Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов с использованием полигармонической модуляции греющей мощности

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых диодов. Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что через полупроводниковый диод пропускают последовательность импульсов греющего тока, период следования которых постоянный, в паузах между ними измеряют температурочувствительный параметр - прямое падение напряжения на полупроводниковом диоде при малом измерительном токе - и определяют изменение температуры р-n-перехода. При этом модуляцию длительности импульсов греющего тока осуществляют по полигармоническому закону с заданным набором частот модуляции, вычисляют с помощью Фурье-преобразования мнимые и вещественные трансформанты температуры, по ним вычисляют значения амплитуд и фаз всех гармоник температуры, после чего определяют модули и фазы теплового импеданса на всех заданных частотах модуляции. Технический результат заключается в сокращении времени процесса измерения зависимости теплового импеданса от частоты модуляции греющей мощности и повышении оперативности контроля теплофизических параметров полупроводниковых диодов. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов.

Среди существующих способов измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов известен способ, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра U_ТЧП, например, прямого напряжения полупроводникового диода при пропускании через него малого измерительного тока (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 U_ТЧП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из режима разогрева в режим измерения (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 измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов (см. патент РФ №2402783, Б.И. №30, 2010 г.), суть которого заключается в следующем. Через полупроводниковый диод в прямом направлении пропускают последовательность импульсов греющего тока, длительность t_и которых изменяется по гармоническому закону

τ=τ₀(1+a·sinωt)

где τ₀ - средняя длительность импульсов; а - коэффициент модуляции; ω - частота модуляции. Период следования импульсов Т_сл и амплитудное значение греющего тока I_гр на полупроводниковом диоде поддерживают постоянными.

Недостатком прототипа является то, что для определения отдельных компонент теплового сопротивления, соответствующих элементам конструкции полупроводникового диода, по которым распространяется тепловой поток, необходимо измерять зависимость модуля теплового импеданса от частоты модуляции греющей мощности в широком диапазоне частот, что требует продолжительного времени процесса измерения и снижает оперативность контроля теплофизических параметров полупроводниковых диодов.

Технический результат - сокращение времени процесса измерения зависимости теплового импеданса от частоты модуляции греющей мощности и повышение оперативности контроля теплофизических параметров полупроводниковых диодов.

Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, через полупроводниковый диод пропускают последовательность импульсов греющего тока I_гр с постоянным периодом следования, а в паузах между ними измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение на полупроводниковом диоде U_ТЧП при малом измерительном токе I_изм. В отличие от прототипа, в котором модуляцию длительности греющих импульсов осуществляют по гармоническому закону, в заявляемом изобретении используют полигармонический закон

$$\tau ={\tau }_0\left(1+\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^{N}a}\cdot \sin {\omega }_{i}t\right),$$

где N - количество гармоник в сигнале, с помощью которого осуществляют нагрев полупроводникового диода; ω_i - частота i-ой гармоники.

Зависимость тока I_D через полупроводниковый диод от времени представлена на фиг.1а. Экспериментально установлено, что вариации напряжения на полупроводниковом диоде, вызванные циклическим изменением температуры активной области, существенно меньше напряжения на полупроводниковом диоде U_D в момент протекания греющего тока, что позволяет принять напряжение U_гр на вершине греющих импульсов постоянным. Тогда средняя за период модуляции греющая мощность $$\overline{P}(t)$$ будет также изменяться по полигармоническому закону (фиг.1б):

$$\overline{P}(t)=I_{гр}\cdot U_{гр}\cdot \frac{{\tau }_0}{T_{сл}}\left(1+\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{i=1}^{N}a}\cdot \sin {\omega }_{i}t\right)=P_0+P_1{\displaystyle \sum _{i=1}^N\sin }{\omega }_{i}t,$$

где $$P_0=I_{гр}{U}_{гр}\frac{{\tau }_0}{T_{сл}}$$ - постоянная составляющая греющей мощности;

P₁=P₀·а - амплитуда гармоник переменной составляющей греющей мощности.

Модуляция греющей мощности вызывает соответствующие изменения температуры p-n-перехода полупроводникового диода, для определения которой в паузах между греющими импульсами измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение U_ТЧП на полупроводниковом диоде при малом измерительном токе I_изм (фиг.1в). Это позволяет при известном температурном коэффициенте напряжения К_T определить изменение температуры p-n перехода полупроводникового диода Т относительно начальной (комнатной) температуры:

$$T=\frac{U_{ТЧП}}{{К}_T}.$$

Зависимость переменной составляющей температуры p-n перехода полупроводникового диода от времени представлена на фиг.1г. Далее, используя Фурье-преобразование зависимости T(t), определяют амплитуды гармоник переменной составляющей температуры p-n-перехода T(ω_i) на частотах модуляции ω_i:

$$T({\omega }_i)=\sqrt{A^2({\omega }_i)+B^2({\omega }_i)},$$

где A(ω_i) и B(ω_i) - вещественные и мнимые Фурье-трансформанты температуры.

Модули теплового импеданса |Z_T(ω_i)| на частотах ω_i определяются отношением амплитуд гармоник температуры T(ω_i) и греющей мощности P₁(ω_i):

$$\left|Z_T({\omega }_i)\right|=\frac{T({\omega }_i)}{P_1({\omega }_i)}.$$

Фазы теплового импеданса φ(ω_i) на частотах ω_i определяются отношением мнимых и вещественных Фурье-трансформант B(ω_i) и A(ω_i):

$$\varphi ({\omega }_i)=arctg\frac{B({\omega }_i)}{A({\omega }_i)}.$$

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.2. Устройство содержит источник 1 измерительного тока; формирователь 2 греющих импульсов, управляемый микроконтроллером 3; аналого-цифровой преобразователь 4, вход которого соединен с объектом измерения - полупроводниковым диодом 5, а выход - с микроконтроллером 3.

Способ осуществляют следующим образом. С выхода формирователя 2 греющих импульсов на полупроводниковый диод 5 поступает заданное микроконтроллером 3 количество импульсов греющего тока I_гр, период следования которых постоянный, а длительность модулируют по полигармоническому закону с набором частот, заданных микроконтроллером 3. В паузах между греющими импульсами измеряют температурочувствительный параметр - прямое падение напряжения на полупроводниковом диоде 5 U_ТЧП, возникающее при протекании через него малого измерительного тока I_изм, сформированного источником 1. Напряжение U_ТЧП с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуют в цифровой код, поступающий в микроконтроллер 3, в результате чего в памяти микроконтроллера 3 формируют массив значений {U_ТЧП}, который затем преобразуют в массив температур {Т}. С помощью Фурье-преобразования вычисляют мнимые и вещественные трансформанты температуры и по ним определяют значения амплитуд Т(ω_i) и фаз φ(ω_i) гармоник на частотах модуляции греющей мощности ω_i. Используя амплитудные значения температуры T(ω_i) и греющей мощности P₁(ω_i) определяют модули теплового импеданса |Z_T(ω_i)| на всех заданных частотах модуляции греющей мощности.

Сокращение времени процесса измерения зависимости теплового импеданса от частоты модуляции греющей мощности и, как следствие, повышение оперативности контроля теплофизических параметров полупроводниковых диодов в заявленном способе достигается за счет того, что, в отличие от прототипа, в нем за счет использования полигармонического закона модуляции греющей мощности с заданным набором частот за одно измерение значения тепловых импедансов определяют одновременно на нескольких частотах.

Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что через полупроводниковый диод пропускают последовательность импульсов греющего тока, период следования которых постоянный, в паузах между ними измеряют температурочувствительный параметр - прямое падение напряжения на полупроводниковом диоде при малом измерительном токе и определяют изменение температуры р-n перехода, отличающийся тем, что модуляцию длительности импульсов греющего тока осуществляют по полигармоническому закону с заданным набором частот модуляции, вычисляют с помощью Фурье-преобразования мнимые и вещественные трансформанты температуры, по ним вычисляют значения амплитуд и фаз всех гармоник температуры, после чего определяют модули и фазы теплового импеданса на всех заданных частотах модуляции.