МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Сергеев Вячеслав Андреевич; Смирнов Виталий Иванович; Гавриков Андрей Анатольевич; Юдин Виктор Васильевич

УДК 681.518.3

Микропроцессорный измеритель теплового сопротивления полупроводниковых диодов

В. А. Сергеев

Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

ВИ.Смирнов, А.А.Гавриков, В.В.Юдин Ульяновский государственный технический университет

Тепловое сопротивление переход-корпус ЯТп к полупроводниковых диодов определяется как отношение приращения температуры А© п р-п-перехода относительно температуры корпуса к приращению рассеиваемой мощности АР, вызвавшей нагрев. На практике широко используется способ [1] измерения ЯТп к по изменению прямого падения напряжения на диоде

при малом токе до и сразу после разогрева диода импульсом греющего тока. Греющую мощность Рд определяют по измерению напряжения ид на диоде при протекании греющего тока

1д : Рд = ид 1д . Этот способ имеет невысокую точность, поскольку изменение напряжения на

диоде после выключения греющего импульса определяется как тепловыми, так и электрическими переходными процессами [1]. Разделить эти два фактора не представляется возможным. Этого недостатка лишен способ измерения ЯТп к диодов [2], состоящий в последовательной

подаче на диод импульсов греющего тока постоянной амплитуды 1д. В промежутках между импульсами подается малый измерительный ток 1изм, а величину обратную скважности

Q~1 = ти/Тсл импульсов изменяют по линейно-1-1

му закону: Q = , где SQ - крутизна зависимости Q~1(t), ти и Тсл - длительность и период следования импульсов греющего тока соответственно. По линейному закону будет изменяться и средняя за период мощность

Р ^ ) = рассеиваемая в кристалле. При

рения теплового сопротивления переход-корпус диода т << т

сл Т

где тТ - тепловая постоянная

2п-к

времени переход-корпус диода, температура перехода ©п (0 будет пульсировать, постепенно нарастая (рис.1). Через время t > 3ттп к тепловой режим диода станет регулярным и средняя

температура р-п-перехода и огибающая итп(0 напряжения на диоде при малом прямом токе будут изменяться по линейному закону. Измеряя скорость 3 = dUта/Л изменения огибающей итп(0, можно определить тепловое сопротивление переход-корпус диода:

Ят

3

КТ1 дид ^

(1)

где Кт - температурный коэффициент напряжения на диоде при измерительном токе. Влияние переходных электрических процессов при этом способе измерения теплового сопротивления слабее, поскольку измеряется не абсолютное значение температуры перехода, а скорость ее изменения.

п-к

Способ реализован в микропроцессорном измерителе теплового сопротивления диодов, структурная схема которого показана на рис.2. Работой прибора управляет микроконтроллер (МК) ATmega 128. МК задает пачку импульсов греющего тока с Тсл = const и линейно нарастающей длительностью. Во время протекания греющего тока измеряется напряжение на диоде (на рис.2 - U1), а через несколько микросекунд после окончания каждого греющего импульса -напряжение на диоде (на рис.2 - U2) при токе I изм, усиленное дифференциальным усилителем относительно опорного напряжения иоп. Преобразование напряжений в код осуществляет 10-разрядный АЦП, входящий в состав периферии МК. Через время t > 3ттп к по измеренным значениям U2 методом наименьших квадратов вычисляется скорость изменения UXn(t): S = dUTa/ dt и далее тепловое сопротивление Rt по формуле (1).

Управление величиной тока

Управление ШИМ

Цо

Блок формирования импульсов

У

Генератор тока 1

Дифферен-

циальный усилитель

Управление/данные С и ==£>]

MCU ATmega 128

RXD

TXD

RS-232

ЖК-индикатор

Кнопки управления

Рис.2. Структурная схема микропроцессорного измерителя теплового сопротивления светодиодов

Результаты измерений отображаются на ЖК-индикаторе и могут передаваться в персональный компьютер через интерфейс RS-232. В измерителе организована система меню, причем все текущие настройки прибора по окончании измерений сохраняются в энергонезависимой памяти МК. В режиме измерений на экран выводятся измеренные значения теплового сопротивления и ряд вспомогательных параметров для контроля функционирования прибора. В режиме настройки можно задать величину греющего тока и значение температурного коэффициента Кт .

Программа обработки измерительной информации реализована в среде Borland C++ Builder. Результаты измерений могут отображаться как в графическом, так и в текстовом виде, при этом возможно отображение результатов нескольких измерений на одном графике, перемещение по графику и определение значений точек графика, изменение масштаба; предусмотрено автоматическое ведение базы данных результатов измерений и их статистическая обработка. Диапазон измеряемых тепловых сопротивлений от 5 до 500 К/Вт, погрешность - не более 5%. Прибор позволяет исследовать зависимости RT (Iд) в диапазоне токов от 10-150 мА.

А 1п-к ^

При исследовании зависимости Rt (1д) красных AlInGaP/GaAs светоизлучающих диодов

(СИД) с многоямной гетероструктурой частота следования греющих импульсов составляла 4 кГц, а их длительность изменялась от 10 до 158 мкс с шагом 4 мкс, коэффициент Кт устанавливался равным 1,0 мВ/К [3]. На выборке объемом N = 43 штук среднее значение Rt к при токе 50 мА составило 100,6 К/Вт, СКО измерения -ort = 16,4 К/Вт, СКО среднего значения -

<jrt = 2,5 К/Вт. У всех СИД в диапазоне токов 50-110 мА Rth к заметно растет с

полным током (рис.3.), что объясняется ростом неоднородности токораспределе-ния в диодной структуре. Чем больше

U

2

U

крутизна зависимости Rt (1д), тем больше неоднородность распределения тока и температуры в приборной структуре и тем менее надежным в реальных условиях эксплуатации будет диод.

Предложенный способ позволяет оперативно и с более высокой точностью по сравнению со стандартным методом измерять зависимость теплового сопротивления полупроводниковых диодов от тока. Микроконтроллерное устройство, реализующее описанный способ, может быть использовано для отбраковки потенциально ненадежных диодов с аномально большой крутизной зависимости теплового сопротивления от полного тока.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект № 2.1.2/4606.

Литература

1. Аронов В.Л., Федотов Я.А. Исследование и испытание полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа, 1975. - 325 с.

2. Пат. РФ. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов / В.А.Сергеев. - Бюлл. изобретений. - 2002. - № 3.

3. Сергеев В.А., Широков А.А. Зависимости температурного коэффициента напряжения гетеропереходных све-тодиодов от тока и температуры // Изв. вузов. Электроника. - № 6. - 2007. - С. 71-73.

Поступило 10 марта 2009 г.

Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, доцент, директор УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: токораспре-деление и теплофизические процессы в твердотельных структурах, полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах; методы и средства измерения теплофизических параметров изделий электронной техники. E-mail: sva@ulstu.ru

Смирнов Виталий Иванович - профессор кафедры проектирования и технологии электронных средств УлГТУ. Область научных интересов: разработка автоматизированных измерительных средств.

Гавриков Андрей Анатольевич - аспирант кафедры проектирования и технологии электронных средств УлГТУ. Область научных интересов: разработка автоматизированных измерительных средств.

Юдин Виктор Васильевич - аспирант базовой кафедры радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ. Область научных интересов: методы и средства контроля качества полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по теплоэлектрическим характеристикам.

Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Оформить годовую подписку на электронную версию журнала можно на сайте Научной Электронной Библиотеки:

www.elibrary.ru

Текст научной работы на тему «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»