压降远小于V CB 4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗因此BJT 主要功耗为结上功耗：P C ≈I C V CB +I E V BE ≈I C V CE串联电阻R E 、R B 、R C 上功耗BC 结上功耗I C V CB半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(2) BJT 器件结温结上产生的功耗P C 将导致结温T j 上升4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗称为热阻，反映了热传递的难易程度。
→结与环境之间存在温差，产生热的传导传递的热流P Td 正比于结温与环境温度之差(T j -T amb )：j amb Td j amb(T T )P式中：j amb半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(3)稳定结温T j稳定时，结温T j 达到稳定值保持不变，使得功耗P C 通过热流全部散发，即4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗则结温达到稳定值为：C Td P =P j amb j amb(T T )j C j amb ambT P T 显然，对一定的功耗P C ，热阻越小，由于散发热量能力越强，结温越低。
半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性2. 最高允许结温与最大功耗(1) BJT 最高允许结温T jmax器件内部温度过高，本征载流子浓度将急剧增加，使得掺杂浓度较低的区域接近成为本征半导体，导致器件性能变差甚至失去器件功能此外温度过高对器件的可靠性也会产生明显不利影响4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗对Si 半导体器件，通常将控制在(150~200) ℃范围。
半导体电阻率随温度变化曲线
半导体电阻率随温度变化曲线
半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的原子结构。
半导体的电阻率随温度的变化而变化，这一特性使得半导体材料在电子器件、光电子器件、热敏器件等领域有着广泛的应用。
半导体材料的电阻率与温度之间的关系可以通过半导体电阻率随温度变化曲线来表示。
这个曲线通常分为三个阶段：
第一阶段，温度很低时，半导体电阻率随着温度的升高而下降。
这是因为低温下，半导体材料中的载流子浓度较低，随着温度升高，载流子浓度增加，从而导致电阻率下降。
第二阶段，温度继续升高，半导体电阻率随温度升高而增大。
这是因为当温度达到一定程度时，半导体材料中的载流子受到激发，形成电子空穴对，导致电阻率增加。
第三阶段，温度继续升高，半导体电阻率随温度升高而降低。
这是因为高温下，载流子浓度增加，导电能力增强，从而导致电阻率下降。
根据半导体材料的不同，电阻率随温度变化曲线可能呈现不同的特点。
纯半导体的电阻率随温度变化曲线通常具有负温度系数，即随着温度升高，电阻率下降。
而掺杂半导体的电阻率随温度变化曲线则较为复杂，可能出现先下降后上升的趋势。
半导体电阻率随温度变化的特性使得半导体材料在热敏电阻、光敏电阻和压敏电阻等电子器件领域有着广泛的应用。
半导体器件功率和温升的关系-概述说明以及解释
半导体器件功率和温升的关系-概述说明以及解释1.引言引言部分是文章的开头，旨在引起读者的兴趣并介绍主题。
在概述部分，我们可以简要介绍半导体器件功率和温升的概念，并提出本文的目的和结构。
以下是1.1 概述部分的内容：概述在现代电子器件中，半导体器件功率和温升是一个不可忽视的问题。
随着电子技术的不断发展和应用领域的扩大，半导体器件的功率要求越来越高，而温升问题也愈发凸显。
两者之间的关系是一个重要的研究领域，在工程实践中具有重要的指导意义。
本文旨在探讨半导体器件功率和温升的关系，进一步分析功率和温升的原因和影响因素。
在文章中，我们将首先对半导体器件功率的定义和测量方法进行介绍，以便为后续分析做好准备。
然后，我们将深入探讨温升的原因和影响因素，包括器件结构、工作条件和散热设计等方面的影响。
最后，根据前面的研究和分析，我们将总结半导体器件功率和温升的关系，并进一步讨论和分析其影响因素。
通过深入研究和探讨半导体器件功率和温升的关系，我们可以更好地理解和管理半导体器件的功耗和温度问题，为电子器件的设计、制造和应用提供指导性的参考。
同时，对于优化半导体器件的功率和温升性能也具有重要的指导意义。
接下来，我们将在正文部分对半导体器件功率的定义和测量方法进行详细介绍。
1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行讨论半导体器件功率和温升的关系。
首先，在引言部分，我们将对本篇文章的主题进行概述，简要介绍半导体器件功率和温升的关系，并明确文章的目的。
接下来，在正文部分，我们将分为两个小节进行讨论。
第一小节将着重介绍半导体器件功率的定义和测量方法。
我们将解释什么是半导体器件功率，在不同工作条件下如何测量功率以及常用的测量技术和仪器。
第二小节将探讨温升的原因和影响因素。
我们将介绍温升产生的原因，例如器件内部的功耗和热阻，以及外部环境对器件的影响。
同时，我们还将分析不同因素对温升的影响程度，探讨温升与功耗、材料特性等因素之间的关系。
半导体热阻问题深度解析(Tc,Ta,Tj,Pc)
不过要注意，热量在传导过程中，任何介质，以及任何介质之间，都有热阻的存在，当然热阻小时可以忽略。比如散热器面积足够大时，其与环境温度接近，这时就可以认为热阻为0。如果器件本身的热量就造成了周围环境温度上升，说明其散热片（有散热片的话）或外壳与环境之间的热阻比较大！这时，最简单的方法就是直接用Tc=Tj-P*Rjc来计算。其中Tc为壳温，Rjc为结壳之间的热阻。如果你Tc换成散热片(有散热片的话)表面温度，那么公式中的热阻还必须是结壳之间的加上壳与散热器之间的在加散热器本身的热阻！另外，如果你的温度点是以环境来取点，那么，想想这中间包含了还有哪些热路吧。比如，散热片与测试腔体内空气之间的热阻，腔体内空气与腔体外空气间的热阻。这样就比较难算了。
2、小功率半导体器件，比如小功率晶体管，小功率IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。（Rja=Rjc+Rca)。
同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温Tc =25℃时取得的。假设此时环境温度恰好是25℃，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25℃，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像 2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以，不带散热器的小功率半导体器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出Rja这个参数。
Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja
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晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：
Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja
下图是等效热路图：
公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温， P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。
Rja表示结与环境间的热阻。
当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式
Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：
2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj 为150度。
一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。
比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。
把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。
一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。
公式变为：
Tj=Tc+P*Rjc
同样以2N5551为例。
假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60℃，那么，Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！
按照降额0.012W/℃的原则，60℃时的降额为(60-25)*0.012=0.42W，
1.5-0.42=1.08W。
也就是说，壳温60℃时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。
假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150℃。
同样以2N5551为例。
知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式：
Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W，恰好等于规格书给出的实际热阻。
如果厂家没有给出25℃时的功率。
那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时（比如民品级的器件为70℃），再把数据代入：
Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。
有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150℃。
我还要作一下补充说明。
一、可以把半导体器件分为功率器件和小功率器件。
1、(大)功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其外壳到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。
功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175℃。
但是为了保险起见，一律可以按150℃来计算。
适用公式：
Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
设计时，Tj最大值为150℃，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。
2、小功率半导体器件，比如小功率晶体管，小功率IC，一般使用时是不带散热器的。
所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。
一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。
（Rja=Rjc+Rca)。
同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温Tc =25℃时取得的。
假设此时环境温度恰好是25℃，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25℃，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。
所以，不带散热器的小功率半导体器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。
一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出Rja这个参数。
2N5551的Rja厂家给的值是200℃/W。
已知其最高结温是150℃，环境温度为25℃时，求允许的功耗，可以把上述数据代入Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,从而得到，P=0.625W。
事实上，规格书中就是0.625W。
因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！
还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。
3、大功率晶体管的额定功率一般是指带散热器散热器足够大时且散热良好时的功率。
有时应用中大功率晶体管不带散热器来使用，那么此时其最大功率如何求呢？
以ON公司的BU406为例。
BU406的额定功率为60W(Tc=25℃)。
BU406的Rja为70℃/W，最大结温为150℃。
由Ta= Tj-P*Rja变形为P=(Tj-Ta)/Rja，把上述数据代人此公式可得，P=(150-Ta)/70。
比如环境温度为25℃时，其最大允许功耗为P=(150-25)/70=1.786W。
如果机器的最高使用温度为70℃，此时最大允许功耗为P=(150-70)/70=1.14W。
可见，尽管BU406的额定功率为60W，但是如果不加散热片使用，其在常温下时的功率不过才1.786W！
Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage = 最大反向峰值电压
Maximum RMS（均方根）vltage = 最大反向有效值电压
反激式变换器当开关管导通时，能量存储在励磁电感与漏感中，当开关管截止时，存储在励磁电感的能量传递到副边，而漏感中的能量无法传递到副边，而是损耗在开关管和RCD箝位电路上。
开关管S关断时，原边电流给开关管的寄生电容C S 充电，此时副边二极管D截止，如图2 a)所示。
当开关管寄生电容C S两端电压为V in时，开关管S截止，副边二极管D导通，副边电压反射到原边电压V OR，原边漏感电流瞬间给C S充电，同时对箝位电容C 1充电，如图2 b)所示
当漏感L S中能量完全释放后箝位电容C 1充电完毕，此时二极管D1截止，电容C 1、电阻R 1构成回路，存储在电容中的能量通过箝位电阻消耗掉，此时开关管S 截止，如图2 c)所示
当开关管S导通时，C 1继续通过R 1放电，副边二极管D截止，如图2 d)所示。