СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ГРЕЮЩЕЙ МОЩНОСТИ
METHOD TO MEASURE THERMAL IMPEDANCE OF SEMICONDUCTING DIODES WITH USAGE OF POLYHARMONICAL MODULATION OF HEATING CAPACITY

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов.
ТЧП
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, 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).
ТЧП
Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U(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).
и
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 которых изменяется по гармоническому закону
0
τ=τ(1+a·sinωt)
0
сл
гр
где τ - средняя длительность импульсов; а - коэффициент модуляции; ω - частота модуляции. Период следования импульсов Т и амплитудное значение греющего тока I 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.
гр
ТЧП
изм
Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, через полупроводниковый диод пропускают последовательность импульсов греющего тока I с постоянным периодом следования, а в паузах между ними измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение на полупроводниковом диоде U при малом измерительном токе I. В отличие от прототипа, в котором модуляцию длительности греющих импульсов осуществляют по гармоническому закону, в заявляемом изобретении используют полигармонический закон
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>a</mi></mstyle><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
i
где N - количество гармоник в сигнале, с помощью которого осуществляют нагрев полупроводникового диода; ω - частота i-ой гармоники.
D
D
гр
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>¯</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Зависимость тока I 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 в момент протекания греющего тока, что позволяет принять напряжение U на вершине греющих импульсов постоянным. Тогда средняя за период модуляции греющая мощность
будет также изменяться по полигармоническому закону (фиг.1б):
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>¯</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>a</mi></mstyle><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>sin</mi></mrow></mstyle><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mi>t</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- постоянная составляющая греющей мощности;
1
0
P=P·а - амплитуда гармоник переменной составляющей греющей мощности.
ТЧП
изм
T
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 на полупроводниковом диоде при малом измерительном токе I (фиг.1в). Это позволяет при известном температурном коэффициенте напряжения К определить изменение температуры p-n перехода полупроводникового диода Т относительно начальной (комнатной) температуры:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Ч</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>К</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
i
i
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) на частотах модуляции ω:
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
i
i
где A(ω) и B(ω) - вещественные и мнимые Фурье-трансформанты температуры.
T
i
i
i
1
i
Модули теплового импеданса |Z(ω)| на частотах ω определяются отношением амплитуд гармоник температуры T(ω) и греющей мощности P(ω):
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>T</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
i
i
i
i
Фазы теплового импеданса φ(ω) на частотах ω определяются отношением мнимых и вещественных Фурье-трансформант B(ω) и A(ω):
<mrow><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>B</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
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.
гр
ТЧП
изм
ТЧП
ТЧП
i
i
i
i
1
i
T
i
Способ осуществляют следующим образом. С выхода формирователя 2 греющих импульсов на полупроводниковый диод 5 поступает заданное микроконтроллером 3 количество импульсов греющего тока I, 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, возникающее при протекании через него малого измерительного тока I, сформированного источником 1. Напряжение U 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}, 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) и фаз φ(ω) гармоник на частотах модуляции греющей мощности ω. Используя амплитудные значения температуры T(ω) и греющей мощности P(ω) определяют модули теплового импеданса |Z(ω)| 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.