Brevet FR2263499A1 — publié le 19751003

La présente invention concerne un procédé de mesure de la température d'une jonction de transistor à partir ne mesures de la tension aux bornes des régions formant ladite jonction comparées à la mesure de cette tension dans des conditions de températures déterminées. On sait que pour mesurer la température de jonction dtune diode, on fait passer dans cette diode un courant déterminé, et on mesure la tension aux bornes de la diode, la variation de cette tension en-fonction de la température étant sensiblement linéaire pour une diode donnée et un courant déterminé. Le coefficient de proportionnalité entre la variation de tension et la variation de température est déterminé par exemple par des mesures en bain d'huile ou en étuve, à des températures imposées. Pour un transistor de type bipolaire comportant deux jonctions, la méthode ci-dessus est appliquée à la jonction collecteur-base ou d la jonction émetteur-base. Un courant de mesure est imposé au moyen d'un générateur de courant introduit par exemple entre la base et ltémetteur, et on mesure la tension entre base et émetteur, Mais la température déduite ainsi de cette mesure de tension ntest pas exacte ; en effet, le courant qui permettrait de satisfaire la condition de proportionnalité entre la variation de la tension et la variation de la température est le courant de volume de la diode base-émetteur considérée (courant à travers la zone active plane de la jonction), alors que le courant imposé, dans le cas du transistor, est le courant base qui donne lieu à plusieurs composantes, dont l'une seulement est constituée par le courant dans la diode de volume. Une partie du courant est dérivée dans les zones dites passives, par les éléments parasites de surface, englobes sous l'appellation de diode de surface.Cette dispersion du courant injecté rend les mesures approximativesj car les courants autres que le courant dans la diode de volume obéissent à d'autres lois et il n'est pas possible d'utiliser un coefficient de proportionnalité fixe bien défini, pour déterminer des températures exactes. En outre, on est parfois amené à mesurer la température de jonction drun transistor intégré é dans un modüle avec d'autres composants actifs ou passifs, et il est difficile sinon impossible d'assurer la martyrise de la valeur du courant dans la diode de volume concernée, par exemple si des éléments intégrés sont branchés en parallèle avec le transistor, surtout si les caractéristiques de ces éléments ne sont pas connues avec une grande précision. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre la mesure de température de jonction d'un transistor à partir de mesures de a tension aux bornes des régions de transistor formant ladite jonction, dans des conditions de courant déterminées, en particulier dans le cas où le transistor comporte des éléments parasites importants susceptibles de dériver des courants de mesure. Un autre but de l'invention est de permettre la mesure de températures de jonction d'un transistor intégré dans un ensemble avec d'autres composants, les bornes accessibles de ce transistor servant également de bornes à d'autres composants branchés en parallèle. L'invention est basée sur l'effet transistor pour imposer un courant dans la diode émetteur-base d'un transistor en imposant un courant de collecteur constant, ou un courant dans ia diode collecteur-base en imposant un courant d'émetteur constant. Selon l'invention, le procédé de mesure de la température d'une jonction de transistor, à partir de mesures de la tension entre les bornes des régions dudit transistor formant ladite jonction, comparées à la mesure de cette tension dans des conditions de température déterminées, est remarquable principalement en ce que pendant les différentes mesures de tension entre lesdites régions, un courant déterminé constant est injecté au moyen d'un générateur de courant branché entre le collecteur et l'émetteur, une tension sensiblement nulle et une très forte impédance étant maintenues entre les bornes des régions formant l'autre jonction dudit transistor. Si l'on considère par exemple une mesure de la température de la jonction émetteur-base et si on appelle a le gain intrinsèque direct de la zone active du transistor monté en base commune, dans les conditions de mesure, la valeur du courant dans la diode de volume émetteur-base est égale au quotient de la valeur du courant constant imposé par le générateur de courant, par le gain de courant en a. Compte tenu du coefficient a, qui reste normalement peu différent de 1, la valeur du courant dans la diode de volume émetteur-base est sensiblement constante. Les éléments parasites de la diode émetteur-base, susceptibles de provoquer la dispersion du courant injecté : diode de surface, courants de fuite superficiels ou résistance parallèle, n'interviennent pas ; le courant injecté par le générateur de courant se retrouve, au gain près, dans la diode de volume émetteur-base, les conditions de constance du courant dans ladite diode de volume constituant la zone active du transistor aux bornes duquel est mesurée la tension sont respectées, la proportionnalité entre les variations de température et les variations de tension permet de mesurer la température effective en mesurant la tension entre la base et l'émetteur. Dans le cas de mesure de la température de jonction basecollecteur, il va de soi qu'il y a lieu de considérer le gain intrinsèque inverse ' de la zone active du transistor. Le courant constant du générateur se retrouve dans la diode de volume collee- teur-base et on mesure effectivement la température de la jonction base-collecteur en mesurant la tension entre base et collecteur, l'émetteur et la base étant maintenus au meAme potentiel et une très forte impédance étant maintenue entre ces dernières régions. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la base d'un transistor dont on mesure la température de jonction émetteur-base est alimentée au moyen d'un amplificateur opérationnel différentiel, utilisé avec une contre réaction totale donnant un gain unitaire, dont une des deux entrées est reliée au collecteur du transistor, ét dont l'autre entrée est reliée à la sortie de l'amplificateur et à la base du transistor. Ainsi monté, l'amplificateur fournit les courants traversant les éléments parasites et les résistances existant en parallèle avec la diode de volume émetteur-base et il élimine dé ce fait les effets de ces éléments et de ces résistances. La tension entre les deux entrées de l'amplificateur utilisé en eontre réaction totale, étant proche de O volt, il en est de même de la tension entre la base et le collecteur du transistor. Les effets des éléments parasites de la jonction collecteur-base sont éliminés. Le courant de mesure traversant la diode de volume émetteurbase est de même valeur que le courant fourni par le générateur de courant constant, au gain du transistor près ; ce dernier restant Srès voisin de 1, le courant de mesure permet d'appliquer valablement la loi reliant la température de la jonction à la tension mesurée. I1 va de soi qu'un amplificateur opérationnel différentiel peut être utilisé de façon symétrique pour la mesure de la température de la jonction collecteur-base, une de ses deux entrées étant reliée à l'émetteur du transistor au lieu d'être reliée au -collecteur comme précédemment. Le procédé selon l'invention est applicable à la mesure de température de jonction n de transistors de tous typas haute fréquence ou basse fréquence. I1 peut être appliqué à des mesures en régime thermique stable ou à des mesures transitoires en régime évolutif. Selon les méthodes connues de mesure de température de transistor fonctionnant par exemple à haute fréquence, on mesure la tension entre base et émetteur, le transistor étant au repos à température connue. Avantageusement le transistor est ensuite mis en puissance dans des conditions de fréquence, tension et intensité voulues, correspondant de préférence à ses conditions de marche, et la mesure de la tension entre la base et l'émetteur est effectuée pendant une très courte interruption de la mise sous puissance du transistor. Dans le cas d'une modulation de la puissance en haute fréquence un échantillonnage est effectué. La mise en puissance dans les conditions de fonctionnement normal, en haute fréquence, permet d'effectuer les mesures sur un transistor présentant exactement la même répartition de température qu'en service. Le procédé selon l'invention permet d'assurer la constance du courant injecté dans la diode de volume émetteur-base duransis- tor, quelle que soit la valeur des impédances parasites que comporte le transistor en cours de mesure. Dans le cas d'un transistor NPN, l'émetteur du transistor est avantageusement relié à la masse du dispositif de mesure et c'est la borne d'entrée positive de l'amplificateur opérationnel qui est reliée au collecteur du transistor, la borne d'entrée négative étant reliée à la borne de sortie et à la base du transistor. Dans le cas d'un transistor PNP les polarités et les courants sont inversés par rapport au cas précédent. La présente invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé spécifié ci-dessus. Selon l'invention, le dispositif de mesure de la température de jonction d'un transistor à partir de mesures de la tension aux bornes des deux régions de transistor formant ladite jonction comparées à la mesure de cette tension dans des conditions de température déterminées, est remarquable principalement en ce que une borne destinée à la base dudit transistor est reliée à la sortie d'un amplificateur opérationnel différentiel dont l'une des entrées est reliée à une borne destinée à la troisième région dudit transistor et dont l'autre entrée est reliée à la borne de sortie, un générateur de courant constant étant branché entre les bornes destinées à l'émetteur et au collecteur dudit transistor et un moyen de mesure de la tension étant branché entre les bornes destinées aux régions formant la jonction dont la température est mesurée. Dans un cas fréquent, c'est la température de la jonction bv ~émetteur du transistor qui est mesurée. L'une des entrées de l'amplificateur opérationnel différentiel est reliée au collecteur du transistor, l'autre entrée est reliée à la borne de sortie et à la base du transistor, un moyen de mesure de tension est branché entre la base et l'émetteur. L'invention est applicable à la mesure de températures de jonction de transistors. Elle est adaptée aux mesures sur des transistors fonctionnant à haute fréquence et même en hyperfréquence et aux mesures sur des transistors comportant un élément d'impédance en parallèle sur la base et I'émetteur, notamment sur les modules amplificateurs comportant un transistor avec au moins une résistance de polarisation entre base et émetteur, résistance qu'on ne peut enlever ou qu il faut éviter d'avoir à enlever pour effectuer les mesures et dont la valeur exacte n'est pas connue avec précision. Le module ou le transistor à mesurer peut également comporter d'autres éléments d'impédance entre base et émetteur sans que la validité de la mesure soit remise en cause.L'invention est applicable avantageusement aux mesures sur des séries de transistors ou de modules, la dispersion des paramètres introduits par les éléments parasites, ou les éléments mis en parallèle, n'a pas d'incidence sur les mesures. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un schéma du montage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 2 est un schéma équivalent du transistor en cours de mesure. La figure 3 est un schéma équivalent d'un module comportant au moins un transistor. La figure 4 est un diagramme des impulsions appliquées à un transistor dans un cycle de mesures. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé dont le schéma simplifié est représenté sur la figure 1 comprend un amplifica- teur opérationnel différentiel 1 dont une entrée 2 est reliée au collecteur 3 d'un transistor dont on mesure la température de jonction. L'autre entrée 4 de l'amplificateur 1 est reliée à la sortie 5 de ce dernier et à la base 6 dudit transistor. Un générateur de courant constant 7 est branché entre le collecteur 5 et l'émetteur 8 dudit transistor. L'amplificateur 1 et l'émetteur 8 sont reliés à la masse. Un dispositif de mesure de tension V est branché entre la borne 4 et la masse.Le transistor pris comme exemple est de type NPN, l'entrée 2 reliée au collecteur du transistor est l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel et le sens du courant constant I1, délivré par le générateur 7, est celui de la flèche 9. Pendant la mesure, l'amplificateur 1 fournit le courant de base du transistor I2 et maintient l'égalité des tensions entre le collecteur 3 et la base 6 ; le courant I3 dérivé par entrée 2 de l'amplificateur 1 est négligeable par rapport au courant I1 délivré par le générateur 7. Le courant I traversant la partie active de la jonction de volume entre la base base et l'émetteur du transistor est égal à 1, a étant le gain a intrinsèque en courant du transistor dans le sens normal en base commune, sensiblement égal à 1 et I est sensiblement constant. Si des éléments d'impédance, par exemple une résistance 10, sont branchés entre la base 6 et l'émetteur 8, la mesure n est pas perturbée, le courant I4 dérivé dans la résistance 10 étant fourni par l'amplificateur 1. des curnts La répartition/danseransistor en cours de mesure de tem pérature apparalt mieux si l'on considère les schémas développés des figures 2 et 3 qui correspondent aux cas de mesures décrits en regard de la figure 1. Un transistor peut être assimilé à un ensemble d'éléments passifs et actifs simples susceptibles de rendre compte du comportement de ce transistor et d'en faciliter l'analyse. I1 est connu de représenter un transistor par un schéma en T comportant des diodes, des générateurs de courant, des capacités et des résistances.Dans le cas d'une mesure selon l'invention, sur un transistor, le schéma équivalent de ce dernier peut se réduire au schéma de la figure 2 comportant une diode de volume émetteur-base 11, une diode de surface émetteur-base 12, une diode de base dite de défocalisation 13, une borne "émetteur'1 14, une borne "base" 15, une borne "collecteur" 16 et un générateur de courant 17 correspondant à l'effet d'injection de courant de collecteur par le générateur 7 de la figure 1. I1 n'est pas tenu compte des éléments de la jonction base-collecteur du fait de l'égalité de tension entre base et collecteur. Les capacités et résistances parasites série et parallèle des différentes diodes n'ont pas été représentées.Du fait de l'effet transistor, le courant injecté par le générateur 17 traverse pratiquement en totalité la diode 11, le courant dans cette dernière est pratiquement constant et la tension mesurée entre 14 et 15 suit effectivement une loi linéaire en fonction de la température. Par contre, le courant susceptible de traverser la diode de surface 12 est fourni par un dispositif extérieur au transistor, un amplificateur opérationnel différentiel en boucle fermée en l'occurrence. Dans le cas où le transistor mesuré comporte une résistance extérieure ou intégrée, en parallèle entre base et émetteur, le schéma équivalent précédent est remplacé par le schéma de la figure 3 sur lequel les mêmes repères correspondent aux meAmes éléments que sur la figure 2. Une résistance 18 par exemple est mise en parallèle entre base et émetteur. Comme précédemment, le courant I traversant la diode de volume base émetteur 11 est pratiquement égal au courant délivré par le générateur 17 et demeure constant. Le courant IR traversant la résistance 18 et le courant IS traversant la diode de surface 12 sont fournis par un dispositif extérieur au transistor. Les mesures de températures faites suivant le procédé selon 11 invention sont faites par impulsions de courte durée de façon à ne pas perturber le régime thermique atteint par le transistor au moment où commence chaque mesure. Par exemple pour la mesure de la température de jonction d'un transistor haute fréquence, on mesure d'abord la tension émetteur-base, le transistor étant au repos à température connue plis la tension émetteur-base le transistor demeurant au repos et stabilisé en température dans une enceinte régulée.Le coefficient de proportionnalité entre la variation de tension et la variation de température peut être calculé par application des formules connues exprimant la relation entre le courant traversant une jonction et le curant de saturation, et la relation entre ce dernier et la température absolue, Après détermination de la loi de variation de la tension base-émetteur en fonction-de la température, on peut effectuer chaque mesure par une série d'impulsions telles que représentées sur la figure 4 1") une mise en puissance en haute fréquence suivant la courbe 21, 2") une mesure des paramètres de la mise en puissance au transis tor suivant la courbe 22, 3 ) des mises en conditions de mesure du transistor au moyen de l'amplificateur opérationnel, suivant la courbe 23 > avant et après une mise en puissance, 40) des mesures très brèves de la tension émetteur-base du tran sistor suivant la courbe 24. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la température d'une jonction de transistor à partir de mesures de la tension aux bornes des régions de transistor formant ladite jonction, comparées à la mesure de cette tension dans des conditions de température déterminées, caractérisé en ce que pendant les différentes mesures de tension entre lesdites régions, un courant déterminé constant est injecté au moyen d'un générateur de courant branché entre le collecteur et l'émetteur dudit transistor, une tension sensiblement nulle et une très forte impédance étant maintenues entre les bornes des régions formant l'autre jonction dudit transistor. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la température de la jonction émetteur-base d'un transistor, un courant déterminé constant étant injecté au moyen d'un générateur de courant branché entre collecteur et émetteur et la tension entre base et collecteur étant maintenue sensiblement nulle. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la base du transistor dont on mesure la température de jonction est alimentée par la. sortie d'un amplificateur opérationnel différentiel, utilisé avec une contre réaction totale, dont une des deux entrées est reliée à la région du transistor distincte des deux régions formant la jonction dont on mesure la température, et dont l'autre entrée est reliée à la base du transistor et à la sortie dudit amplificateur. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure de tension devant déterminer une température est effectuée par impulsions en dehors des temps de fonctionnement du transistor. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mise en puissance du transistor dont une température de jonction est mesurée, est effectuée en haute fréquence dans des conditions correspondant à son fonctionnement en utilisation. 6.- Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la température de la jonction émetteur-base d'un transistor NPN est effectuée en reliant l'émetteur à la masse, la borne d'entrée positive de l'amplificateur différentiel au collecteur et la borne d'entrée négative de l'amplificateur différentiel à la base et à la borne de sortie dudit amplificateur. 7.- Procédé de mesure selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'on mesure la température de la jonction base-émetteur d'un transistor comportant une résistance de pola- risation restant branchée en parallèle entre base et émetteur pendant toutes les mesures. 8.- Dispositif de mesure de la température d'une jonction de transistor à partir de mesures à courant constant de la tension aux bornes des deux régions de transistor formant ladite jonction selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que une borne destinée à la base dudit transistor est reliée à la sortie d'un amplificateur opérationnel différentiel dont l'une des entrées est reliée à une borne destinée à la troisième région dudit transistor et dont l'autre entrée est reliée à la borne de sortie dudit amplificateur, un générateur de courant constant étant branché entre des bornes destinées à l'émetteur et au collecteur dudit transistor et un moyen de mesure de tension étant branché entre les bornes destinées aux régions formant ladite jonction. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la jonction dont la température est mesurée étant la jonction base-émetteur d'un transistor, l'une des entrées de 1 'am- plificateur est reliée à la borne destinée au collecteur du transistor, et un moyen de mesure de tension est branché entre les bornes destinées à l'émetteur et à la base dudit transistor.