CN103616628B - 肖特基栅场效应晶体管温升和热阻测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
肖特基栅场效应晶体管温升和热阻测量方法及装置属于微电子技术中，半导体器件测量技术领域。本发明设计了控制信号控制的快速切换开关；漏源电压切断与栅压由反偏转为正偏的延时精确地由FPGA控制模块设定及输出；正向测试电流下，肖特基结电压的稳态过程与器件自身电容和测试电流值相关，通过采用恒温下，结电压的建立过程，作为恒温参考结电压，减小计算工作下温升的延时误差；采用FPGA设计了漏源电压、漏源电流、栅源电压的采集和设定功能，可以实现小于毫秒级时间的反馈功能，可以有效保护器件由于振荡或误操作带来的器件烧毁。
Description
技术领域：
该技术属于微电子技术中，半导体器件测量技术领域。该发明主要应用于半导体肖特基结器件（半导体GaAs、GaN和SiC MESFET功率微波器件）工作温升和热阻的测量。
背景技术：
半导体器件，特别是功率半导体器件工作时，会产生大量的热，致使器件有源区温度升高。这将加速半导体器件的性能恶化。如工作寿命变短和器件的性能变差。影响半导体器件温升的因素一方面与器件工作时产生的热量有关；另一方面则与从有源区到周围环境散热的路程中，各环节材料散热特性相关。一般为半导体材料的芯片、焊料、热沉和封装管壳。准确测量出半导体器件工作时有源区处的温升可以分析器件的封装散热特性，也是实际工程应用中必须了解的重要参数。
目前测量半导体肖特基栅器件温升和热阻的方法主要有红外热像仪法，通过表面的温度分布，测量出半导体器件的温升和热阻。但该测量技术操作复杂，测量周期长，有的器件还需打开器件管冒，带来一定的破坏性。
现有电学法测量肖特基栅器件温升和热阻的方法中，由于正常工作时，栅极处于反向偏置，漏源极施加电压，并产生工作电流。而测量状态是先切断漏源电压，再将栅极由反向偏置，转换为正向偏置，要迅速采集到正向恒定电流下栅电压值。从工作转向测量状态，存在的关键问题是，切断漏源电压后，工作功率去除，温度会开始下降，能否迅速采集到正向栅电压，就决定了获取有效温度的关键。但是，漏源电压去掉过程尚未结束，栅电压就开始由反偏转为正偏会损伤、甚至烧毁器件。但若该转换过程过慢，有源区温度下降，会影响采集的温度精度。
现有技术中，有的采用栅完全打开模式，利用漏源电压和电流产生等效功率测量温升，对有些正常工作在反向偏置下的器件来说，该结果不是工作状态的温升。
发明内容：
本发明的主要发明点在于：设计了控制信号控制的快速切换开关；漏源电压切断与栅压由反偏转为正偏的延时精确地由FPGA控制模块设定及输出；正向测试电流下，肖特基结电压的稳态过程与器件自身电容和测试电流值相关，通过采用恒温下，结电压的建立过程，作为恒温参考结电压，减小计算工作下温升的延时误差；采用FPGA设计了漏源电压、漏源电流、栅源电压的采集和设定功能，可以实现小于毫秒级时间的反馈功能，可以有效保护器件由于振荡或误操作带来的器件烧毁。
基于这些发明点，能够更精确测量获取肖特基栅器件加功率后，有源区温度随时间的上升过程，即瞬态加热响应曲线，并通过该曲线分辨出器件的主要热阻构成。
本发明提供的一种肖特基栅半导体器件的温升和热阻测量装置，其特征在于，包括以下部分
测量的方框图见图1。
首先被测器件401放置在可调温的恒温平台402上。计算机100是实施测量的中心，测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成。计算机100分为两路。一路时序控制FPGA单元200，分别接入电源模块300，控制输出栅极电压源301、测试电流源302、漏极电压源303，接入时序脉冲信号304，控制状态控制切换开关305。状态控制切换开关305中的栅源反偏电压和正向测试电流状态由一个通道输出，受控于时序脉冲信号304，状态控制切换开关305中的漏源电压的通、断受控于时序脉冲信号304。状态控制切换开关305的两路输出先接入保护电路306，再从保护电路306分别串联工作电流采样电阻501接到被测器件401的漏极、串联测试电流采样电阻502接到被测器件401的栅极。工作电流采样电阻501、测试电流采样电阻502两端的电压，以及被测器件401的栅源电压、漏源电压输出至状态监控器201，再经由FPGA单元200与计算机100实现设置和接收双向控制。
从计算机100分出的另一路，接入采集器202。由被测器件401的测试电流下的栅电压接入截取放大器308，受参考电压电位器307的截取后，输出至采集器202，并传给计算机100。基准电压309接入参考电压电位器307，给参考电压电位器307提供基准电压。
使用上述连接的装置，测量被测器件401温度系数的方法：
1）将被测器件401接触放置在可调温度的恒温平台402上；接好被测器件401上的两端导线；设恒温平台的温度为T1；
2）通过计算机100设置漏源电压为零，经FPGA单元200设置正向栅源测试电流，小于正常漏源工作电流的1%，以保证产生的升温可以忽略。控制采集指令由脉冲的下降沿触发，以启动采集器202采集。
3）计算机100通过采集器202，采集经截取放大器308，截取、放大被测器件401在测试电流下的栅源电压；
4）截取放大器308固定截取、放大被测器件401栅源两端电压中含有随温度变化的部分，输出给采集器202；经计算机采集、平均后，得到T1温度下，未加工作电流时，测试电流下的被测器件401两端电压Vgsf1，经采集器202传到计算机100，并显示采集的数据；
5）将恒温平台升高温度到T2，重复步骤3、步骤4测量相同测试电流下的端电压Vgsf2，其温度系数是□=（Vgsf2-Vgsf1）/（T2-T1）；即温度每升高一度测试电流下栅源肖特基结电压的改变量；或者选择多次改变恒温平台温度，重复步骤3、4的测量；然后利用最小二乘法计算出温度系数。选择多次改变恒温平台温度可以提高温度系数精度。温度系数测量后，数据存盘。只要保持相同的测试电流，温度系数就可以使用；
使用上述连接的装置，测量被测器件温升和热阻的方法
I、将被测器件401接触放置在可调温度的恒温平台402上；连接好被测器件401栅、源、漏导线；设恒温平台温度为T0；
II、保持与测量温度系数相同的测试电流下，通过计算机100设定工作电压Vds为零，通过FPGA单元200产生一个控制脉冲指令给漏极电压源303；在高电平向低电平转换的下降沿，触发采集器202，采集经截取放大器308，截取、放大被测器件401在T0温度下，未加工作电压时，测试电流下的栅源电压V1(t)。其中，包含了切换至下降沿时，由反偏至正偏测试电流充电下的较短时间内结电压变化成份。
III、通过计算机100设定加工作电压Vds，工作电流Ids，施加功率时间tH，冷却采集时间tC，通过FPGA单元200产生相应的控制指令给栅极电压源301、测试电流源302、漏极电压源303。
IV、执行测量程序，计算机100经FPGA单元200、电源模块300、状态控制切换开关305，输出设定的工作和测量脉冲；该脉冲从0到tH时间段为工作模式，工作电压为Vds、电流Ids，栅压为Vgs，并且这些参数值经状态监控器201、FPGA单元200返回计算机100。
V、到tH时刻，切换为测量状态，工作电压为Vds=0、电流Ids=0，栅压由负偏转为正偏，并触发采集器202，采集正向恒流下的被测器件401栅压Vgsf随时间变化，直到tC结束，并输出Vgsf(t)返回计算机100。由于设计的状态控制切换开关305，受时序脉冲信号304的精确控制，关断漏源电压和栅电压转换位正向偏置的延迟时间可达到纳秒量级。Vgsf(t)中也包含了最初几个微秒量级的正向测试电流充电造成结电压变化成份。
VI、测得的Vgsf(t)与步骤II测得的V1(t)差就是由于工作功率产生的温升，带来的变化；随冷却时间增加，Vgsf(t)与V1(t)的差变小，逐渐趋于零；Vgsf(t)与V1(t)的差，再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段tH内，使被测器件401的产生的温升，△T(t)=（Vgsf(t)-V1(t)）/α；
VII、被测器件401工作时加载功率=Vds Ids，温升△T除以功率就是热阻，Rth(t)=△T(t)/(Vds Ids)；
VIII、通过对Rth(t)实施结构函数法处理，得到被测器件401热阻构成。
附图说明
图1本发明装置示意图。
图中序号对应的名称如下：
100计算机 302测试电流源 308截取放大器
200FPGA单元 303漏极电压源 309基准电压
201状态监控器 304时序脉冲信号 401被测器件
202采集器 305状态控制切换开关 402恒温平台
300电源模块 306保护电路 501工作电流采样电阻
301栅极电压源 307参考电压电位器 502测试电流采样电阻
图2栅极和漏极电压时序图。
其中：0-t1为初始状态，t1-t2为加热阶段，t2-t3为过渡阶段，t3-t4为冷却采集阶段，t4之后为初始状态。tH为加热时长，tC为采集时长。
图3栅极电压变化示意图。
其中：曲线1为不加功率时的栅极电压变化示意图，曲线2为加功率后的栅极电压变化示意图。
具体实施方式
首先被测器件401放置在可调温的恒温平台402上,恒温平台可以使用半导体致冷器构成。计算机100是实施测量的中心，测量指令的发送、测量数据传输和保存均由计算机100控制完成。计算机100通过USB连接FPGA单元200。FPGA单元200可使用Altera CycloneII EP2C8Q208C8N。FPGA单元200连接电源模块300。电源模块300包括栅极电压源301、测试电流源302以及漏极电压源303。
栅极电压源301可以使用OP07和TIP42C构成。栅极电压源301一端接到FPGA单元200，接收由计算机100设定的栅极电压指令。栅极电压源301另一端接到状态控制切换开关305。测试电流源302可以使用OP07和C9014构成。测试电流源302一端接FPGA单元200，接收由计算机100设定的测试电流指令。测试电流源302另一端接到状态控制切换开关305。漏极电压源303可以使用OP07和MJ11016构成。漏极电压源303一端接FPGA单元200，接收由计算机100设定的漏极电压指令。漏极电压源303另一端接到状态控制切换开关305。切换开关305可以使用IRF530构成。切换开关305三个输入端分别接入由栅极电压源301输出的栅极电压、测试电流源302输出的测试电流和漏极电压源303输出的漏极电压；两个输出端分别接到保护电路306，再从保护电路306分别串联工作电流采样电阻501接到被测器件401的漏极、串联测试电流采样电阻502接到被测器件401的栅极，保护电路可以使用AT89C2051构成；另一个控制端接到FPGA单元200，由FPGA单元提供时序脉冲信号304，控制工作状态以及测试状态的切换。
状态监控器201由MAX197构成，状态监控器201采集四路电压值，发送给FPGA单元200，实时监控四个主要电参数的状态：一路直接接到被测器件401的漏极，采集被测器件401的漏极电压；另一路直接接到被测器件401的栅极，采集被测器件401的栅极电压；第三路连接到工作电流采样电阻501的两个采样端，工作电流采样电阻501可使用低温度系数的合金带电阻，工作电流采样电阻501的两个输入端的一端接入保护电路306的漏极输出端，另一输入端接到被测器件401的漏极，采集工作电流采样电阻501上的电压，得到被测器件401的工作电流。第四路连接到测试电流采样电阻502的两个采样端，测试电流采样电阻502同样可使用低温度系数的合金带电阻，测试电流采样电阻502的两个输入端的一端接入保护电路306的栅极输出端，另一输入端接到被测器件401的栅极，采集测试电流采样电阻502上的电压，得到被测器件401的测试电流。
状态控制切换开关305受来自计算机100的指令控制。器件工作时，栅极电压源301输出电压到被测器件401的栅极，漏极电压源303输出电压到被测器件401的漏极。测量时，测试电流源302输出电流到被测器件401的栅极，而漏极电压断开。
被测器件401在测试电流下的栅源电压是由采样频率1MHz以上、12位以上采集器202完成的，采集器202可使用高速AD转换器AD574。采集器202一端通过USB接到计算机100，从计算机100接收指令，并发送数据给计算机100，一端接到截取放大器308，截取放大器308可以由高速运算放大器OPA843构成。截取放大器308接到被测器件401的栅极。截取放大器308的功能是截取掉大部分不变化的成分，有效放大随温度变化的部分，保证测量的精度。测试电流下被测器件401的栅源电压经截取放大器308截取放大后，由采集器202采集并传到计算机100，显示出采集的电压波形。
截取放大器308接出了参考电压电位器307，参考电压电位器307可用精密多圈电位器构成。参考电压电位器307一端接到基准电压309，另一端接地。基准电压309可由LM336组成。
本发明的半导体MESFET/HEMT器件的温升和热阻测量方法的具体实施方式如前所述，本处不再赘述。
Claims (3)
1.肖特基栅场效应晶体管温升和热阻测量装置，其特征在于：
被测器件放置在可调温的恒温平台上；计算机分为两路：一路时序控制FPGA单元，分别接入电源模块，控制输出栅极电压源、测试电流源、漏极电压源，接入时序脉冲信号，控制状态控制切换开关；状态控制切换开关中的栅源反偏电压和正向测试电流状态由一个通道输出，受控于时序脉冲信号，状态控制切换开关中的漏源电压的通、断受控于时序脉冲信号；状态控制切换开关的两路输出先接入保护电路，再从保护电路分别串联工作电流采样电阻接到被测器件的漏极、串联测试电流采样电阻接到被测器件的栅极；工作电流采样电阻、测试电流采样电阻两端的电压，以及被测器件的栅源电压、漏源电压输出至状态监控器，再经由FPGA单元与计算机实现设置和接收双向控制；
从计算机分出的另一路，接入采集器；由被测器件的测试电流下的栅电压接入截取放大器，受参考电压电位器的截取后，输出至采集器，并传给计算机；其中，基准电压给参考电压电位器提供基准电压。
2.应用权利要求1所述装置测量被测器件温度系数的方法，其特征在于，步骤如下：
1)将被测器件接触放置在可调温度的恒温平台上；接好被测器件上的导线；设恒温平台的温度为T1；
2)通过计算机设置漏源电压为零，经FPGA单元设置正向栅源测试电流，小于正常漏源工作电流的1％，以保证产生的升温可以忽略；控制采集指令由脉冲的下降沿触发，以启动采集器采集；
3)计算机通过采集器，采集经截取放大器截取、放大被测器件在测试电流下的栅源电压；其中截取放大器固定截取、放大的信号是被测器件栅源两端电压中含有随温度变化的部分，输出给采集器；经计算机采集、平均后，得到T1温度下，未加工作电流时，测试电流下的两端电压Vgsf1，经传到计算机，并显示采集的数据；
4)将恒温平台升高温度到T2，重复步骤3)测量相同测试电流下的端电压Vgsf2，其温度系数α＝(Vgsf2-Vgsf1)/(T2-T1)，即温度每升高一度测试电流下栅源肖特基结电压的改变量；或者选择多次改变恒温平台温度，重复步骤3)的测量，然后利用最小二乘法计算出温度系数。
3.应用权利要求1所述装置测量被测器件温升和热阻的方法，其特征在于，步骤如下：
I、将被测器件接触放置在可调温度的恒温平台上；连接好被测器件栅、源、漏导线；设恒温平台温度为T0；
II、保持与测量温度系数相同的测试电流下，通过计算机设定工作电压Vds为零，通过FPGA单元产生一个控制脉冲指令给漏极电压源；在高电平向低电平转换的下降沿，触发采集器，采集经截取放大器截取、放大被测器件在T0温度下，未加工作电压时，测试电流下的栅源电压V1(t)；
III、通过计算机设定加工作电压Vds，工作电流Ids，施加功率时间tH，冷却采集时间tC，通过产生相应的控制指令给栅极电压源、测试电流源、漏极电压源；
IV、执行测量程序，计算机经FPGA单元、电源模块和状态控制切换开关，输出设定的工作和测量脉冲；该脉冲从0到tH时间段为工作模式，工作电压为Vds、电流Ids，栅压为Vgs，并且这些参数值经状态监控器、FPGA单元返回计算机；
V、到tH时刻，切换为测量状态，工作电压为Vds＝0、电流Ids＝0，栅压由负偏转为正，并触发采集器，采集正向恒流下的被测器件栅压Vgsf随时间变化，直到tC结束，并输出Vgsf(t)返回计算机；
VI、测得的Vgsf(t)与步骤II测得的V1(t)差就是由于工作功率产生的温升，带来的变化；随冷却时间增加，Vgsf(t)与V1(t)的差变小，逐渐趋于零；Vgsf(t)与V1(t)的差，再除以温度系数α就是测量的设定工作电流和设定的工作电流施加时间段tH内，使被测器件的产生的温升，ΔT(t)＝(Vgsf(t)-V1(t))/α；温度系数α＝(Vgsf2-Vgsf1)/(T2-T1)；Vgsf1为T1温度下未加工作电流时，测试电流下的两端电压，Vgsf2为T2温度下未加工作电流时，测试电流下的两端电压；
VII、被测器件工作时加载功率＝Vds Ids，温升ΔT(t)除以功率就是热阻，Rth(t)＝ΔT(t)/(Vds Ids)；
VIII、通过对Rth(t)实施结构函数法处理，得到被测器件热阻构成。
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