способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов
Классы МПК: | G01R31/26 испытание отдельных полупроводниковых приборов |
Автор(ы): | Сергеев Вячеслав Андреевич (RU), Смирнов Виталий Иванович (RU), Юдин Виктор Васильевич (RU), Гавриков Андрей Анатольевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-08-04 публикация патента:
27.10.2010 |
Способ предназначен для использования на выходном и входном контроле качества полупроводниковых диодов и оценки их температурных запасов. На исследуемый диод подают импульсы греющего тока постоянной амплитуды. В промежутках между импульсами греющего тока пропускают постоянный начальный ток. Величину Q -1, обратную скважности импульсов греющего тока, изменяют по гармоническому закону с частотой . На частоте измеряют амплитуду изменения греющей мощности Pm1 ( ), амплитуду температурочувствительного параметра в промежутках между импульсами греющего тока и определяют сдвиг фаз между ними. Модуль теплового импеданса диода определяют по формуле
где КТ - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока. Фаза импеданса равна сдвигу фаз между температурочувствительным параметром и первой гармоникой. Технический результат направлен на повышение точности измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов. 2 ил.
Формула изобретения
Способ измерения теплового импеданса переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на р-n переход контролируемого диода импульсов тока постоянной амплитуды Im, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток, в определении величины греющей мощности Р и измерении изменения температурочувствительного параметра прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока, отличающийся тем, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока
,
где u - длительность греющих импульсов тока;
fсл - частота их следования,
изменяют по гармоническому закону с частотой , измеряют амплитуду изменения греющей мощности Pm1 ( ) и амплитуду - температурочувствительного параметра на частоте и сдвиг фаз между ними и определяют модуль теплового импеданса диода по формуле
,
где КТ - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока;
а фаза теплового импеданса равна сдвигу фаз между температурочувствительным параметром и первой гармоникой.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов и для оценки их температурных запасов.
Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра UТП, например прямого напряжения диода при пропускании через него малого измерительного тока (см., например, ГОСТ 19656, 18-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).
Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения UТП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из одного режима - режима разогрева, в другой - режим измерения (см., например, Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М: Сов. радио, 1980. С.51).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов (см. патент РФ № 2178893 на изобретение «Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов». /В.А.Сергеев, опубликовано 27.01.2002 г.), заключающийся в том, что на контролируемый диод подаются импульсы греющего тока постоянной амплитуды Im, определяют величину импульсной греющей мощности Pm, а в промежутках между греющими импульсами тока через диод пропускают постоянный начальный ток Iнач и измеряют изменение прямого напряжения диода, по величине которого и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода, при этом величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q -1= u·fсл, где u - длительность греющих импульсов тока, f сл - частота их следования, увеличивают по линейному закону Q-1=SQt с крутизной SQ, измеряют скорость изменения прямого напряжения диода при протекании через него начального тока и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле:
где KT - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании через него постоянного начального тока.
Недостатками известного технического решения является большая погрешность измерения теплового сопротивления, обусловленная малой крутизной изменения средней греющей мощности, и невозможность измерения теплового импеданса полупроводникового диода на заданной частоте изменения греющей мощности.
Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов.
Технический результат достигается тем, что на контролируемый полупроводниковый диод подаются греющие импульсы тока амплитудой Im, в промежутках между греющими импульсами тока через диод пропускают постоянный начальный ток Iнач и измеряют изменение прямого напряжения на диоде, по величине которого и определяют тепловое сопротивление полупроводникового диода. Отличие состоит в том, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q-1= u/Tсл= u·fсл, где u - длительность греющих импульсов тока, Т сл, fсл - период и частота их следования соответственно, изменяют по гармоническому закону вида где - среднее значение величины обратной скважности, а - коэффициент, определяющий глубину модуляции греющей мощности, - частота модуляции греющей мощности, измеряют амплитуду первой гармоники греющей мощности Рm1( ) и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра - прямого напряжения на р-n-переходе при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними ( ) на частоте модуляции греющей мощности, по измеренным значениям определяют тепловой импеданс полупроводникового диода на частоте модуляции греющей мощности по формуле:
Сущность предлагаемого решения состоит в том, что при подаче на полупроводниковый диод греющих импульсов тока амплитудой Im средняя за период следования греющих импульсов тока мощность , рассеиваемая диодом, определяется выражением
где Pm=ImU m - импульсная греющая мощность, Um - прямое напряжение диода, при протекании через него греющего импульса тока и при постоянной импульсной греющей мощности (Pm =const) средняя мощность будет изменяться по закону изменения величины обратной скважности Q-1(t)= u·fсл. При изменении Q-1 (t) по гармоническому закону вида средняя мощность будет также изменяться по гармоническому закону вида
где - постоянная составляющая греющей мощности, - первая гармоника изменения греющей мощности на частоте модуляции.
Известно, что в приближении одномерной линейной теплоэлектрической модели полупроводникового диода, представляющей m последовательно соединенных RC-цепочек, при разогреве полупроводникового диода переменной мощностью спектр температуры р-n перехода может быть представлен в виде
где Pm( ) - спектр греющей мощности, рассеиваемой полупроводниковым диодом, - тепловой импеданс диода, RTi, Тi - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени соответствующего слоя конструкции полупроводникового диода, ( ) - фаза теплового импеданса, равная сдвигу фаз между температурой и греющей мощностью (Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем. // Электронная промышленность. - 2004. - № 1. - С.45-48).
В результате через некоторое время после начала подачи греющих импульсов, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус Tn-к полупроводникового диода (t>3 Tn-к), в полупроводниковом диоде установится регулярный режим и температура Tп(t) p-n-перехода полупроводникового диода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения , изменяющегося с частотой модуляции греющей мощности:
где сдвиг фаз между переменной составляющей греющей мощности и переменной составляющей температуры p-n-перехода, -среднее значение температуры p-n-перехода, Tm - амплитуда гармонической составляющей температуры p-n-перехода на частоте модуляции греющей мощности. При выполнении условия f сл Тп-к>>1 величина пульсаций температуры p-n-перехода Tп(t) будет на несколько порядков меньше Т m: Tп(t)<<Tm (см., например, Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М: Энергия, 1967 г., с.100÷116). Поскольку прямое напряжение на p-n-переходе при малом токе линейно уменьшается с увеличением температуры с известным (отрицательным) температурным коэффициентом KT, то огибающая напряжения на p-n-переходе в паузах между греющими импульсами будет повторять (с обратным знаком) изменение переменной составляющей температуры р-n-перехода, а амплитуда огибающей с учетом (5) будет равна:
Откуда и получаем выражение (2) для теплового импеданса.
Погрешность определения теплового импеданса при известном температурном коэффициенте будет определяться погрешностью определения амплитуды гармоник и Рm1( ) сдвига фаз между ними. При использовании методов цифровой фильтрации, в частности быстрого преобразования Фурье, указанные погрешности определяются числом отсчетов (то есть числом греющих импульсов тока) за период TM=1/2 модуляции греющей мощности: n=TM/Tсл .
Возможны различные способы реализации гармонического закона изменения величины обратной скважности. Наиболее простым для аппаратной реализации является вариант широтно-импульсной модуляции греющих импульсов тока, когда частота их следования постоянна fсл=const, а длительность меняется по закону вида: uk= u0(1+acos t). Предлагаемый вариант способа может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.1, а эпюры, поясняющие принцип работы устройства, - на фиг.2.
Устройство содержит контакты 1 для подключения контролируемого диода, источник 2 постоянного начального тока Iнач , генератор греющих импульсов тока 3, устройство управления 4, управляемые аналого-цифровые преобразователи 5 и 6 и вычислитель 7.
Способ осуществляют следующим образом. После установки диода в контактную колодку 1 через него пропускают постоянный начальный ток Iнач от источника 2. Генератор импульсов 3 по сигналу устройства управления 4 начинает вырабатывать последовательность греющих импульсов тока заданной амплитуды Im и постоянной частоты fсл (фиг.2а), которые подаются в контролируемый полупроводниковый диод. Моменты времени tk=kTсл начала k-го импульса и его длительность uk= u0(1+acos tk) определяются управляющими импульсами U У1 (фиг.2б) и UУ2 (фиг.2в) устройства управления. Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус диода, в диоде установится регулярный режим и температура р-n-перехода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения (фиг.2г), изменяющегося по гармоническому закону. Изменение прямого напряжения Um(t) диода показаны на фиг.2д. Прямое напряжение диода подается на входы аналого-цифровых преобразователей 5 и 6. АЦП 5 преобразует в цифровой код прямое напряжение диода Um(t) во время протекания греющих импульсов тока в моменты времени , определяемые управляющими импульсами UУ3 (фиг.2е) устройства управления 4, где tom1 - некоторое фиксированное время задержки запуска первого АЦП. Цифровые отсчеты прямого напряжения диода Um(k) передаются в оперативную память вычислителя 7, где формируется массив значений прямого напряжения диода {U m(k)}. Второй АЦП 6 преобразует в цифровой код температурочувствительный параметр - прямое напряжение диода во время паузы между греющими импульсами тока при протекании начального тока Iнач в моменты времени , определяемые управляющими импульсами UУ4 (фиг.2ж) устройства управления, где tom2 - некоторое фиксированное время задержки запуска второго АЦП. Цифровые отсчеты передаются в оперативную память вычислителя 7, где формируется массив значений температурочувствительного параметра . Для повышения точности преобразование измеряемых величин осуществляется в течение нескольких (3-5) периодов модуляции греющей мощности и получают N=(3÷5)ТМ/Тсл цифровых отсчетов измеряемых величин. Вычислитель 7 вычисляет значения импульсной мощности для каждого k-го греющего импульса тока путем умножения Um(t) на значение амплитуды греющих импульсов тока Im:Pm(k)=Im·U m(k) и формирует массив значений импульсной мощности {P m(k)}. По массивам данных {Pm(k)} и методом дискретного преобразования Фурье вычислитель 7 определяет амплитуду и фазу гармоник греющей мощности Pm1 и P температурочувстсвительного параметра и T, далее вычисляет модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:
Класс G01R31/26 испытание отдельных полупроводниковых приборов