Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

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.

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_Ti) и теплоемкостей (C_Ti) или тепловых постоянных времени (τ_Ti= R_Ti·C_Ti) 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:

где hν - энергия фотонов из фиксированной полосы энергий; hν₁ - 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_макс - максимально допустимая температура перегрева активной области светоизлучающего прибора.

Температуру активной области T_A.O светоизлучающего прибора при пропускании рабочего тока I определяют по формуле:

где Ф₁ и Ф₂ - значения интенсивностей излучения в фиксированной полосе длин волн, соответствующие двум значениям температур окружающей среды T₁ и Т₂ соответственно, а Ф₃ и Ф₄ - значения интенсивностей излучения и импульсного тока I₁ и I₂ соответственно, при заданных длительности t_и и скважности Q импульсов, измеренные при комнатной температуре Т_окр.

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,

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_сч считывания сигнала с выхода фотоприемной линейки, а при достижении длительности импульса времени Δτ_сч 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:

где K_T - температурный коэффициент длины волны в максимуме спектра излучения СИД, Т₀ - 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).

Возрастание длины волны в максимуме спектра излучения СИД с увеличением температуры p-n перехода объясняется фундаментальным явлением уменьшения ширины запрещенной зоны E_g 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_E ширины запрещенной зоны E_g соотношением:

где длина волны λ_max(Т₀) в максимуме спектра излучения СИД определяется известным выражением:

Для GaAs, например, E_g=1,42 [эВ] и α_E=-4·10⁴ эВ/К. В этом случае λ_max равна 873,2 нм и, соответственно, значение температурного коэффициента длины волны K_T составляет 0,246 нм/К.

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_k запоминаются и по этим значениям определяется смещение максимума в момент времени t_k от его исходного положения в момент времени t₀. 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:

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.

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_ик, начиная с длительности t_ио (порядка 10 мкс) и с паузами между импульсами длительностью t_пк не менее 10 t_ик+Δτ_сч мс. За время паузы 10 t_ик происходит остывание активной области СИД практически до температуры корпуса, а время Δτ_сч 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.

Шаг изменения длительности импульсов инжекционного тока определяется необходимой точностью измерения ПТХ СИД и характерными тепловыми постоянными времени СИД. Наименьшая тепловая постоянная времени τ_Ткр определяется толщиной кристалла и температуропроводностью материала подложки. Обычно тепловая постоянная времени τ_Ткр 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.