Измерение температуры активных областей полупроводниковых приборов: Пособие для выполнения лабораторных работ в спецпрактикуме по теплофизике

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО “Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)”

ПОСОБИЕ для выполнения лабораторных работ в спецпрактикуме по теплофизике

Выпуск девятый Измерение температуры активных областей полупроводниковых приборов

Саратов 2007

Составители пособия: Новоселов Владимир Владимирович Морозов Сергей Владимирович

Оглавление Введение........................................................................................................... 1 1 Экспериментальные методы определения температуры активных областей полупроводниковых приборов.................................................. 3 1.1 Непосредственное измерение температуры поверхностей нагретых элементов конструкции с помощью малогабаритных термопар и термисторов......................................................... 3 1.2 Метод, основанный на применении термоиндикаторов ............. 4 1.3 Метод измерения температуры с использованием инфракрасного излучения ........................................................................ 6 1.4 Метод измерения температуры с помощью термочувствительных параметров .......................................................................10 1.4.1 Основные тепловые параметры полупроводниковых приборов ... .......................................................................... 10 1.4.2 Термочувствительные параметры диодов ........................ 11 1.4.3 Методика для измерения температуры в диодах и выбор термочувствительного параметра.......................... 13 2 Экспериментальная часть ........................................................................... 16 2.1 Описание измерительной схемы..................................................... 16 2.2 Подготовка к измерениям................................................................ 17 2.3 Проведение измерений.................................................................... 18 2.3.1 Калибровка термочувствительного параметра ................ 18 2.3.2 Измерения термочувствительного параметра в зависимости от мощности тепловыделения ............................ 18 2.4 Обработка результатов измерений ................................................. 19 Литература ....................................................................................................... 21

Введение Одним из основных факторов, определяющих надёжность и качество полупроводниковых приборов, является их тепловой режим. Известно, что с повышением температуры полупроводниковых приборов ухудшаются их электрические параметры и значительно снижается надёжность их работы, увеличивается уровень собственных шумов, падает надёжность механических соединений и уменьшается их вибростойкость. Перегрев активной зоны полупроводникового прибора выше допустимой для неё температуры приводит к тепловому пробою. Тепловой пробой, возникающий при перегреве полупроводникового кристалла, представляет собой процесс лавинного возрастания тока и температуры на одном из микроучастков его структуры. Такая лавинная локализация тока может быть объяснена тем, что при повышении температуры выше предельной, удельное сопротивление полупроводникового материала уменьшается, что приводит к положительной обратной связи процесса случайного увеличения тока вследствие его флуктуации. При температуре активной области кристалла полупроводникового прибора ниже её предельного значения флуктуации тока в структуре подавляются вследствие отрицательной обратной связи, так как в этом температурном диапазоне всякое локальное увеличение мощности рассеяния приводит к локальному возрастанию удельного электрического сопротивления. Именно по этим причинам уделяется большое внимание обеспечению необходимого теплового режима работы полупроводниковых приборов при их проектировании, а также при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. При этом конструктор может встретиться с двумя основными теплофизическими задачами: - по заданному электрическому режиму работы и условиям охлаждения подобрать теплофизические и геометрические параметры элементов конструкции полупроводникового прибора на этапе его проектирования; - определить интегральные теплофизические характеристики уже изготовленного прибора и выяснить возможность его эксплуатации в 1

тех или иных условиях (уровень рассеиваемой мощности, режим тепловыделения, температура окружающей прибор среды, условия теплооотвода от корпуса прибора). Подобные задачи могут быть решены как теоретически, так и экспериментально. При этом экспериментальные методы обладают существенными преимуществами перед теоретическими. Путём экспериментального измерения температуры активной зоны кристалла можно учесть неоднородность используемых материалов, нелинейность зависимости температуры от величины рассеиваемой мощности. Поэтому контроль интегральных теплофизических характеристик уже изготовленных приборов следует производить экспериментально. Кроме теплового пробоя причиной выхода полупроводниковых приборов из строя является зенеровский и лавинный пробой. Последние возникают из–за большой напряженности электрического поля вследствие большого обратного напряжения на p–n переходе. При этом носители заряда, движущиеся через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне p-n-перехода ионизируют их. В результате генерируются пары электрон-дырка. Вновь появившиеся носители заряда ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, могут вызывать ионизацию других атомов и т. д. Процесс ударной ионизации идёт лавинообразно и также увеличивается количество носителей заряда и обратный ток. При этом зенеровский пробой более вероятен для низковольтных (низкоомных) приборов, в тоже время как лавинный – для высоковольтных (сравнительно высокоомных). При обоих последних видах пробоя происходит так называемая потеря электрической прочности p-n перехода и если условия во внешней цепи прибора этому не препятствуют (она не высокоомна) то зенеровский и лавинный пробой переходят в тепловой с локальным проплавлением структуры кристалла и другими приметами катастрофического отказа прибора.

2

1. Экспериментальные методы определения температуры активных областей полупроводниковых приборов При анализе теплового режима полупроводникового прибора следует, прежде всего, выявить наиболее критичную в температурном отношении зону прибора. Наиболее критичными могут оказаться как зоны повышенного тепловыделения, так и элементы конструкции или кристалла изготовленные из материалов с малой термостойкостью. Зона повышенного тепловыделения может быть установлена с помощью анализа физических процессов работы прибора, так как согласно закону Джоуля-Ленца локализация электрического поля и тока в структуре кристалла полупроводникового прибора, а также рекомбинационные процессы в нём всегда влекут за собой и соответствующую локализацию области тепловыделения. Поэтому электронно-дырочные переходы, определяющие явление локализации электрического поля одновременно являются и зонами локального перегрева. Предварительно выявленная зона локального перегрева или участка с наименьшей термостойкостью является местом, температура которого измеряется в процессе эксперимента. Для измерения температуры в полупроводниковых приборах используются следующие методы, каждый из которых обладает достоинствами и недостатками: 1.1 Непосредственное измерение температуры поверхностей нагретых элементов конструкции с помощью малогабаритных термопар и термисторов (миниатюрных полупроводниковых резисторов, обладающих сильно выраженной зависимостью сопротивления от температуры). Основным достоинством этого метода является простота реализации. Однако его возможности очень ограничены. Прежде всего, следует отметить, что зоны тепловыделения сильно локализованы в объёме полупроводникового кристалла. Градиент температуры вблизи этих зон, как правило, велик, соответственно там велики и температурные перепады. Поэтому измерение температуры поверхности полупроводникового кристалла может дать лишь 3

ориентировочное представление о тепловом режиме зоны максимального перегрева. Кроме этого, сам датчик температуры в этом случае может существенно исказить температурное поле в месте измерения. Искажения температурного поля являются следствием изменения условий теплоотвода в месте измерения температуры и могут быть снижены путём уменьшения геометрических размеров датчика, диаметра соединительных проводов и электродов термопары. 1.2 Метод, основанный на применении термоиндикаторов (веществ, заметно изменяющих свой внешний вид при достижении некоторой определённой температуры). Термоиндикаторами могут служить многие вещества, которые представляют собой краски, лаки, порошки и покрытия. Термоиндикаторное покрытие наносится на поверхность полупроводникового прибора или его кристалла тонкой плёнкой. Изменение вида этой плёнки свидетельствует о достижении определённой температуры в процессе разогрева полупроводникового прибора. Различные термоиндикаторы служат для дискретной регистрации температуры или изменяют свой характерный вид непрерывно в некотором интервале температур. Некоторые термоиндикаторы изменяют свой внешний вид под воздействием химических реакций, происходящих в них при повышенной температуре. Недостатком этого вида термоиндикаторов является то, что характерные для них химические реакции протекают с конечной скоростью. Поэтому точность индикации существенно зависит от скорости подъёма температуры до регистрируемой и времени выдержки при этой температуре, что и обуславливает погрешности измерения температуры. К другому типу следует отнести термоиндикаторы, внешний вид которых при определённой температуре существенно изменяется за счёт происходящего в них фазового перехода. Такие термоиндикаторы обычно называют термоиндикаторами плавления. Температура фазового перехода является 4

в нормальных условиях стабильной величиной, поэтому индикация с использованием термоиндикаторов плавления более точна, чем при использовании термоиндикаторов предыдущего типа. Особым типом термоиндикаторов следует считать поверхностноградиентные покрытия на основе жидких кристаллов холестерического типа. Холестерические жидкие кристаллы представляют собой холестероловые сложные эфиры различных жирных органических кислот. Для регистрации температуры жидкие кристаллы наносятся на поверхность кристалла дискретного полупроводникового прибора или кристалла монолитной интегральной схемы тонкой плёнкой. Плёнка жидкого кристалла в процессе регистрации температуры освещается монохроматическим или белым светом. При этом длина волны отражённого света практически зависит только от температуры индикаторного покрытия и угла наблюдения. Последнее является следствием кристаллической анизотропии внутренней структуры жидких кристаллов и сильной зависимости этой структуры от температурного состояния его вещества. Соответственно температурному полю исследуемого объекта экспериментатор имеет возможность наблюдать тепловую картину, иллюстрирующую температурное состояние его поверхности. Предварительно осуществляется градуировка, с помощью которой могут быть сделаны не только качественные, но и количественные выводы о температуре поверхности. Преимуществами жидких кристаллов по сравнению с другими термоиндикаторами являются: - независимость термочувствительных характеристик от давления; - возможность их неоднократного использования при хорошей воспроизводимости результатов; - широкий рабочий диапазон визуально регистрируемых температур. Обычно вещества холестерических жидких кристаллов различного химического состава смешивают так, чтобы в широком температурном интервале при повышении температуры они изменяли свой цвет в видимом световом диапазоне последовательно от красного к фиолетовому. Использование 5

при индикации белого света повышает наглядность (интенсивность цветового изображения), но приводит к менее точному изображению температурного поля. Применение монохроматического освещения, наоборот, снижает наглядность, но повышает разрешающую способность. Последнее особенно важно при исследовании температурного поля вблизи сильно локализованных тепловых источников. 1.3 Метод измерения температуры с использованием инфракрасного излучения. Измерения температуры рабочих областей полупроводниковых приборов бесконтактным методом регистрации инфракрасного излучения практически стали возможны в начале 60-х годов. Все нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения. Это тепловое излучение охватывает широкий диапазон волн. С понижением температуры излучающего тела, согласно закону Вина, длина волны, на которую приходится максимальная спектральная интенсивность излучаемой энергии, смещается в сторону больших длин волн. Температурный диапазон работы полупроводниковых приборов ограничен значениями температуры, при котором излучение с их поверхности характеризуется в основном длинами волн инфракрасной области спектра. Принцип измерения температуры состоит в регистрации потока инфракрасного излучения, который пропорционален величине температуры и коэффициенту излучения. Приборы, измеряющие поток теплового излучения, позволяют по его величине оценить температуру объекта и отдельных его участков. Такие приборы называются радиометрами. Инфракрасные системы по их назначению разделяются на следующие классы:

6

1. Радиометры для измерения интегрального излучения от всей поверхности исследуемого объекта. При этом различные участки поверхности могут иметь неодинаковую температуру. 2. Радиометры для регистрации излучения от отдельных точек объекта, имеющих известную величину коэффициента излучательной способности. 3. Инфракрасные микроскопы для получения теплового поля объекта. Принципиального отличия между оптическими системами первого и второго классов не имеется. Инфракрасные системы, пригодные для исследования температуры и её распределения по переходу полупроводниковых приборов, отличаются в основном по чувствительности и разрешающей способности. Радиометр первого типа позволяет измерять среднюю температуру объекта. Радиометр второго типа (микрорадиометр) должен позволять перемещать объект в двух направлениях (от десятков до нескольких сотен микрон) и иметь приспособление для визуального наблюдения поверхности объекта. Более сложная система инфракрасного микроскопа позволяет преобразовывать невидимое инфракрасное излучение в видимое с помощью механического или оптико-механического сканирования и применения электроннооптических преобразователей и т. д. Применяется инфракрасный микроскоп для качественной и количественной оценки температуры в различных областях объекта. На рисунке 1 изображёна принципиальная схема инфракрасного микроскопа. Микроскоп включает в себя: источник излучения 1, оптическую систему 2 и 4, модулирующее устройство (систему сканирования) 3, приёмник 5, электронную систему для усиления сигнала 6 и измерительный прибор для измерения величины сигнала 7.

7

1

2

3

4

5 6

7

Рисунок 1. Принципиальная схема измерительного инфракрасного микроскопа. Основной частью инфракрасной оптической системы является объектив. Лучшее качество изображения даёт объектив, составленный из двух линз, имеющих различные коэффициенты преломления (например, Si + Ge, LiF + Si). Оптическая система может быть изготовлена также и на основе зеркальной оптики. Применение зеркальной оптики позволяет получить более чёткое изображение предметов в инфракрасных лучах, так как зеркальные объективы работают одинаково хорошо на всех длинах волн. Наиболее важной частью инфракрасной системы является приёмник инфракрасного излучения. Спектральные характеристики, форма и размер чувствительной площадки, быстродействие, внутреннее сопротивление и пороговая чувствительность в значительной степени определяют интервал измеряемой температуры, геометрические размеры исследуемого объекта или его областей, точность измерения, возможность измерения переходных тепловых характеристик и т. д. Чувствительность инфракрасной системы в значительной степени определяется собственными шумами приёмника. Излучение, сфокусированное оптической системой, подаётся на тепловой приёмник последовательно от различных участков поверхности исследуемого объекта. Для этого используется система сканирования. Система 8

сканирования представляет собой диск с прорезями, насаженный на вал электродвигателя. При вращении диска сквозь прорези в оптическую систему последовательно попадает излучение с различных участков поверхности. Сигнал, преобразованный тепловым приёмником в электрический, поступает на вход электронной схемы для усиления. С выхода электронной схемы усилителя сигнал подаётся на измерительный прибор. В качестве измерительного прибора используется осциллограф или самопишущий вольтметр. Измерительный прибор служит для регистрации и измерения характеристик температурного поля. Для регистрации двумерного поля измерительный прибор синхронизируется с механизмом развёртки. Часто используются дисплеи, на экранах которых отображается температурное поле исследуемой поверхности. На участках с повышенной температурой яркость свечения зачастую повышена и наоборот. Тепловые картины, полученные с помощью инфракрасных микроскопов, для измерения температур различных участков расшифровываются. Необходимость расшифровки заключается в том, что интенсивность инфракрасного излучения зависит не только от температуры, но и от коэффициента излучательной способности, который может оказаться существенно различным на поверхности кристалла интегральной схемы или полупроводникового прибора (участки с различной химической обработкой, золотой или алюминиевой металлизацией и другие особенности). В ходе расшифровки тепловое поле исследуемой поверхности сравнивают с полем некоторого эталонного образца или с полем той же поверхности, но имеющим специальное покрытие (тонкий слой газовой сажи, кремнийорганическая эмаль).

9

1.4 Метод измерения температуры с помощью термочувствительных параметров. Этот метод в настоящее время является наиболее точным и перспективным применительно к полупроводниковым приборам и интегральным схемам. 1.4.1 Основные тепловые параметры полупроводниковых приборов. Тепловые параметры полупроводниковых приборов позволяют определить допустимые пределы или диапазоны температуры окружающей среды и самих приборов, при которых гарантируется их надёжная работа. Ряд этих параметров связывает величину рассеиваемой в приборе электрической мощности с температурой его элементов. Важнейшим параметром для всех приборов является предельная температура p-n перехода (или p-n переходов). Выбор p-n перехода в качестве области с контролируемой температурой обусловлен тем, что нагрев её, как правило, получается максимальным. В условиях, когда в приборе теплота не выделяется, все его элементы имеют одинаковую температуру. Но если рассеиваемая прибором мощность не равна нулю, температура внутри полупроводникового кристалла и, в частности, в области p-n перехода выше окружающей. Для того чтобы производить оценку допустимости того или иного режима работы полупроводникового прибора, в технической документации указывается величина его теплового сопротивления. Тепловое сопротивление, характеризующее постоянную температуру полупроводникового прибора, определяется формулой:

RT =

t − t0 P

(1) , где

t – температура области p-n перехода, tо – эксплуатационная температура корпуса или окружающей корпус среды, P – мощность тепловыделения в приборе. 10

Для того чтобы найти температуру p-n перехода нужно знать эту тепловую характеристику: t = t0 + PRT . Поэтому предельно допустимая температура p-n перехода tпред = t0 + Pпред RT соответствует предельно допустимой мощности тепловыделения Pпред , которая, в свою очередь зависит от эксплуатационной температуры: Pпред =

tпред − t0 RT

Таким образом, именно тепловое сопротивление полупроводникового прибора, зависимое от его конструкции и условий охлаждения, определяет надежность, эксплуатационную температуру и предельные возможности. Найти тепловое сопротивление из (1) можно определяя t для неё экспериментально или путем расчета – теоретически. 1.4.2 Термочувствительные параметры диодов. Термочувствительными параметрами для измерения температуры в диодах, являются обратный ток p-n перехода - I R и прямое падение напряжения на p-n переходе - U F . Обратный ток диода состоит из нескольких компонентов: тока утечки, характеризующегося поверхностными энергетическими состояниями; тока, определяемого генерацией и рекомбинацией носителей в области пространственного заряда p-n перехода; и, наконец, тока насыщения или, как его иначе называют, теплового тока, который образуется в результате генерации носителей заряда в объёмах p- и n-областей на расстояниях от перехода, не превышающих диффузионной длины носителей. Анализируя отдельные составляющие обратного тока p-n перехода с точки зрения полупроводниковой электроники можно прийти к выводу о том, что все они, кроме теплового тока, или малы или слабо зависят от температуры. Поэтому при тех температурах, при которых диоды эксплуатируются, обратный ток представлен в основном тепловым током, который почти не зависит от напряжения, и равен, как и он 11

I R = w exp(−

Eq kT

ξT )

(2)

где w – малозависящий от температуры размерный предэкспоненциальный множитель, Eq – ширина запрещенной зоны полупроводника, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, ξ T – коэффициент зависящий от температуры

Таким образом IR зависит от температуры Т экспоненциально. Зависимость прямого падения напряжения на p-n переходе от температуры и обратного тока p-n перехода можно получить из выражения для вольт-амперной характеристики p-n перехода:

UF =

 kT  I F ln + 1 q  IR 

(3)

Здесь I F - прямой ток через p-n переход, q – заряд электрона. На рисунке 2 показан типичный пример зависимости прямого падения

Рисунок 2. Зависимость прямого напряжения от I F и Т для мощного германиевого сплавного диода

12

напряжения на p-n переходе UF от прямого тока I F и его абсолютной температуры Т, полученной экспериментально. С помощью таких зависимостей может быть определен так называемый температурный коэффициент напряжения (ТКН), который определяется производной: ТКН =

dU F dT

и как это видно из (3) логарифмически зависит от прямого тока через p-n переход ( I F ), а также технологии изготовления конкретных диодов и транзисторов. Величина ТКН различных типов диодов и транзисторов в ее зависимости от I F изменяется в пределах – 1 до 3,5 мВ·К-1. 1.4.3 Методика измерения температуры в диодах и выбор термочувствительного параметра. В общем случае процесс измерения температуры полупроводниковых приборов с использованием термочувствительных параметров состоит из двух последовательных операций: калибровки термочувствительного параметра и измерении термочувствительного параметра в его зависимости от мощности тепловыделения в приборе. Обе эти операции производятся в импульсном режиме, когда измерительный ток подается на прибор в режиме коротких и редких импульсов (с большой скважностью). Последнее необходимо, чтобы измерительный ток не вызывал собой заметного изменения температуры прибора. Калибровка термочувствительного параметра производится в термостате, куда помещается полупроводниковый прибор. Температура всех его элементов одинакова и считается равной температуре термостата. Зависимость термочувствительного параметра от температуры термостата определяется при протекании через полупроводниковый прибор только импульсного измерительного тока. Результаты измерений оформляются в виде калиб13

ровочных графиков зависимости термочувствительного параметра от температуры термостатирования. Выполнив калибровку, переходят к операции измерения термочувствительного параметра в рабочем режиме. При этом он определяется уже температурой разогрева прибора за счет его собственного тепловыделения. Величина термочувствительного параметра зависит от температуры активной области полупроводникового прибора, но не зависит от причин возникновения этой температуры. Поэтому безразлично, что стало причиной возникновения этой или иной температуры – нагрев в термостате или собственное тепловыделение. Этот принцип положен в основу всех косвенных методов измерения температуры в полупроводниковых приборах. Он может нарушаться для некоторых термочувствительных параметров, влияние на величину которых оказывает неравномерность температуры, возникающая при собственном разогреве полупроводникового кристалла. Методика измерения температуры в диодах по величине обратного тока IR используется редко ввиду сложности его измерения и неудовлетворительной точности её результатов. Для мощных диодов при хорошем отводе тепла от корпуса результат измерения температуры по обратному току может отличаться от истинной температуры p-n перехода в 1,5 – 2 раза. Это объясняется тем, что этот термочувствительный параметр даёт результат измерения температуры, усреднённой по тому объёму полупроводникового кристалла, в котором он измеряется. На характер усреднения влияет главным образом распределение температуры по объёму кристалла. Прямое падение напряжения UF как термочувствительный параметр получило наиболее широкое распространение для измерения температуры в диодах вследствие своих преимуществ перед обратным током перехода. Вопервых, параметр UF при постоянном токе IF линейно зависит от температуры в большом интервале изменения для всех типов полупроводниковых при-

14

боров, имеющих p-n переход. Во-вторых, температурные приращения параметра UF сравнительно легко измеряются.

15

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Описание измерительной схемы В данной лабораторной работе измерение температуры полупроводникового диода производится с помощью его термочувствительного параметра – прямое падение напряжения UF. Объектом теплофизического излучения выбран германиевый диффузионный импульсный диод марки Д311А. Принципиальная схема установки для измерения температуры изображена на рисунке 4.

Генератор разогревающего тока усилитель разогревающего тока

Осллограф мА

Генератор измерительного тока

Схема временного хранения усилитель измерительного тока Vп

термостат

Рисунок 4. Схема измерительной установки. Экспериментальная установка состоит из четырех модулей: 1. модуль генератора импульсов – формирует импульсы измерительного и разогревающего токов, а также сигналы синхронизации, управляющие работой всех компонентов установки. Модуль генератора импульсов содержит генератор опорных частот, генератор запускающих импульсов, генераторы и усилители импульсов измерительного и разогревающего токов, электронные схемы задержки и измерительную схему. Этот модуль предназначен для формирования импульсов измерительного и разогревающего 16

токов, а также вспомогательных импульсов синхронизации, необходимых для работы других компонентов установки. 2. модуль измерителя - содержит в себе импульсный вольтметр с внешней синхронизацией типа Ф-203 и схему временного хранения, обеспечивающую задержку измеряемого импульса на время, достаточное для измерения вольтметром его значения. Модуль измерителя предназначен для определения величины измерительного импульса в процессе эксперимента. 3. термостат – используется в процессе калибровки термочувствительного параметра для термостатирования исследуемого прибора при температуре от +30оС до +70оС; 4. осциллограф – используется для измерения амплитуды импульсов разогревающего тока. 2.2 Подготовка к измерениям Перед включением установки необходимо проверить правильность подключения соединительных проводов к блокам установки. Исследуемый полупроводниковый диод подключить к установке. Сначала включается термостат и прогревается до достижения его рабочим объёмом температуры +30°С. Затем включается осциллограф и прогревается в течение 10 минут. Переключатель «синхронизация» устанавливается в положение «внешняя 1:1», «чувствительность» - 5 мВ/дел, «развёртка» - соответственно выбранным параметрам импульсов. Тумблером «сеть» включается модуль измерителя. Регулятором «калибровка» выставляются на ноль показания импульсного вольтметра Ф-203. Тумблером «сеть» включается модуль генератора импульсов. Далее необходимо выбрать и установить значения следующих параметров: величина измерительного тока, длительность измерительного импульса, скважность измерительных импульсов. Регулятор «рег Ip» должен находиться в положении минимума, переключатель «измерение/разогрев» в положении «измерение». Установка готова к проведению эксперимента. 17

2.3 Проведение измерений 2.3.1 Калибровка термочувствительного параметра. Для проведения калибровки исследуемый полупроводниковый диод помещается в рабочий объём термостата и термостатируется в нём при определённой температуре. При этом генератор разогревающего тока должен быть отключен. В процессе калибровки изменения температуры внутренних областей диода должны происходить только за счет изменения температуры рабочего объема термостата. Производится измерение значения термочувствительного параметра с помощью импульсного вольтметра в модуле измерителя. Измерения проводятся в интервале температур от +30°С до +70°С через каждые 5°С. Результаты измерений заносятся в таблицу 1. Таблица 1 температура термостатирования, °С

30

35

40

45

50

55

60 65 70

значение термочувствительного параметра, В

По данным таблицы 1 строится калибровочная кривая – график зависимости термочувствительного параметра от температуры области p-n перехода. Поскольку зависимость прямого падения напряжения на диоде от температуры в рассматриваемом диапазоне температур практически линейна, то и полученный график должен быть линейным. По окончании процесса калибровки исследуемый диод извлекается из термостата и остужается до температуры окружающей среды. 2.3.2 Измерения термочувствительного параметра в зависимости от мощности тепловыделения. В процессе этих измерений полупроводниковый диод разогревается импульсами разогревающего тока регулируемой величины с малой скважностью. При этом изменение температуры области p-n перехода происходит только за счёт процессов тепловыделения, происходящего внутри прибора. Измерения значений термочувствительного параметра производятся при десяти различных значениях величины разогревающего тока в диапазоне 18

от 10 мА до 100 мА с шагом в 10 мА. Значения разогревающего тока IР отсчитываются по микроамперметру, расположенному в модуле генератора импульсов, амплитуда разогревающего импульса UР измеряется по шкале осциллографа. Значения термочувствительного параметра UF измеряются импульсным вольтметром, расположенным в модуле измерителя. Данные, полученные в процессе измерения, заносятся в таблицу 2. Таблица 2 7 8 9 10

№ измерения

1

IР, мА

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2

3

4

5

6

Up, мВ Р, мВт значение термочувствительного параметра UF, В

После установки очередного значения разогревающего тока полупроводниковый прибор должен быть выдержан в течение 3-5 минут для установления стационарного теплового режима. По данным таблицы 2 строится график зависимости термочувствительного параметра от мощности тепловыделения в приборе. 2.4 Обработка результатов измерений В процессе калибровки и измерений были получены две зависимости термочувствительного параметра: от температуры области p-n перехода прибора и от мощности тепловыделения в приборе. Используя эти зависимости и данные таблицы 2, нужно построить зависимость температуры области p-n перехода от мощности тепловыделения в приборе. Далее, для каждого значения мощности тепловыделения из таблицы 2 и соответствующей ей значения температуры термокритичной (области p-n перехода) области по формуле (1) раздела 1.4.1: RT = и результаты расчёта занести в таблицу 3.

19

t − t0 P

рассчитать RT = f (P )

Таблица 3 № измерения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Р, мВт t, °С RT, К/Вт

По данным таблицы 3 построить график зависимости термического сопротивления прибора от мощности тепловыделения в диоде.

20

Литература: 1. Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов Под ред. Н. Н. Горюнова, Москва, «Энергия», 1982 2. Г. Н. Дульнев, Н. Н. Тарновский Тепловые режимы электронной аппаратуры Москва, «Энергия», 1984 3. А. И. Курносов, Е. Е. Малицкая, В. В. Юдин К вопросу определения термостойкости кремниевых приборов «Вопросы радиоэлектроники» Полупроводниковые приборы, вып.3, 1977 4. С. И. Бреславский, С. М. Казакова Химические термоиндикаторы как средство индивидуального контроля тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры «Вопросы радиоэлектроники», сер. ТРТО, вып. 2, 1982 5. Р. Н. Гринберг, В. П. Лабзин Электрическое сопротивление термоиндикаторов плавления «Вопросы радиоэлектроники», сер. ТРТО, вып. 3, 1970 6. Фергасон Применение жидких кристаллов в испытаниях без разрушения образца «Зарубежная радиоэлектроника», вып. 10, 1979 7. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф Справочник по физике, Москва, «Наука», 1990 8. Ю. А. Селезнев Основы элементарной физики, Москва, «Наука», 1974

21