СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА
METHOD OF LIGHT-EMITTING DIODE TRANSIENT THERMAL CHARACTERISTICS MEASURING

Изобретение относится к оптоэлектронной измерительной технике и может быть использовано для измерения тепловых параметров полупроводниковых светоизлучающих диодов как на этапах разработки и производства светодиодов, так и на входном контроле предприятий-производителей светотехнических изделий с использованием светодиодов.
Ti
Ti
Ti
Ti
Ti
Ключевой задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых приборов (ППП) является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы. На основе тепловой эквивалентной схемы можно рассчитывать приращение температуры активной области ППП в любых динамических режимах работы ППП при известном законе изменения греющей мощности. В приближении одномерной тепловой эквивалентной схемы задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R) и теплоемкостей (С) или тепловых постоянных времени (τ=R⋅C) отдельных слоев материалов, составляющих структуру и конструкцию ППП. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) ППП.
Известен способ измерения ПТХ ППП с р-n-переходом по кривой остывания (см. Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1967. - С. 33), состоящий в том, что исследуемый ППП разогревается заданной постоянной электрической мощностью до установившегося теплового режима, затем разогревающую электрическую мощность отключают и измеряют изменение температуры p-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого используется прямое падение напряжения на контролируемом p-n-переходе при малом прямом токе. Недостатками известного способа является большое время измерения, обусловленное необходимостью предварительного разогрева ППП до установившегося теплового режима и последующего охлаждения до температуры окружающей среды. Фактически время измерения в два раза превышает длительность ПТХ.
Известен способ измерения ПТХ ППП по точкам (см. Технический справочник по кремниевым управляемым вентилям-тиристорам / пер. с англ. под ред. В.А. Лабунцова и А.Ф. Свиридова. - М.: Энергия, 1964 или Gutzwiller F., Sylvan Т. Power Semiconductors Rating Under Transient and Intermittent Loads // Communications and Electronics. - 1961. - №52), заключающийся в том, что на ППП подается импульс электрической мощности заданной величины и длительности, после окончания импульса мощности через контролируемый p-n-переход пропускают малый прямой ток и определяют изменение температуры p-n-перехода по изменению прямого падения напряжения на p-n-переходе до и после подачи импульса. Недостатком указанного способа является необходимость подачи большого числа импульсов греющей мощности различной длительности (хотя бы 5-7 импульсов на декаду временного диапазона изменения тепловых постоянных времени ППП), 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 для охлаждения активной области ППП до исходной температуры. В результате общее время измерения будет превышать длительность ПТХ в 4-6 раз.
Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами (см. IС 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 моменты времени на короткий промежуток времени (порядка единиц микросекунд) греющая мощность отключается, через контролируемый p-n-переход пропускают малый прямой ток и измеряют ТЧП - падение напряжения на p-n-переходе, по изменению которого и определяется приращение температуры p-n-перехода ППП. Этот метод реализован, в частности, в измерительной установке T3Ster - Thermal Transient Tester (см. T3Ster - Thermal Transient Tester // www.mentor.com/micred).
Общим недостатком указанных выше способов измерения ПТХ является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе сразу же после выключения импульса греющей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в ППП при переключении из греющего режима в измерительный режим (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 32). Для уменьшения этой погрешности измерение ТЧП необходимо проводить через некоторое время задержки после выключения импульса греющей мощности, за которое электрический переходный процесс практически завершится; однако за это время температура p-n-перехода может заметно измениться. При этом постоянная времени релаксации электрических процессов заранее не известна, сильно зависит от величины греющего тока) и может значительно отличаться от образца к образцу.
Для полупроводниковых светодиодов в качестве ТЧП можно использовать параметры оптического излучения, в частности длину волны в максимуме спектра излучения. Известно (см., например, Луценко Е.В. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов и светодиодов с прямым жидкостным охлаждением чипа // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №2. - С. 26-29), что длина волны в максимуме спектра излучения светодиодов линейно зависит от температуры активной области (p-n-перехода):
n
mах
n
mах
0
Т
n
0
Δλ(Т)=λ(T)-λ(Т)=K(Т-Т),
T
n
0
где K - температурный коэффициент длины волны в максимуме спектра излучения светодиода, Т - температура p-n-перехода светодиода в заданный момент времени после начала разогрева, Т - температура р-n-перехода светодиода до начала разогрева.
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения ПТХ светодиодов, выбранный за прототип (см. Патент №2523731 РФ. Способ измерения переходных тепловых характеристик светоизлучащих диодов / Сергеев В.А., Черторийский А.А., Беринцев А.В. - Опубл. 20.07.2014, Бюл. №20), состоящий в том, что в начале цикла измерения через светодиод пропускают импульсы греющего тока заданной амплитуды и увеличивающейся длительности, излучение светодиода пропускают через монохроматор, в заданные моменты времени в паузах между импульсами определяют номер пиксела фотоприемной линейки, расположенной после выходной щели монохроматора, уровень сигнала которого максимален, причем длительность паузы между импульсами устанавливают достаточной и для считывания сигнала с фотоприемной линейки и для остывания активной области светодиода до исходной температуры, а при достижении длительности импульса греющего тока значения, в несколько раз превышающего время считывания сигнала с фотоприемной линейки, на светодиод подают постоянный ток той же величины, в заданные моменты времени вплоть до установившегося теплового режима светодиода определяют номер пиксела фотоприемной линейки, уровень сигнала которого максимален, приращение температуры активной области светодиода определяют по изменению номера пиксела фотоприемной линейки, уровень сигнала которого максимален, в процессе саморазогрева светодиода, то есть по величине смещения максимума спектра излучения светодиода вдоль фотоприемной линейки.
Недостатком известного способа является большое время измерения ПТХ на начальном участке нагрева светодиода, обусловленное необходимостью многократного повторения (из-за низкого быстродействия ПЗС-линейки) импульсов греющего тока нарастающей длительности вплоть до длительности, в несколько раз превышающей время считывания сигнала с фотоприемной линейки, и с длительностью пауз между импульсами, превышающей несколько тепловых постоянных времени кристалла и достаточной для считывания сигнала с фотоприемной линейки.
Технический результат - уменьшение времени измерения переходных тепловых характеристик светодиодов.
Технический результат достигается тем, что в известном способе через светодиод пропускают греющий ток заданной величины, излучение светодиода пропускают через монохроматор, в заданные моменты времени определяют положение максимума спектра излучения светодиода на линейном фотоприемном устройстве, расположенном после выходной щели монохроматора, и по величине смещения положения максимума спектра излучения светодиода вдоль фотоприемной линейки определяют изменение температуры активной области светодиода, в качестве фотоприемного устройства используется фотоприемная КМОП-матрица, содержащая несколько линеек (строк) фоточувствительных элементов (пикселей), в заданные моменты времени после подачи греющего тока фиксируются и считываются сигналы пикселей соответствующих строк КМОП-матрицы и по номеру пиксела, значение сигнала которого максимально, определяется изменение (смещение) длины волны в максимуме спектра излучения светодиода по отношению к начальному значению, по которому и определяется приращение температуры активной области светодиода.
В предлагаемом способе исключена необходимость подачи на светодиод в начале цикла измерения импульсов греющего тока нарастающей длительностью с относительно большими паузами между ними, поскольку спектр излучения подается одновременно на все строки фотоприемной КМОП-матрицы и для определения положения максимума спектра на линейном фотоприемном устройстве в заданные моменты времени поочередно используется строки КМОП-матрицы.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема варианта устройства, реализующего способ, а на фиг. 2 и фиг. 3 - эпюры измерительных воздействий и сигналов.
Устройство, реализующее способ (фиг. 1), содержит теплоотводящую пластину 1 с клеммами 2 для подключения контролируемого светодиода 3, источник греющего тока 4, устройство управления 5, монохроматор 6, матричное фотоприемное устройство 7 с независимым считыванием сигналов каждой строки, анализатор-вычислитель 8, запоминающее устройство 9. При этом одна клемма для подключения контролируемого светодиода соединена с положительном полюсом источника питания, а вторая клемма - с общей шиной, с которой соединен также отрицательный полюс источника питания, контролируемый светодиод располагается перед входной щелью монохроматора таким образом, чтобы указанная щель находилась на линии, соответствующей максимуму диаграммы направленности контролируемого светодиода, один из выходов устройства управления соединен с управляющим входом источника греющего тока, а другой - с входом управления матричным фотоприемным устройством, рабочая поверхность которого с фоточувствительными элементами (пикселами) располагается напротив выходной щели монохроматора, так что направление щели точно совпадает с направлением столбцов фотоприемной матрицы, при этом оптическая ось выходной щели монохроматора проходит через центр фотоприемной матрицы перпендикулярно плоскости рабочей поверхности матрицы, сигнальный выход матричного фотоприемного устройства соединен с входом анализатора-вычислителя, а выход анализатора-вычислителя соединен с входом запоминающего устройства.
гр
i
сч
ФЭ
i
i
mах
i
i
i
i+1
i
Устройство работает следующим образом. Контролируемый светодиод 3 размещается на теплоотводящей пластине 1 и подключается к клеммам 2 соответствующими выводами в прямом включении. По сигналу «Пуск» (фиг. 2, а) запускается устройство управления 5, которое импульсом U1 включает источник греющего тока 4 и на светодиод 3 подается постоянный греющий ток заданной величины I (фиг. 2, б), излучение светодиода 3 поступает на входную щель монохроматора 6, преобразующего оптический спектр в пространственное распределение интенсивности излучения, пространственный спектр светодиода с выходной щели монохроматора поступает на матричное фотоприемное устройство 7; устройство управления 5 по заданному алгоритму в определенные моменты времени вырабатывает управляющие импульсы U2 (фиг. 2, в), поступающие на управляющий вход матричного фотоприемного устройства 7, по сигналу i-го управляющего импульса в момент времени t фиксируются и за время τ считываются сигналы U фоточувствительных элементов (пикселей) i-й строки матричного фотоприемного устройства (фиг. 2, г, д, е) и передаются в анализатор-вычислитель 8; анализатор-вычислитель 8 определяет номер k пиксела i-й строки, сигнал которого имеет наибольшее значение, по номеру k вычисляет изменение (смещение) Δλ[t] длины волны в максимуме спектра излучения светодиода и приращение температуры ΔT[t] его активной области в заданный момент времени t по отношению к начальному значению и эти значения передает в запоминающее устройство 9, затем в момент времени t фиксируются и считываются сигналы i+1-й строки матричного фотоприемного устройства и процесс повторяется до считывания сигналов всех М строк матричного фотоприемного устройства, так что, в результате, в запоминающем устройстве формируется массив из М значений ΔТ{t}, соответствующих моментам времени циклы измерения повторяются до достижения стационарного теплового режима светодиода. По окончании цикла измерения массив данных может быть передан на устройство отображения или печати.
ФПУ
ФПУ
i
Ширина части спектра Δλ светодиода, которая будет экспонироваться на матричное фотоприемное устройство, определяется расстоянием от поверхности фотоприемника до диспергирующего элемента монохроматора. Если на строку матричного фотоприемного устройства попадает часть спектра шириной Δλ, то изменение (смещение) длины волны излучения светодиода в результате саморазогрева к моменту времени t определяется по формуле:
где N - число пикселей в строке КМОП-матрицы, и соответственно, приращение температуры активной области светодиода к моменту времени будет равно
Заметим, что в данном способе определяется не абсолютное значение длины волны излучения в максимуме спектра в заданные моменты времени, а вычисляется изменение этого значения в заданные моменты времени по отношению к начальному значению.
Ткр
Tкр
Выбор моментов времени, в которые происходит считывание сигналов фоточувствительных элементов строк матричного фотоприемного устройства определяется необходимой точностью измерения ПТХ светодиода и его характерными тепловыми постоянными времени. Наименьшая тепловая постоянная времени τ соответствует кристаллу светодиода, определяется толщиной кристалла и коэффициентом температуропроводности полупроводника. Обычно величина τ составляет не меньше 200-250 мкс, поэтому на начальном участке достаточно измерять сдвиг спектра светодиода через интервалы времени, изменяющиеся по логарифмической шкале, начиная с 30 мкс (например: 30, 50, 70, 100, 200, 300, 500, 700, 1000 мкс и т.д. по 7…10 отсчетов на декаду) вплоть до полного прогрева всей конструкции светодиодного изделия до стационарного теплового режима, то есть до 30-40 мин. Таким образом, полный временной интервал измерения переходной тепловой характеристики составляет 10 декад. Если в каждой декаде осуществлять по 10-12 отсчетов, то потребуется матрица, содержащая всего 100-120 строк. При использовании матрицы с большим числом строк избыточные строки можно использовать для повышения точности измерения сдвига спектра путем статистического усреднения полезных сигналов.
ФПУ
Для регистрации изменения температуры величиной 0,1 K необходимо регистрировать сдвиг спектра примерно на 0,02 нм. При ширине экспонируемой на фотоприемную матрицу части спектра Δλ светодиода величиной 20 нм для обеспечения необходимой разрешающей способности в 0,02 нм необходимо N=1000 фоточувствительных элементов в строке, что реализуется во многих современных матричных фотоприемных устройствах.