Устройство для определения температуры активной области светоизлучающих приборов

 

Использование: для измерения температуры активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов на этапах разработки и производства приборов. Сущность изобретения: устройство содержит эталонный светоизлучающий прибор, подключаемый к выходу генератора тока 1. Измерительной канал 10 содержит второй 11 и третий 12 функциональные преобразователи , первое устройство сравнения 13 и первый масштабный преобразователь 14. Канал коррекции 15 содержит четвертый функциональный преобразователь 16, первый 17 и второй 18 источники опорного напряжения , второй 19, третий 20, четвертый 21, пятый 22 и шестой 23 элементы сравнения , второй 24 и третий 25 масштабные преобразователи , а также второй 26 и третий 27 сумматоры. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s G 01 R 31/26

В

ГО СУДА Р СТ В Е ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

I»

Ь» с

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4805397/25 (22) 23.03.90 (46) 23.11.92. Бюл. N 43 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) Г,А.Сукач, Н,И,Сыпко, В.В,Николаенко и П,Н.Свекольников (56) Авторское свидетельство СССР

N 1473554, кл. G 01 R 31/26, 1987, Авторское свидетельство СССР N 1586401, 6 01 R 31/26, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ПPИБОРОВ (57) Использование: для измерения температуры активной области полупроводниковых светоиэлучающих приборов на этапах Ж 17?7105 А1 разработки и производства приборов. Сущность изобретения: устройство содержит эталонный светоизлучающий прибор, подключаемый к выходу генератора тока 1, Измерительной канал 10 содержит второй 11 и третий 12 функциональные преобразователи, первое устройство сравнения 13 и первый масштабный преобразователь 14.

Канал коррекции 15 содержит четвертый функциональный преобразователь 16, первый 17 и второй 18 источники опорного на-. пряжения, второй 19, третий 20, четвертый

21, пятый 22 и шестой 23 элементы сравнения, второй 24 и третий 25 масштабные пре-, образователи, а также второй 26 и третий 27 сумматоры. 1 ил.

1777105

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для измерения температуры активной области полупроводниковых светоизлучающих приборов как на этапах разработки и производства приборов, так и на входном контроле потребителя или при выборе режимов эксплуатации.

Известно устройство для реализации способа определения температуры активной области светоизлучающих приборов, включающее генератор тока, к выходу которого подключен контролируемый прибор, расположенные по ходу луча узкополосный оптический фильтр и приемно-преобразовательный блок, связанный с системой обработки сигналов. В известном устройстве в качестве температурно-зависимого параметра используют интенсивность излуче. ния, измеренную на длинноволновом крыле спектра излучения полупроводникового излучателя в энергетическом диапазоне выбранном из условия

h v < и Q (АТмзкс), где h v — энергия из фиксированной полосы энергий; h т1 — энергия, соответствующая максимуму полосы излучения светоизлучающего прибора при температуре активной области прибора; а- температурный коэффициент запрещенной зоны активной области полупроводникового материала светоизлучающего прибора; hTMa c — максимально допустимая температура перегрева активной области светоизлучающего прибора, а температуру активной области

TA.o. светоиэлучающего прибора при пропускании рабочего тока определяют по формуле (Ф вЂ” Ф2 ) — 1,(ФЗ ®4 ).

Ка Т1- Т2 11- l2 тр где Ф1 и Фг — значения интенсивностей излучения в фиксированной полосе энергий, соответствующие двум значениям температур окружающей среды Т1 и Tz соответственно, а Фз и Ф4 — значения интенсивностей импульсного тока It u lz соответственно, заданных длительности t и скважности Q импульсов, измеренные при комнатной температуре Тор.

Однако существенным недостатком известного устройства является факт зависимости TA.o. от температуры окружающей светоизлучающий прибор среды. При этом колебания температуры окружающей среды необходимо или визуально регистрировать термометром и учитывать при расчете TA,o., либо вводить какое-то усредненное значение T()I(p. Все это приводит к усложнению процесса измерений и к повышению погрешности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения температуры активной области светоизлучающих диодов, включающее генератор тока, к выходу которого подключен контролируемый светоизлучающий прибор, расположенные по ходу луча узкополосный оптический фильтр и приемно-преобразовательный блок, систему обработки сигналов, содержащую коммутатор, вход которого соединен с выходом приемно-преобразовательного блока, блок управления, один выход которого подключен к управляющему входу генератора. а другой — к управляющему входу коммутатора, первый. второй и третий выходы которого подключены соответственно ко входам первого, второго и третьего функциональных преобразователей, причем выход первого из них подключен к первым входам первой и второй схем сравнения, выход второго — к второму входу второй схемы сравнения, а выход третьего — к первому входу первого сумматора, два масштабных преобразователя, вход первого из которых подключен к выходу первой схемы сравнения, а выход к первому входу третьей схемы сравнения, вход второго — к выходу второй схемы сравнения, а выход — ко второму входу третьего функционального преобразователя. первый и второй источник опорного напряжения. из которых выход первого подключен ко второму входу первой схемы сравнения и к первому входу второго сумматора, а выход которого соединен со вторым входом первого сумматора. выход второго источника опорного напряжения подключен ко второму входу третьей схемы сравнения, выход которой связан со вторым входом второго сумматора. В известном устройстве в качестве температурно зависимого параметра используют интенсивность излучения, измеренную на длинноволновом крыле спектра излучения полупроводникового излучателя. Температура активной области светоизлучающих приборов определялась по формуле (Ф1 — Фз ) — (Фз — Ф4

Т1 — Тг I — г х +Токр+ Л«р. где Л«р — сигнал коррекции.

В известном устройстве устранен факт зависимости измеряемой температуры активной области светодиода от изменения температуры окружающей среды ТОкр эа счет введения канала коррекции, в котором вырабатывается сигнал коррекции 4«р, учитывающий колебания Т,р и вводимый в измеряемый сигнал. Для светодиодов на

1777105 основе двухкомпонентных соединений

А "В (например 6аАз, GaP) этот сигнал коррекции Аор в точности совпадает с изменением температуры окружающей среды

4«p = ЛТ«р = Тавр - T«p. Однако существенным недостатком прототипа, особенно для трех- и четырехкомпонентных соединеНИй (НаПР. Оа1- А!хАЗ, 6аРЗ1-xPx), НаШЕДШИХ широкое применение в оптоэлектронике, является тот факт, что в сигнал А«р вносит вклад не только составляющая, связанная с колебаниями температуры (реальная часть сигнала A;pp.), но и составляющая, связанная с изменением композиционного состава материала х. Так, например, для трехкомпонентного соединения Оа1-xAlxAs изменение х, на 0,01 (например от 0,39 до

0,40) эквивалентно увеличению температуры Т«р на 40 К. Это существенная составляющая погрешности, особенно если учесть факт неконтролируемого или случайного разброса по х от партии к партии при выращивании таких материалов в пределах х = 0,001 — 0,01. Такая ситуация приводит к повышению погрешности измерений особенно светодиодов, получаемых из разных партий материалов. Известно, что изменение прямого энергетического зазора (Eg ) при 300 К в многокомпонентных твердых растворах GaAs)-xPx u GaI- А!хАз ведет к погрешности измерения температуры, поэтому именно величина энергии в максимуме полосы излучения выбрана нами в качестве термочувствительного параметра. Предположим, что исследуется светоизлучающая структура на основе Gao,oAlo.4As, которой соответствует величина энергетического зазора Eg) = 1,97 эВ при 300 К.

Изменим содержание Al в составе, например, на 5, r,е. имеем состав

Gao,ùÀ!o,sSAs, тогда величина энергетического зазора такой структуры уже hEgz =

=-1,87 эВ, т.е, изменилась íà AEg = 0,1 эВ.

Такое изменение энергетического зазора при значении температурного коэффициента ширина запрещенной зоны GaAIAs, равного 0,48 мэВ/град, приводит к погрешности при определении температуры р-п-перехода, равной ЛТ = 208 К, что весьма существенно. Таким образом, изменение состава твердого раствора на 1оь приводит при пересчете на температуру к погрешности в

ЛТ = 41,6 К, т.е, влияние изменения соотношения констан г (х, 1-х) входит в корректирующий сигнал. который формируется для устранения влияния колебаний температуры окружающей среды на измеряемую температуру, и косвенно проявляется также.

20

30

40

45 3 светоизлучающих приборов направляют50

5

10 как и колебания Токр, хотя в действительности к таковым не приводит. Следовательно, изменение композиционного состава (х и

1-x) проявляется как погрешность измерения TA.o, Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, Устройство содержит генератор тока 1, контролируемый 2 и эталонный 3 светоизлучающие приборы, узкополосный оптический фильтр 4, приемно-преобразовательный блок 5, коммутатор 6, блок управления 7. первый сумматор 8, первый функциональный преобразователь 9 и измерительный канал 10, выполненный в виде второго 11 и третьего 12 функциональных преобразователей, первого элемента сравнения 13 и первого масштабного преобразователя 14. Устройство содержит также канал коррекции 15, выполненный в виде четвертого функционального преобразователя 16, первого 17 и второго 18 источников опорного напряжения, второго 19, третьего, четвертого 21, пятого 22 и шестого 23 элементов сравнения. второго 24 и третьего 25 масштабных преобразователей и второго 26 и третьего 27 сумматоров. Кроме того устройство содержит седьмой элемент сравнения 28.

Устройство работает следующим образом. К первому выходу генератора тока 1, управление параметрами импульсов (амплитуды импульсов I1, Iz, !з, !4. длительность

t> и скважность Q) которого осуществляется от устройства управления 7, подключается контролируемый светоизлучающий прибор

2, спектральная характеристика которого предварительно известна, а ко второму— эталонный светоизлучающий прибор 3 с известными значениями компонент х и 1-х трехкомпонентного соединения АВхС1-х.

Излучения контролируемого 2 и эталонного ся на узкополосный оптический фильтр 4, параметры которого выбраны таким образом, чтобы он пропускал излучения от них на длинноволновом крыле спектра излучения в фиксированном спектральном диапазоне А,Энергетическое расстояние любой из энергий в фиксированной полосе частот излучения выбрано иэ условия, чтобы при максимальной температуре перегрева контролируемого 2 и эталонного 3 светоизлучающих приборов максимум спектра излучения при этой температуре (из-эа его температурного сдвига) не попал в полосу фиксированных энергий, выбор которой осуществляется при температуре активной

1777105 области, равной комнатной(при негреющих токах). Например, для светодиода АЛ307. энергия квантов которого в максимуме полосы иэлучейия при комнатной температуре (Токр.! = 20 C) и негреющих токах (! — О) равна 1,8195 эВ (Laxc = 681 1M) и максимально допустимая температура перегрева активной области которого hT >xc = 100 С, величину Л выбирают равной или большей а hTмакс = 4,8 10 2 эВ (где а- температурный коэффициент ширины запрещенной эоны: для излучателей красного свечения на

-4 ЭВ . основе Gap,6A!p,4As а = 4;8 10 — ), т.е. меньше 1,8195 зВ на величину большую, чем 4,8 х 10 2 эВ.

Прошедшее через узкополосный оптический фильтр 4 излучение попадает на приемно-преобразовательный блок 5, где . происходит преобразование оптического сигнала в электрический, а с выхода приемно-преобразовательного блока 5 через коммутатор 6, управляемый синфазно с генератором тока 1 от устройства управления 7(переключение амплитудных значений тока I1 и I2 и.т.д,) электрический сигнал поступает через первый функциональный преобразователь 9 в измерительный канал 10 и напрямую в канал коррекции 15, где происходит выработка сигналов, последующая обработка которых в первом сумматоре и седьмом элементе сравнения 28 позволяет опредеЛить температуру перегрева активной области Тд.р. контролируемого 2 и светоизлучающих приборов с учетом влияния колебаний температуры окружающей среды и влияние изменений концентраций одной из компонент твердого раствора светоизлучающей структуры на результаты измерений.

Перед началом измерения Тд,р, контролируемого светоизлучающего прибора 2 проводят градуировку устройства с целью установления коэффициента а термочувст вительности контролируемого параметра светоизлучающего прибора. Для этого при фиксированной температуре окружающей среды Токр, которая задается с помощью термостата, пропускают через эталонный светоизлучающий прибор 3 с фиксированным хо (например, для светоизлучающего диода на основе тройного соединения

Оа1-xAIxAs выбиРают х = 0.4) негРеющий ток (I -+ О) и при любых tL u Q (можно и при стационарном токе) по цепи: приемно-преобразовательный блок 5 — первый выход коммутатора 6 — первый функциональный преобразователь 9 — первый вход элемента сравнения 13 (второй вход первого элемен10 та сравнения 13 при этом закорачивают на землю) — вход первого масштабного преобразователя 14 измеряют на выходе последнего напряжение V1. а при Т„р.2 и тех же условиях измеряют V2, Затем формируют отношение (V1 V2 ) — (1) ! окр.1 . окр.2

Это значение коэффициента а является в дальнейшем коэффициентом передачи первого масштабного преобразователя 14, который устанавливается при его настройке и постоянно используется для определения

Тд.о. контролируемого светоизлучающего

15 прибора 2 на основе тройного соединения

А В с произвольным х. В нашем случае при измерении интенсивности светодиода

АЛ307 в диапазоне энергий от 1,7690 до

1,7740 эВ величина а= 0,404 В К.

20 Далее устройство рабогает следующим образом. При1 = Токр.1(комнатная температура) и т,, Q = const последовательно с помощью устройства управления 7 устанавливают значения амплитуды им25 пульсного тока I1 и 12 (это могут быть любые фиксированные, не приводящие к катастро фическим отказам величины токов), которые пропускаются через контролируемый светоизлучающий прибор 2, и после преобразо30 вания импульсных сигналов, соответствующих токам I1 и 12. с помощью первого 9 и второго 11 функциональных преобразователей соответственно в постоянные напряжения Чз и V4, производят с

35 помощью первого элемента сравнения 13 формирование разности сигналов Чз-Ч4.

После первого масштабного преобразователя 14 с учетом выражения (1) и значений токов I1 и !2 получаем сигнал

40 Чз -V4 (2) !

1 !2 который поступает на первый вход третьего функционального преобразователя 12, выполняющего операцию умножения сигнала

45 114 на величину любого значения рабочего тока I. который подается на второй вход третьего функционального преобразователя 12 через третий выход коммутатора 6, Сформированный на его выходе сигнал

ЧЗ V4, (3) !

1 !2 пропорционален температуре перегрева активной области контролируемого светоизлучающего прибора 2 по отношению к

55 температуре окружающей среды TA.o.

Канал коррекции 15 служит для формирования сигнала, характеризующего текущее значение (изменяющееся во времени) температуры окружающей среды. При на1777105

10 стройке устройства измеряются температура Токр (температура окружающей среды в момент измерения) и величина сигнала фотоответа Чз при пропускании через контролируемый светоизлучающий прибор тока 11 (заданных t> и Q) при заданной Т«р. Настройка первого 17 и второго 18 источников опорного напряжения осуществляется таким образом, чтобы на их выходах были сформированы электрические сигналы, соответствующие измеренным величинам

ЧЗ Токр.

Токр и соответственно. Осущест11 вляемая с определенной периодичностью, задаваемой устройством управления 7, коррекция сигнала, особенно необходимая при измерении температуры окружающей среды, по цепи первый выход коммутатора 6— первый функциональный преобразователь

9 — второй элемент сравнения 19, на второй вход которого поступает сигнал Ò«p. при этом на выходе второго масштабного преобразователя 24 формирует сигнал

Чзи Токр. (4)

l1 где Чзи — текущее значение полезного сиг-! нала контролируемого светоизлучающего прибора 2, соответствующего току 11. Этот сигнал включает в себя составляющую, связанную как с изменением Т р, так и с изменением х.

Аналогичную величину сигнала мы получаем и по каналу: четвертый выход коммутатора 6 — четвертый функциональный преобразователь 16 — четвертый элемент сравнения 21 — третий масштабный преоб-. разователь 25, — только уже от эталонного светоизлучающего прибора 3, так как коммутатор 6 последовательно переключается от nepaoro выхода на четвертый выход, и соответственно генератор тока 1 подключает либо контролируемый светоизлучающий прибор 2 либо эталонный светоизлучающий прибор 3. Таким образом, на выходе третьего масштабного преобразователя 25 мы получаем сигнал от эталонного светоизлучающего прибора 3 с известным значением хо.

Этот сигнал при условии различных значений х в эталонном 3 и контролируемом 2 светоизлучающих приборах отличается от

Сигнала 1 4 (4). Так как величина х в Эталонном светоизлучающем приборе 3 известна и не меняется во времени, то сигнал на выходе третьего масштабного преобразователя 25 равен

W5

Чзэ Токр.

l1 (5) где V — текущее значение полезного сигнала эталонного светоизлучающего прибоV3 Ч4

TA.O. =- Q 1+ Токр +!

1 — 12

+ Аор.Ьт . (16) ра 3, соответствующего току 11, Сравнение опорного сигнала с выхода второго источника опорного напряжения 18 и текущего значения сигнала 1 4 позволяет выработать

5 сигнал коррекции

Чзи Чз (6) а сравнение того же опорного сигнала с выхода второго источника опорного напряжения 18 и значения сигнала125 дает сигнал коррекции ! (7)

При выборе коэффициента передачи К второго и третьего 25 масштабных преобразователей таким образом, чтобы выполнялось равенство

К=11 (8)

20 сигналы коррекции будут определяться выражениями

Асор. = Чзи - Чз = Аор т + йорик (9) йор Чзз "Чз Ь орбт ° (10)

Сложение этих сигналов с калибровочной

25 величиной Токр, задаваемой с помощью пеРвого источника опорного напряжения 17, позволяет на выходе второго сумматора 26 получить сигнал

Токр + Асор = Токр + Асора + корьх. (11)

30 а на выходе третьего сумматора 27:

Токр + Вор. Токр + Асордт (12)

На выходе первого сумматора 8 формируется сигнал, равный сумме составляющих, описываемых выражениями (11) и (2)

35 чз Ч4

TA,o = а .! + Т«р+

l1 l2

+ 6кор.hт + с.ткор.дх ° (13)

Тогда, сравнивая сигналы с выходов второго

26 и третьего 27 сумматоров на шестом эле40 менте сравнения 23, получим составляющую 6êop. дх, связанную только с изменением состава материала светодиода.

Далее, сравнивая сигналы с выхода первого сумматора 8 и с выхода шестого элемента

45 сравнения 23, получим сигнал, равный разности сигнала, описываемого выражением (13), и сигнала. описываемого выражением (10):

V3 V4

ТА.О. = сА, ! 1+ Токр+

1 2

+ Аор. — Аортах. (14)

Поскольку

6êoð. Лкордт + Аорй< (15) то выражение (14) можно переписать в сле- .

55 дующем виде:

1777105

Таким образом, на выходе устройства в целом, выход седьмого элемента сравнения

28, формируется сигнал, характеризующий температуру активной области контролируемого светоизлучающего прибора 2, соот- 5 ветствующий заданным параметрам импульсного тока (t = const, Q = const) и текущим значениям тока 1 и температуры окружающей прибор среды с учетом ее колебаний (TOKp+ @

Устройство для определения температуры активной области светоизлучающих приборов, соцержащее генератор тока, к первому выходу которого подключается контролируемый светоизлучающий прибор, расположенные по ходу излучения контролируемого светоизлучающего прибора узкополосный оптический фильтр и приемно-преобразовательный блок, коммутатор, вход которого соединен с выходом приемно-преобразовательного блока, блок управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам генератора тока и коммутатора, первый функциональный преобразователь, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, измерительный канал, первый вход которого соедийен с выходом первого функционального преобразователя, а второй и третий —.с вторым и третьим выходами коммутатора, канал коррекции, первый вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, и первый вход которого подключен к выходу перBoro функционального преобразователя, и первый сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходом измерительного канала и nepoi»M выходом канала коррекции соответственно, при этом измерительный канал выполнен в виде первого элемента сравнения, первый вход которого является первым входом измерительного канала, второго и третьего функциональных преобразователей, входы которых являются вторым и третьим входами измерительного канала, первого масштабного преобразователя, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход — с вторым входом третьего функционального преобразователя, причем выход последнего является выходом измерительного канала, а второй вход первого элемента сравнения соединен с выходом второго функционального преобразователя, при этом канал коррекции выполнен в виде второго элемента сравнения, первый вход которого является первым входом канала коррекции, второго масштабного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход— с первым входом третьего элемента сравнения, второго сумматора. выход которого является первым выходом канала коррекции, первый вход подключен к выходу первого источника опорного напряжения и второму входу второго элемента сравнения. а второй вход — к выходу третьего элемента сравнения, а также второго источника опорного напряжения, первый выход которого соединен с вторым входом третьего элемента сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения точности измерений, в канал, коррекции дополнительно введены четвертый функциональный преобразователь, четвертый, пятый и шестой элементы сравнения, третий сумматор и третий масштабный преобразователь, а устройство дополнительно содержит седьмой элемент сравнения, первый вход которого подключен к выходу первого сумматора, второй вход — к второму выходу канала коррекции, а выход является выходам устройства, и эталонный светоизлучающий прибор, поцключенный к второму выходу генератора тока и оптически связанный чеОеэ узкополосный фильтр с приемно-преобразовательным блоком, при этом второй вход канала коррекции, которым является вход четвертого функционального преобразователя, соединен с четвертым выходом коммутатора, первый вход четвертого элемента сравнения соединен с выходом четвертого функционального преобразователя, второй вход — с выходом первого источника опорного напряжения, а выход через третий масштабный преобразователь — с первым входом пятого элемента сравнения, второй вход последнего подключен к второму выходу второго источника опорного напряжения, а выход — к первому входу третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход — с первым входом шестого элемента сравнения, второй вход последнего подключен к выходу второго сумматора, а выход является вторым выходом канала коррекции,