СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING TRANSIENT THERMAL CHARACTERISTICS OF LIGHT-EMITTING DIODES

Примененные сокращения:
СИД - светоизлучающий диод или светодиод,
ПТХ - переходная тепловая характеристика,
ТЧП - температурочувствительный параметр,
АЦП - аналого-цифровой преобразователь,
ФПУ - фотоприемное устройство или фотоприемник.
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для измерения температуры активной области полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле потребителя или при выборе режимов эксплуатации.
Ti
Ti
Ti
Ti
Ti
Задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых приборов является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы. В приближении одномерной тепловой схемы задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R) и теплоемкостей (C) или тепловых постоянных времени (τ= R·C) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию полупроводникового изделия. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) полупроводникового изделия, которая представляет собой зависимость температуры p-n перехода (активной области) полупроводникового изделия от времени после подачи на полупроводниковое изделие ступеньки греющей мощности единичной величины.
Известен способ измерения переходных тепловых характеристик полупроводниковых приборов с p-n переходами по кривой остывания (см. Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов, М.: Энергия - 1967. стр.33). При этом способе исследуемый полупроводниковый прибор разогревается до установившихся тепловых режимов, затем заданную разогревающую электрическую мощность отключают, пропускают малый прямой ток через контролируемый p-n переход и измеряют изменение температуры p-n перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используется прямое падение напряжения на контролируемом p-n переходе при малом прямом токе. Недостатками известного способа является большое время измерения, обусловленное необходимостью предварительного разогрева полупроводникового прибора до установившегося теплового режима и последующего охлаждения до температуры окружающей среды. Время измерения ПТХ этим способом практически в два раза превышает длительность ПТХ.
Известен способ измерения ПТХ полупроводниковых приборов по точкам (см. 1-Технический справочник по кремниевым управляемым вентилям-тиристорам. / пер. с англ. под ред. В.А. Лабунцова и А.Ф. Свиридова. - М.: Энергия. 1964; см. 2 - Gutzwiller F., Sylvan T. Power Semiconductors Rating Under Transient and Intermittent Loads//Communications and Electronics. - 1961 - №52), заключающийся в том, что на полупроводниковый прибор подается прямоугольный импульс греющей мощности заданной величины и длительности, после окончания импульса мощности через контролируемый p-n переход пропускают малый прямой ток и измеряют изменение температуры p-n перехода по изменению прямого падения напряжения на p-n переходе до и после подачи импульса. Недостатком способа является необходимость подачи большого числа импульсов греющей мощности различной длительности (хотя бы 3-5 импульсов на декаду временного диапазона изменения тепловых постоянных времени полупроводникового прибора), при этом между окончанием одного импульса греющей мощности и подачей следующего необходимо выдержать паузу длительностью как минимум в 3-5 раз больше длительности предшествующего импульса греющей мощности. В результате общее время измерения ПТХ этим способом будет превышать длительность ПТХ в 4…6 раз.
Известен способ измерения переходной тепловой характеристики полупроводниковых изделий с p-n переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard//http://www.jedec.org/download/search/jesd51-1.pdf), состоящий в том, что на изделие подается ступенька греющей мощности заданной величины и в процессе разогрева в определенные по заданному алгоритму моменты времени на короткий промежуток времени (до нескольких десятков микросекунд) греющая мощность отключается, через контролируемый p-n переход пропускают малый измерительный ток и измеряется температурочувствительный параметр -падение напряжения на p-n переходе. Этот способ реализован в измерительной установке T3Ster (Thermal Transient Tester) (см. T3Ster - Thermal Transient Tester//www.mentor.com/micred).
Недостатком данного способа является большая погрешность определения температуры p-n перехода полупроводникового прибора. Она вызвана влиянием переходных электрических процессов при переключении полупроводникового прибора из режима нагрева в режим измерения (см. Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности//Метрология. - 2010. - №4. - С.72-78) и пространственным усреднением ТЧП по площади p-n перехода и толщине слоев полупроводниковой структуры.
Известно устройство для реализации способа определения температуры активной области светоизлучающих приборов, включающее генератор тока, к выходу которого подключен контролируемый светоизлучающий прибор, расположенные по ходу луча узкополосный оптический фильтр и приемно-преобразовательный блок, связанный с системой обработки сигналов (см. авт. свид. СССР №1586401, МКИ G01R 31/26). В известном устройстве в качестве температурочувствительного параметра используют интенсивность излучения, измеренную на длинноволновом крыле спектра излучения полупроводникового излучателя в энергетическом диапазоне, выбранном из условия:
<mrow><mi>h</mi><mi>ν</mi><mo><</mo><mi>h</mi><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
макс
где hν - энергия фотонов из фиксированной полосы энергий; hν - энергия фотонов, соответствующая максимуму полосы излучения светоизлучающего прибора при температуре активной области прибора; α - температурный коэффициент запрещенной зоны полупроводникового материала активной области светоизлучающего прибора; ΔТ - максимально допустимая температура перегрева активной области светоизлучающего прибора.
A.O
Температуру активной области T светоизлучающего прибора при пропускании рабочего тока I определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>A</mi><mo>.</mo><mi>O</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Ф</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Ф</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
1
2
3
4
1
2
и
окр
где Ф и Ф - значения интенсивностей излучения в фиксированной полосе длин волн, соответствующие двум значениям температур окружающей среды T и Т соответственно, а Ф и Ф - значения интенсивностей излучения и импульсного тока I и I соответственно, при заданных длительности t и скважности Q импульсов, измеренные при комнатной температуре Т.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения переходных тепловых характеристик СИД, связанная с нелинейностью передаточной характеристики устройства.
Наиболее близкими по совокупности существенных признаков являются способ и аппаратура для отслеживания во времени положения спектра электролюминесценции. Аппаратура включает источник инжекционного тока, монохроматор, ФЭУ и цифровой осциллограф. Основу способа измерения составляет исследование кинетики доминирующей длины волны спектра на светодиоде в зависимости от температуры нагрева активной области светодиодов, при этом положение начальной точки берется из импульсных измерений, избегая саморазогрева активной области, указывается, что длительность импульса должна быть достаточно мала, а скважность достаточно велика, (см. Луценко Е. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов и светодиодов с прямым жидкостным охлаждением чипа // Полупроводниковая светотехника, №2, 2011).
Известный способ для обеспечения точности измерения требует применения сложных быстродействующих фотоприемных устройств.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение аппаратуры, используемой при реализации предложенного способа измерения, и при этом обеспечение возможности измерения любых выбранных временных интервалов ПТХ с высоким разрешением.
Для реализации указанной задачи предложен способ измерения переходных тепловых характеристик светоизлучающих диодов,
сч
сч
при котором измеряют спектр излучения СИД при возбуждении короткими импульсами малой длительности без саморазогрева активной области, а также измеряют спектр излучения при постоянном токе инжекции с использованием монохроматора, осуществляют вычисление кинетики температуры активной области СИД по кинетике положения максимума спектра излучения СИД, отличающийся тем, что инжекционный ток подают в виде последовательности импульсов нарастающей длительности с периодом между импульсами, достаточными для остывания активной области и не менее времени Δτ считывания сигнала с выхода фотоприемной линейки, а при достижении длительности импульса времени Δτ на СИД подают постоянный инжекционный ток и измеряют спектр излучения в заданные моменты времени в течение цикла измерения вплоть до полного разогрева СИД.
В основе предлагаемого способа лежит использование линейной зависимости длины волны в максимуме спектра излучения СИД от температуры:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>λ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>T</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
T
0
где K - температурный коэффициент длины волны в максимуме спектра излучения СИД, Т - температура p-n перехода СИД до начала разогрева, то есть до подачи ступеньки греющей мощности (см., например, авторское свидетельство СССР №1586401, МКИ G01R 31/26. Устройство для определения температуры активной области светоизлучающих приборов; заяв. 1988, публ. 1990).
g
E
g
Возрастание длины волны в максимуме спектра излучения СИД с увеличением температуры p-n перехода объясняется фундаментальным явлением уменьшения ширины запрещенной зоны E полупроводника в активной области СИД. Температурный коэффициент этой длины волны в максимуме спектра излучения СИД является очень стабильной и независящей от внешних факторов величиной и связан с температурным коэффициентом α ширины запрещенной зоны E соотношением:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>T</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>н</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>K</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>н</mi><mi>м</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>э</mi><mi>B</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><msub><mi>a</mi><mi>E</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>э</mi><mi>B</mi><mo>/</mo><mi>K</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
0
где длина волны λ(Т) в максимуме спектра излучения СИД определяется известным выражением:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>н</mi><mi>м</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>1240</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>э</mi><mi>В</mi><mo>⋅</mo><mi>н</mi><mi>м</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>э</mi><mi>В</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
g
E
max
T
4
Для GaAs, например, E=1,42 [эВ] и α=-4·10 эВ/К. В этом случае λ равна 873,2 нм и, соответственно, значение температурного коэффициента длины волны K составляет 0,246 нм/К.
k
k
0
При осуществлении способа, по мере разогрева p-n перехода СИД положение максимума в спектре его излучения будет изменяться. Значение длины волны в максимуме спектра в заданные моменты времени t запоминаются и по этим значениям определяется смещение максимума в момент времени t от его исходного положения в момент времени t. Исходное значение длины волны в максимуме спектра может быть определено и зафиксировано при подаче на СИД последовательности коротких (порядка нескольких микросекунд) импульсов греющего тока с большой скважностью (порядка 100), когда разогревом p-n перехода СИД можно пренебречь. Смещение максимума длины волны излучения связано, согласно (3), с изменением температуры p-n перехода СИД:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Выражение (6) и есть искомая переходная тепловая характеристика СИД.
Заявляется также
Устройство для измерения переходных тепловых характеристик светоизлучающих диодов, содержащее генератор инжекционного тока, к выходу которого подключен исследуемый светоизлучающий диод, монохроматор и расположенный по ходу луча приемно-преобразовательный блок, отличающееся тем, что в устройстве последовательно соединены генератор инжекционного тока, светоизлучающий диод, электрооптический затвор, монохроматор и приемно-преобразовательный блок, включающий в качестве фотоприемного устройства многоэлементную фотоприемную линейку, первый и второй генераторы импульсов, АЦП и микроконтроллер с возможностью вывода на компьютер измеряемого параметра, причем выход фотоприемной линейки соединен с входом АЦП, выход АЦП соединен с входом микроконтроллера, управляющие выходы микроконтроллера соединены с входом генератора инжекционного тока и с входом первого генератора импульсов, выход которого соединен с управляющими входами электрооптического затвора и второго генератора импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами фотоприемного устройства и АЦП.
Для пояснения изобретения на фиг.1 показана структурная схема устройства, реализующего способ, а на фиг.2 - эпюры измерительных воздействий и сигналов.
Устройство, реализующее способ (фиг.1), содержит последовательно соединенные генератор инжекционного тока 1, исследуемый СИД 2, электрооптический затвор 3, монохроматор 4, приемно-преобразовательный блок (на фиг.1 обведен пунктирной линией), включающий в качестве ФПУ многоэлементную фотоприемную линейку 5, АЦП 6, микроконтроллер 7, первый и второй генераторы импульсов 8 и 9. Выход фотоприемной линейки 5 соединен с входом АЦП, выход АЦП соединен с входом микроконтроллера 7, управляющие выходы микроконтроллера соединены с входом генератора инжекционного тока 1 и с входом первого генератора импульсов 8, выход которого соединен с управляющими входами электрооптического затвора 3 и второго генератора импульсов 9, выходы которого соединены с управляющими входами фотоприемной линейки 6 и АЦП.
При этом исследуемый СИД располагается перед входной щелью монохроматора таким образом, чтобы указанная щель находилась на линии, соответствующей максимуму диаграммы направленности исследуемого СИД. Фоточувствительная поверхность многоэлементной фотоприемной линейки 5 располагается напротив выходной щели монохроматора, так что направление щели точно перпендикулярно фоточувствительной поверхности ФПУ, а оптическая ось выходной щели проходит через центр ФПУ перпендикулярно плоскости ее фоточувствительной поверхности.
Предложенное устройство позволяет применить в качестве ФПУ стандартную многоэлементную фотоприемную линейку в отличие от описанных в прототипе быстродействующих дорогостоящих стрик-камер или специальных быстрых ПЗС-камер и при этом обеспечивается измерение ПТХ с высоким разрешением.
Время считывания сигналов пикселей современных многоэлементных фотоприемных линеек с числом пикселей до 1000 составляет порядка 0,1-1 мс.
ик
ио
пк
ик
сч
ик
сч
Для обеспечения измерения ПТХ на начальном участке нагрева СИД вплоть до длительностей импульса инжекционного тока порядка 1 мс предлагается использовать стробоскопический принцип преобразования. Он заключается в том, что на исследуемый СИД подается последовательность импульсов инжекционного тока нарастающей длительности t, начиная с длительности t (порядка 10 мкс) и с паузами между импульсами длительностью t не менее 10 t+Δτ мс. За время паузы 10 t происходит остывание активной области СИД практически до температуры корпуса, а время Δτ необходимо для считывания информации с многоэлементной фотоприемной линейки.
Излучение СИД поступает через электрооптический затвор 3 на входную щель монохроматора 4, преобразующего оптический спектр в пространственное распределение интенсивности излучения. Преобразованное излучение поступает на многоэлементную фотоприемную линейку 5, осуществляющую преобразование пространственного спектра в электрический сигнал таким образом, что пространственной координате соответствует определенный момент времени в выходном сигнале фотоприемной линейки.
Для получения спектра излучения, соответствующего заданному моменту времени от начала подачи инжекционного тока, используется электрооптический затвор, который открывается на короткий интервал времени в конце импульса инжекционного тока. Длительность данного интервала времени в процессе измерения ПТХ не изменяется и определяет длительность засветки многоэлементной фотоприемной линейки. Минимальная длительность открытого состояния электрооптического затвора определяется чувствительностью применяемой многоэлементной фотоприемной линейки.
Ткр
Ткр
Шаг изменения длительности импульсов инжекционного тока определяется необходимой точностью измерения ПТХ СИД и характерными тепловыми постоянными времени СИД. Наименьшая тепловая постоянная времени τ определяется толщиной кристалла и температуропроводностью материала подложки. Обычно тепловая постоянная времени τ не меньше 250-300 мкс. На начальном участке ПТХ СИД можно измерять сдвиг максимума спектра через интервалы времени, изменяющиеся по логарифмической шкале, например 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкс и т.д. После того, как длительность импульса инжекционного тока достигнет 1 мс, что становится сравнимо со временем, необходимым для считывания сигнала с выхода многоэлементной фотоприемной линейки, на СИД подается постоянный инжекционный ток. И далее регистрируется спектр излучения СИД в заданные моменты времени с логарифмическим шагом (например 2 мс, 5 мс, 10 мс, 20 мс, 50 мс) вплоть до полного прогрева всей конструкции СИД, то есть до 30-40 мин.
Устройство работает следующим образом.
Микроконтроллер 7 формирует управляющие импульсы U8 для запуска генератора импульсов инжекционного тока 1. Импульсы U1 с его выхода поступают на вход исследуемого СИД 2 и вызывают его разогрев в течение импульса U1. Оптическое излучение U2 на выходе СИД 2 поступает на вход электрооптического затвора 3. Момент включения (пропускания) электрооптического затвора 3 определяется моментом подачи на него импульса U9 с выхода первого генератора импульсов 8, запускаемого управляющим импульсом U7 с выхода микроконтроллера 7. Ограниченная по длительности, соответствующей моменту времени, задаваемому импульсом U9, часть оптического излучения U3, прошедшая через электрооптический затвор 3, поступает на вход монохроматора 4. В монохроматоре 4 происходит преобразование оптического спектра излучения в пространственный спектр U4, который поступает на вход многоэлементной фотоприемной линейки 5. В результате работы электрооптического затвора на выходе фотоприемной линейки 5 формируется сигнал U5, соответствующий спектру излучения СИД 2 в момент времени, соответствующий моменту подачи импульса U9, синхронный с импульсом U10 второго генератора 9. Изменение во времени амплитуды электрического сигнала U5 на выходе фотоприемной линейки 5 повторяет форму спектра U4. Второй генератор импульсов 9 формирует сигнал U10, который определяет момент начала передачи электрического сигнала с выхода линейки 5, и сигнал U11, который определяет частоту последовательного опроса пикселей линейки 5. Аналого-цифровой преобразователь 6 осуществляет преобразование сигнала U5 с выхода фотоприемной линейки 5 в цифровую форму U6. Моменты выборок аналого-цифрового преобразователя 6 задаются импульсами U11. Сигнал U6 с выхода аналого-цифрового преобразователя 6 поступает на вход микроконтроллера 7. Микроконтроллер осуществляет обработку сигнала U6 и передачу информации о спектре излучения СИД в виде сигнала U12 на внешнее устройство, например на компьютер.