Спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода

Реферат: Спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U , що включає вимірювання калібрувальної залежності UT, I при постійному прямому струмі I  Il  const крізь діод і температурах T  var , прямої вольтамперної характеристики (ВАХ) діода I  f U при заданій температурі експлуатації T  Ti ; і перебудову її у вигляді log I  f U з обчисленням перегріву T в залежності від значення робочого струму діода Ip і координат точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, причому калібрувальну залежність UT, Il  знімають при струмах Il  Ilm у межах лінійної ділянки ВАХ log I  f U , де Ilm - струмова координата точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f U до нелінійної, а величину T визначають за формулою: U , U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності UT, Il  , U  Uo ' Uo , U'  Uo  Uo " , Uo , Uo ' , Uo " - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, точки перетину прямої І  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної T  ділянки ВАХ в область значень Il  Ilm і точки перетину прямої I  Il з вольт-амперною характеристикою. UA 110340 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ РОБОЧОГО ПЕРЕГРІВУ КРИСТАЛА НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА UA 110340 U UA 110340 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі напівпровідникової електроніки і може бути використана для визначення температури перегріву активної області кристала напівпровідникових приладів при їх експлуатації. Відомий спосіб оцінки температури кристала світлодіоду безпосередньо під час його роботи [G. Hoogzaad, Н. Schmitz, W. Н. М. Langeslag, R. Surdeanu. LED driver circuit and method, and system and method for estimating the junction temperature of a light emitting diode. - US Patent No. 8278831 B2, 2012]. У ньому використовується залежність прямого падіння напруги на р-n переході від температури. Реалізація даного способу полягає в пропусканні крізь працюючий діод прямокутних імпульсів прямого струму, в яких значення струму в максимумі імпульсу Ihigh відповідає робочому струму світлодіода, а значення струму в мінімумі Ilow є вимірювальним струмом. Вимір прямого падіння напруги на переході здійснюється при проходженні вимірювального струму крізь перехід, а визначення температури кристала відбувається на основі знятої заздалегідь калібрувальної залежності або аналітичної моделі залежності падіння напруги від температури. У способі мається на увазі використання калібрувальних залежностей, якісно відповідних до даної марки діодів, або, в кращому випадку, конкретній партії даних приладів. Це суттєво знижує точність способу, оскільки характеристики діодів можуть дещо відрізнятися від зразка до зразка навіть у межах однієї партії. Більше того, використання аналітичної моделі залежності в даному способі припускає її лінійний характер, а отже однакову термочутливість у всьому температурному діапазоні, що, у свою чергу, також вносить похибку у результати вимірювання температури кристала. Крім того, для мінімізації похибки визначення температури в даному способі необхідно враховувати: вплив різниці між робочим та вимірювальним струмом на часову затримку акту вимірювання падіння напруги; значення теплової постійної часу для кожного матеріалу діодної структури; затримку вимірювання, що викликана як інерційністю процесу розсмоктування нерівноважного заряду неосновних носіїв, так і комутаційними перешкодами при переключенні з робочого струму світлодіода Ihigh на вимірювальний Ilow і назад. Все це ускладнює процедуру (процес) практичного застосування способу. Відзначимо також, що даний спосіб вимірювання робочої температури переходу заявлено тільки для світлодіодів, що обмежує його широке застосування. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб визначення величини перегріву кристала напівпровідникового діода [О.М. Деменський, С.Ю. Єрохін, В.О. Краснов, О.М. Лебедь, С.В. Шутов. Спосіб визначення величини перегріву кристала напівпровідникового діода. - Патент України на корисну модель UA № 102780 U, МПК (2015.01) H01L 21/00, Бюл. № 22, опубл. 25.11.2015. - прототип]. У цьому способі визначення величини перегріву кристала напівпровідникового діода також здійснюється за рівнем зниження прямого падіння напруги U . Для цього при заданій робочій температурі експлуатації вимірюють пряму гілку вольт-амперної характеристики (ВАХ) діода і перебудовують її в напівлогарифмічному масштабі. Далі визначають значення струмової координати точки переходу лінійної ділянки отриманої залежності до нелінійної. Потім вимірюють калібрувальну залежність UT, I при постійному прямому струмі I  const крізь діод, що відповідає знайденій струмовій координаті при значеннях температур починаючи від заданої і вище. Безпосередньо величину перегріву T обчислюють, знаючи диференційну струмову термочутливість, виміряну на калібрувальній залежності та величину прямого падіння напруги на діоді при заданій температурі. Даний спосіб дозволяє уникнути недоліків попереднього способу, однак, для визначення диференційної струмової термочутливості в цьому способі необхідним є вимірювання калібрувальної залежності UT, I при значенні постійного струму, що відповідає координаті точки переходу лінійної ділянки перебудованої ВАХ до нелінійної. Це значення є максимально можливим значенням струму, при якому основним джерелом тепла ще є активна область приладу, але вже стає помітним внесок послідовного опору діода, тобто об'ємних шарів кристала. При цьому граничному значенню струму на послідовному опорі також виділяється певна кількість джоулева тепла, величина якого хоча й менше, але вже може бути порівняна з величиною джоулева тепла, що виділяється на р-n переході. Це призводить до підвищеного джоулевого розігріву (саморозігріву) всього кристала, що вносить додаткову похибку у визначення диференційної струмової термочутливості і, відповідно, величини перегріву кристала. 1 UA 110340 U 5 В основу корисної моделі поставлено задачу створити більш точний спосіб визначення величини робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги. Це досягається тим, що у способі визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U , що включає вимірювання калібрувальної залежності UT, I при постійному прямому струмі I  Il  const крізь діод і температурах T  var , прямої вольт-амперної характеристики (ВАХ) діода I  f U при заданій температурі експлуатації T  Ti і перебудову її у вигляді log I  f U з обчисленням перегріву T в залежності від значення робочого струму діода Ip і координат точки переходу 10 лінійної ділянки ВАХ до нелінійної калібрувальну залежність UT, Il  знімають при струмах Il  Ilm у межах лінійної ділянки ВАХ log I  f U , де Ilm - струмова координата точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f U до нелінійної, а величину T визначають за формулою: U , U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності UT, Il  , U  Uo ' Uo , U'  Uo  Uo " , Uo , Uo ' , Uo " - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, точки перетину прямої І  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної T  15 20 25 30 35 40 45 ділянки ВАХ в область значень Il  Ilm і точки перетину прямої I  Il з вольт-амперною характеристикою. Істотною відмінністю запропонованого способу від прототипу є те, що вимірювання калібрувальної залежності UT, I для визначення диференційної струмової термочутливості здійснюється при постійному прямому струмі, значення якого менше значення струму Ilm , що відповідає значенню струмової координати точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f U до нелінійної. Це дозволяє знизити саморозігрів кристала при вимірюванні калібрувальної залежності UT, I у порівнянні зі способом-прототипом. Таким чином знижується похибка визначення диференційної струмової термочутливості, а отже і величини перегріву кристала T . Запропонований спосіб у порівнянні зі способом-прототипом дозволяє отримати більш точне значення робочого перегріву за рахунок використання більш точного значення диференційної струмової термочутливості. Проілюструємо спосіб, що пропонується, прикладом визначення температури перегріву активної області світлодіода, що випускається серійно та випромінює біле світло, при робочому струмі 0,03 А. Температура експлуатації (кімнатна температура) становила Ti  295 К . Для визначення температури перегріву вимірюють пряму гілку вольт-амперної характеристики світлодіода шляхом зняття значень струму, які відповідають прямій напрузі, що подається на діод. Значення напруги перебували в діапазоні від 0 до 3 В. За отриманими даними будують графік прямої гілки вольт-амперної характеристики в координатах log I  f U (див. Фіг. 1). На осі абсцис відкладають значення прямих напруг, а на осі ординат - відповідні їм значення струму в логарифмічному масштабі. На графіку визначають точку переходу лінійної ділянки вольт-амперної характеристики до нелінійної з координатами Uo ,Ilm  . Напруга Uo і струм Ilm склали 2,563 В та 1,438 мА відповідно. Далі будують пряму І  Ip , що відповідає заданому робочому струму 0,03 А і пряму (промінь), яка є продовженням лінійної ділянки вольт-амперної характеристики в область значень I  1438 мА . У точці перетинання цих прямих знаходять значення напруги Uo ' , яке , склало 2,689 В. 2 UA 110340 U Потім на графіку по точці перетинання прямої I  Il з вольт-амперною характеристикою при значенні струму Il  10 мкА (вимірювальний струм, вибраний з умови Il  Ilm ) визначають значення напруги Uo "  2,335 В . Далі проводять вимірювання калібрувальної залежності UT, Il  при постійному прямому 5 10 15 струмі Il  10 мкА у діапазоні температур від 295 до 400 К. Калібрувальну залежність було знято в наступних контрольних точках за температурою: 295, 320, 340, 360, 380,400 К (див. Фіг. 2.). Після цього з калібрувальної залежності UT, Il  визначають диференційну струмову термочутливість, яка склала s  2,505 мВ / К : Далі визначають значення U і U' : U  Uo ' Uo  2,689 B  2,563 B  0,126 B , U'  Uo  Uo "  2,563 B  2,335 B  0,228 B , У результаті, величина перегріву T , розрахована за формулою, що заявляється, склала: 0,126 В T   72,74 К . 0,228 В 3 2,505  10 В / К  295 К Таким чином, у порівнянні з відомими технічними рішеннями, запропонований спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги дозволяє підвищити точність вимірювань і характеризується простотою реалізації. Це обумовлює його широке застосування як при експлуатації напівпровідникових діодів, що випускаються серійно, так і при дослідженнях характеристик діодних структур, що розробляються. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U , що включає вимірювання калібрувальної залежності UT, I при постійному прямому струмі I  Il  const крізь діод і температурах T  var , прямої вольтамперної характеристики (ВАХ) діода I  f U при заданій температурі експлуатації T  Ti ; і 30 перебудову її у вигляді log I  f U з обчисленням перегріву T в залежності від значення робочого струму діода Ip і координат точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, який відрізняється тим, що калібрувальну залежність UT, Il  знімають при струмах Il  Ilm у межах лінійної ділянки ВАХ log I  f U , де Ilm - струмова координата точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f U до нелінійної, а величину T визначають за формулою: U , U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності UT, Il  , U  Uo ' Uo , U'  Uo  Uo " , Uo , Uo ' , Uo " - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, точки перетину прямої І  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної T  35 40 ділянки ВАХ в область значень Il  Ilm і точки перетину прямої I  Il з вольт-амперною характеристикою. 3 UA 110340 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4