Спосіб визначення перегріву кристала напівпровідникового діода

Реферат: Спосіб визначення перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U включає вимірювання прямої вольт-амперної характеристики діода I  f (U) при заданій температурі експлуатації T  Ti і перебудову її у вигляді log I  f (U) з наступним визначенням координат точки переходу I1m лінійної ділянки вольт-амперної характеристики до нелінійної і вимірюванням калібрувальної залежності U(T,I1) при постійному прямому струмі I1  I1m  const крізь діод у межах лінійної ділянки вольт-амперної характеристики log I  f (U) і температурах T  var , в якому величину перегріву T визначають за формулою: U , T  U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності U(T,I1) , U  U   U , o o U  Uo  Uo  ,  Uo , Uo , Uo  - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки вольт-амперної характеристики до нелінійної, точки перетину прямої I  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної ділянки вольт-амперної характеристики в область значень I  I1m і точки перетину прямої I  I1 з вольт-амперною характеристикою; причому координати точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної визначають шляхом вимірювання поблизу даної точки залежності диференціального опору діода від прямого струму R Д (I) , а значення струмової координати в шуканій точці переходу відповідає різкій зміні залежності R Д (I)  I  f (I) . UA 122011 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРЕГРІВУ КРИСТАЛА НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА UA 122011 U UA 122011 U 35 Корисна модель належить до галузі напівпровідникової електроніки і може бути використана для визначення температури перегріву активної області кристала приладів з p-n-переходом. Відомий спосіб визначення величини перегріву кристала напівпровідникового діода [Деменський О.М., Єрохін С.Ю., Краснов В.О., Лебедь О.М., Шутов С.В. Спосіб визначення величини перегріву кристала напівпровідникового діода. - Патент України на корисну модель № 102780 U, МПК (2015.01) H01L 21/00, Бюл. № 22, опубл. 25.11.2015], який включає наступні операції: вимірювання при заданій робочій температурі експлуатації прямої гілки вольтамперної характеристики (ВАХ) діода і побудову її в напівлогарифмічному масштабі, визначення струмової координати точки переходу лінійної ділянки отриманої залежності до нелінійної, вимірювання калібрувальної залежності напруги U від температури T при постійному прямому струмі I  const крізь діод, що відповідає знайденій струмовій координаті при значеннях температур T , починаючи від заданої і вище, обчислення перегріву T , ґрунтуючись на значенні диференційної струмової термочутливості (що визначена за калібрувальною залежністю) та величині прямого падіння напруги U на діоді при заданій температурі. Недоліком такого способу є вимірювання калібрувальної залежності при постійному прямому струмі I  const, що відповідає струмовій координаті точки переходу лінійної ділянки перебудованої ВАХ до нелінійної. Вимірювання при даному струмі обумовлює суттєву похибку у визначенні диференційної струмової термочутливості, (а отже і шуканої величини перегріву кристала), оскільки при цьому значенні струму на послідовному опорі досліджуваного діода виділяється кількість джоулева тепла, порівняна з величиною тепла, що утворюється на р-nпереході. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб визначення величини робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги. [Деменський О.М., Єрохін С.Ю., Краснов В.О., Лебедь О.М., Шутов С.В. Спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода. - Патент України на корисну модель № 110340 U, МПК (2016.01) H01L 21/00, Бюл. № 19, опубл. 10.10.2016. - прототип]. У вказаному способі спочатку здійснюють вимірювання прямої гілки вольт-амперної характеристики I  f (U) досліджуваного діода при заданій робочій температурі експлуатації T  Ti . Далі виконують побудову в напівлогарифмічному масштабі виміряної ВАХ діода log I  f (U) (див. Фіг. 1). Після чого з графіка визначають координати точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної. Потім вимірюють калібрувальну залежність падіння напруги U на діоді від температури експлуатації T при постійному прямому струмі I  I1  const крізь діод, причому калібрувальну залежність U(T,I1) знімають при струмах I1  I1m у межах лінійної ділянки ВАХ log I  f (U) де I1m - струмова координата точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної. Потім 40 обчислюють величину перегріву T в залежності від значення робочого струму діода Ip за формулою: U , T  U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності U(T,I1) , 5 10 15 20 25 30 U  Uo   Uo , U  U  U  , o o  Uo , Uo , Uo  - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, точки перетину прямої I  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної 45 50 ділянки ВАХ в область значень I  I1m і точки перетину прямої I  I1 з вольт-амперною характеристикою. Цей спосіб завдяки своїм технологічним особливостям дозволяє уникнути описаного вище недоліку способу-аналога. Однак, в даному способі (як і в способі-аналогу) визначення величини струму, що відповідає координаті точки переходу лінійної ділянки перебудованої ВАХ до нелінійної здійснюється графічним шляхом. Це ускладнює автоматизацію способу, оскільки значення, представлені для визначення точки переходу у вигляді графіка складні для комп'ютерної обробки і вимагають 1 UA 122011 U 5 10 втручання людини. Для комп'ютерної обробки більше підходить робота з числовими значеннями. Крім того, даний спосіб відрізняється більш високою похибкою визначення точки переходу, що є притаманним для будь-яких графічних методів визначення чисельних значень шуканих величин. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити ступінь автоматизації способу, а також точність визначення точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної в способі визначення величини робочого перегріву кристала напівпровідникового діода. Це досягається тим, що у способі визначення перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U , що включає вимірювання прямої вольтамперної характеристики діода I  f (U) при заданій температурі експлуатації T  Ti і перебудову її у вигляді log I  f (U) з наступним визначенням координат точки переходу I1m лінійної ділянки вольт-амперної характеристики до нелінійної і вимірюванням калібрувальної залежності U(T,I1) 15 при постійному прямому струмі I1  I1m  const крізь діод у межах лінійної ділянки вольтамперної характеристики log I  f (U) і температурах T  var , в якому величину перегріву T визначають за формулою: U , T  U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності U(T,I1) , U  U   U , o 20 25 30 35 40 o U  Uo  Uo  ,  Uo , Uo , Uo  - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки вольтамперної характеристики до нелінійної, точки перетину прямої I  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної ділянки вольт-амперної характеристики в область значень I  I1m і точки перетину прямої I  I1 з вольт-амперною характеристикою; при цьому координати точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної визначають шляхом вимірювання поблизу даної точки залежності диференціального опору діода від прямого струму R Д (I) , а значення струмової координати в шуканій точці переходу відповідає різкій зміні залежності R Д (I)  I  f (I) . Істотною відмінністю запропонованого способу є пряме інструментальне вимірювання залежності диференціального опору досліджуваного діода від прямого струму R Д (I) поблизу передбачуваної точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної. Отримані в результаті вимірювання числові значення диференціального опору безпосередньо придатні для комп'ютерної обробки на відміну від даних, що представлені в способі-прототипі у вигляді графічної залежності, яка вимагає додаткової операції оцифровування. Це сприяє підвищенню ступеня автоматизації запропонованого способу, а також забезпечує більш високу точність при визначенні точки переходу. Залежність R Д (I)  I  f (I) , що відповідає лінійній ділянці ВАХ діода у вигляді log I  f (U) (див. Фіг. 2) поблизу точки переходу, буде мати вигляд близький до горизонтальної прямої (див. Фіг. 2), оскільки значення диференціального опору в даному діапазоні робочого струму обумовлюється рекомбінаційними і дифузійними процесами в р-n переході, а вплив на R Д саморозігріву досліджуваного приладу дуже малий. При зростанні струму крізь діод відбувається збільшення впливу саморозігріву на значення R Д , що призводить до відхилення ВАХ від прямої лінії. Різкий стрибок залежності R Д (I)  I  f (I) , що становить більше 10 % від попередніх значень величини саме відповідає шуканій точці 45 переходу (див. Табл. 1 - точка, що відповідає I  6,113  10 5 А, на Фіг. 2 точка позначена символом "о"), коли саморозігрів досліджуваного приладу додається до дифузійних і рекомбінаційних процесів в p-n переході, здійснюючи на нього вплив, яким вже не можна знехтувати. 2 UA 122011 U 5 10 Проілюструємо спосіб, що пропонується, прикладом визначення температури перегріву активної області світловипромінюючого діода на основі GaP при робочому струмі 598 мкА. Для визначення температури перегріву вимірюють пряму гілку вольт-амперної характеристики світлодіода, фіксуючи значення струму, що відповідають прямій напрузі, яка подається на діод. Температура середовища випробувань (кімнатна температура) становила Та=297 К. Діапазон значень напруги - від 1,1 до 2,16 В. За отриманими даними будують графік прямої гілки вольт-амперної характеристики в напівлогарифмічних координатах log I  f (U) (див. Фіг. 1). Далі для визначення точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної, вимірюють залежність диференціального опору діода від прямого струму R Д (I) поблизу даної точки згідно ГОСТ 18986.14-85. Використовуючи отримані значення R Д від I , отримують залежність R Д (I)  I  f (I) . Результати проведених вимірювань і обчислень представлені в Таблиці 1. Для наочності отримані результати наведені також на Фіг. 2. Таблиця Залежність добутку R Д (I)  I від значення прямого струму I крізь діод I, А R Д (I)  I , мВ 43,818 42,478 43,818 47,833 65,101 67,334 75,243 83,004 -5 1,385•10 -5 2,022•10 -5 2,963•10 -5 4,325•10 -5 6,113•10 -5 8,004•10 -4 1,052•10 -4 1,329•10 15 З таблиці 1 видно, що різке збільшення (більше 10 %) залежності R Д (I)  I  f (I) відповідає 20 струму I  6,113  10 5 А. Таким чином струмова координата точки переходу I1m  6,113  10 5 А. Потім на графіку (див. Фіг. 1) визначають координату напруги Uo точки переходу лінійної ділянки ВАХ до нелінійної, величина якої склала 1,74 В. Далі будують пряму I  Ip , що відповідає заданому робочому струму 0,598 мА і пряму (промінь), яка є продовженням лінійної ділянки вольт-амперної характеристики в область значень I  6,113  10 5 А. У точці перетинання цих прямих знаходять значення напруги U  , яке o 25 30 склало 1,848 В. Потім з графіку по точці перетинання прямої I  I1 з вольт-амперною характеристикою при значенні струму I1  1 мкА (вимірювальний струм, вибраний з умови I  I1m ) визначають значення напруги U o   1,535 В. Далі проводять вимірювання калібрувальної залежності U(T,I1) при постійному прямому струмі I1  1 мкА у діапазоні температур від 297 до 463 К. Дана залежність була знята в наступних контрольних точках за температурою: 297, 313, 333, 373, 403, 433, 463 К (див. Фіг. 3.). Після цього з калібрувальної залежності U(T,I1) визначають диференційну струмову термочутливість, яка склала s  2,528 мВ/К: Далі визначають значення U та U : U  U   U  1848 В  1740 В  0,108 В , , , o 35 o U  Uo  Uo   1740 В  1,535 В  0,205 В , , У результаті величина перегріву T склала: 3 UA 122011 U ˆ 0,108 A T  2,528  10 5 3 ˆ ˆ ˆ 0,205 A A /E  ˆ 297 E ˆ  58,77 E . Таким чином, у порівнянні з відомими технічними рішеннями, запропонований спосіб визначення робочого перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги дозволяє підвищити ступінь автоматизації способу, а також зменшити можливу похибку при визначенні точки переходу. Все це обумовлює його широке застосування в напівпровідниковій промисловості і наукових дослідженнях по даному напрямку. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Спосіб визначення перегріву кристала напівпровідникового діода за рівнем зниження прямого падіння напруги U , що включає вимірювання прямої вольт-амперної характеристики діода I  f (U) при заданій температурі експлуатації T  Ti і перебудову її у вигляді log I  f (U) з 15 наступним визначенням координат точки переходу I1m лінійної ділянки вольт-амперної характеристики до нелінійної і вимірюванням калібрувальної залежності U(T,I1) при постійному I1  I1m  const крізь діод у межах лінійної ділянки вольт-амперної характеристики log I  f (U) і температурах T  var , за яким величину перегріву T визначають за формулою: U , T  U s Ti де s - диференційна струмова термочутливість, виміряна на калібрувальній залежності U(T,I1) , U  U   U , прямому 20 o струмі o U  Uo  Uo  ,  Uo , Uo , Uo  - координати напруги, відповідно, точки переходу лінійної ділянки вольт-амперної 25 характеристики до нелінійної, точки перетину прямої I  Ip з прямою (променем), що є продовженням лінійної ділянки вольт-амперної характеристики в область значень I  I1m і точки перетину прямої I  I1 з вольт-амперною характеристикою, який відрізняється тим, що 30 координати точки переходу лінійної ділянки залежності log I  f (U) до нелінійної визначають шляхом вимірювання поблизу даної точки залежності диференціального опору діода від прямого струму R Д (I) , а значення струмової координати в шуканій точці переходу відповідає різкій зміні залежності R Д (I)  I  f (I) . 4 UA 122011 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5