CN1036357C - 砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法 - Google Patents

Abstract

砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法属于半导体器件测试技术领域。其特点是：分别在工作状态下加有加热脉冲电压的栅极负偏压以及只加有栅极负偏压且其管芯温度与环境温度相等的条件下测出器件向测量状态转换时的Vgsf与t的曲线和只加负偏压且在设定的不同管芯温度下各V′gsfl与时间的曲线，求出在一定栅极负偏压下的温度系数与时间的关系曲线把冷却曲线经过外推并使用器件多层三维模型求出在任意工作条件下的沟道温度、热阻、峰值沟道温度和峰值热阻。

Description

砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法

一种砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法属于半导体器件测试技术领域。

砷化镓场效应晶体管(GaAs MESFET)沟道温度T_oh一般是根据图1所示的原理图进行测量的(参见Electrical ThermalTesting Puts Quality in GaAs FET Systems，By Bernard  S-.Siegal，Sage En-terprises，Inc.MSN：August 1981)。其中，K₁是电子开关，D、G、S分别是漏、栅和源极。V_DS是外加的加热脉冲电压，I_gf是棚极电流，V_gsf是栅极电压。其工作过程请见图2的Theta 220A热阻测试仪波形图。在全部时间内，栅极加有小的正向测量电流I_M。在t₁时间内未对器件施加加热脉冲电压V_DS和相应的漏极电流I_DS。根据I_M可测得栅源正向压降V_gsf1。在t₂时间内对器件施加V_DS和I_DS，使其处于特定工作状态。在t₃时间内去掉V_DS和I_DS，使器件从该工作状态转换成测量状态，再次根据I_M可测得测量状态下的栅源正向压降V_gsf2。然后，根据已知的相应于V_gsf的温度系数T_v由下述公式即可获得器件的热阻R_th： $R_{\mathrm{th}}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{ch}}}{P_{\mathrm{DISS}}}=\frac{V_{\mathrm{gsf}1}-V_{\mathrm{gsf}2}}{T_v{\mathrm{DV}}_{\mathrm{DS}}{I}_{\mathrm{DS}}}$

其中，D为t₂与t₃的比值。

该法的优点是测试电路简单，但在全过程中始终有小的栅极正向测量电流I_M存在，而器件在正常工作时栅极又是用负压反向偏置的，因而不能测量任意工作条件，尤其是正常工作时的器件热阻，且在器件上施加的功率也受到很大限制。之所以如此，是因为T_ch由以下公式决定；当栅极始终存在小的正向测量电流I_M时，

         T_ch＝(V_gsf1-V_gsf2)/T_v+T_c

其中：T_ch是沟道温度，T_v是温度系数，T_c是环境温度。在上述条件下，I_M是恒定的，V_gsf1、V_gsf2都与器件管芯温度T成线性关系，T_v近似常数。

但当器件由负栅压偏置的工作状态向测量状态转换时，由于自身电容的影响，I_M由零达到稳定值有一个过程，因而T_v是t的函数，此时间常数一般仅为2～5μs，于是，T_ch也与时间有关，即：

         T_ch(t)＝[V_gsf1(t)-V_gsf2(t)]/T_v(t)+T_c而 $T_v\left(t\right)={\left|\frac{{{\∂V}^{\′}}_{\mathrm{gsf}1}\left(t\right)}{\∂T}\right|}_{{\mathrm{Igs}}^{=\mathrm{const}}}$

由于上述时间常数的存在，造成了测量的困难，另外T_v值一般为1.0～1.6mV/℃，其测量精度要求极高，因而无法对T_v进行精确测定。

我们设想，如果使器件在栅极加负偏压，且在没有加热脉冲电压的状态下，当使其向测量状态转换时，用同样的采样时间间隔，先后测出使管芯温度等于不同环境温度T，即处于管芯温度校正状态下的V′_gsf1与t的关系曲线，就可解决由于栅极电流随时间变化而带来的T_v的时变性问题以及相应的难于对T_v作精确测定的问题。请见图3～4，其中，K₂、K₃是电子开关，V_GSR是负栅压。

本发明的目的在于提供一种可在任意工作条件下测量砷化镓场效应晶体管沟道温度和热阻的方法。

本发明所提出的砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法，其特征在于：它包含以下步骤：

1、在t₀时间内，在设定的环境温度T_c下，使被测管从负栅压驱动向正向小栅极电流1_M状态转换，测定其在t₁时间内的转换过程中的栅压V_gsf1(t)曲线；

2、从t₁+时刻起，在t₂时间内，先后向被测管栅极施加负栅极电压V_GSR，和加热脉冲电压V_DS使其处于工作状态；

3、从t₂-时刻起，先后去掉电压V_DS与V_GSR，使被测管从工作状态转换到测量状态；

4、从t₂+时刻起，在t₃时间内，在设定的时间区间，等时间间隔地测定V_gsf2值，作出反映器件冷却过程的V_gsf2与t的关系曲线；

5、在设定的环境温度范围内，在未对被测器件施加加热脉冲电压(即使管芯温度等于环境温度)而只施加上述V_GSR电压的条件下，对应于设定的各个环境温度值，重复被测器件从工作状态转换到测量状态的过程并以与上述相同的时间间隔去逐时逐刻地测出栅压V′_gsf1与t的关系曲线，再根据温度系数公式： $T_v\left(t\right)={\left|\frac{{{\∂V}^{\′}}_{\mathrm{gsf}1}\left(t\right)}{\∂T}\right|}_{{\mathrm{Igs}}^{=\mathrm{const}}}$ 去求出T_v与t的关系，曲线T_v(t)即所谓的校正曲线，其中T为管芯温度即环境温度；

6、根据V_gsf1(t)、V_gsf2(t)以及T_v(t)[V_GSR＝const]的关系曲线通过热阻公式：

       T_ch(t)＝[V_gsf1(t)-V_gsf2(t)]/T_v(t)+T_c去求出器件的冷响应曲线即T_ch(t)，其中， T_c为环境温度，也是器件的壳温，再根据此曲线外推到t＝0时刻即可求得T_ch(0)；

7、用电峰值法求出被测器件的峰值沟道温度T_p：

       T_p＝ΔT_ch/r+T_c

    ΔT_ch＝ΔT_ch(0)-T_c；

   r＝(ΔT_avg/ΔT_p)模拟值

ΔT_avg为用多层三维器件热模型计算出的平均温升；

ΔT_p为用多层三维器件热模型计算刍芯片有源区的峰值温升；

关于多层三维热模型的计算方法请见A.G.Kokka作的“多层结构的热分析”，见I EEE.Trans.onElectron Device，Vol.11，No.21，1974。

8、根据下述公式算出被测器件在工作状态下的热阻R_th $R_{\mathrm{th}}=\frac{T_{\mathrm{ch}}\left(t\right)-T_c}{P_{\mathrm{DISS}}}=\frac{T_{\mathrm{ch}}\left(0\right)-T_c}{{\mathrm{DI}}_{\mathrm{DS}}{V}_{\mathrm{DS}}}$ 其中，D为t₂与t₃之比值；I_DS为漏电流；V_DS为工作电压。

下面对附图进行图面说明。图1：Theta 220A型热阻测试仪原理图；图2：Theta 220A型热阻测试仪的波形图；图3：本发明使用的测试装置原理图；图4：本发明使用的测试装置的波形图；

图5：本发明使用的测试装置的电路框图；

图6：本发明使用的测试装置的程序流程图。

实施例：

本方法是通过图5所示的电路框图来实现的。其中，计算机1的主要任务是用于向控制器2下达操作指令并接收、处理测量数据。后者的作用是处理收到的数据并发出操作指令。时序调整电路3是用于把控制器2发出的开关控制信号先后转换成两路信号去分别控制栅极开关电路4和漏极开关电路5，该两路信号间的延时是为了防止被测器件烧毁或受大电流冲击。上述两个开关电路4、5是用于控制被测器件在工作状态(即加热状态)和测量状态之间相互转换用的，6和7分别是供应上述两个开关电路的可编程控制电源，它可通过编程来改变被测器件的工作点。8是用于向被测器件栅极提供恒定小电流的恒流源。9是隔离放大电路，它可把被测器件10的栅压放大或压缩后分别送入控制器2或与其双向连接的高速A/D转换器11。12是电流电压转换电路，它可把电流I_DS转换成电压信号后送往控制器2。13是隔离放大电路，它可把漏极电压放大或压缩后送入控制器2。该控制器分别有三个A/D转换器去接收上述三个信号。14是带有加热元件15、热电偶16的恒温器，它可在控制器2的控制下为测试台17提供环境温度T_c。18是漏极电流I_DS的过流保护电路。19是小键盘，20是显示器。

图6是为了实施本方法而设计的程序流程框图。

下面表1分别给出了GaAs MESFET分别采用本法和红外微热像仪法测得的结果：表1：

器件编号	工作器件			本测试法		红外法
								VDS(V)	IDS(V)	Tc(℃)	Tch(℃)	Rth(℃/W)	Tch(℃)	Rth(℃/W)
	1	7	80	30	55.0	44.6	53.87								42.6
2								8	100	60	81.7	27.1	79.12	23.8
	3	7	400	60	108.9	17.5	106.81								16.7

Claims (1)

1、砷化镓场效应晶体管沟道温度测试方法，其特征在于：它包含以下步骤：

(1)在t₀时间内，在设定的环境温度T_c下，使被测管从负栅压向小正向棚极电流I_gs转换，测出被测管在t₁时间内的转换过程中的棚压V_gsf1(t)曲线；

(2)从t₁+的时刻起，在t₂时间内，先后向被测管栅极施加负棚极电压V_GSR，和加热脉冲电压V_DS使其处于工作状态；

(3)从t₂-时刻起，先后去掉电压V_DS与V_GSR，使被测管从工作状态转换到测量状态；

(4)从t₂+时刻起，在t₃时间内，在设定的时间范围内，等时间间隔地测定V_gsf2值，作出反映器件冷却过程的V_gsf2与t的关系曲线；由V_gsf1(t)和V_gsf2(t)可得到ΔV_gs～t曲线；

(5)在设定的环境温度范围内，在未对被测器件施加加热脉冲电压(即使管芯温度等于环境温度)而只施加上述V_GSR的条件下，对应于设定的各个环境温度值，重复被测器件从工作状态向测量状态转换并以与上述相同的时间间隔，测出棚压V′_gsf1与t的关系曲线，再根据温度系数公式： $T_v\left(t\right)={\left|\frac{{V^{\′}}_{\mathrm{gst}1}\left(t\right)}{T}\right|}_{{\mathrm{Igs}}^{=\mathrm{const}}}$ 去求出T_v与t的关系曲线，即校正曲线，其中T为管芯温度即环境温度；

(6)根据V_gsf1(t)、V_gsf2(t)以及T_v(t)[V_GSR＝const]的关系曲线通过热阻公式：

       T_oh(t)＝[V_gsf1(t)-V_gsf2(t)]/T_v(t)+T_c求出器件的冷响应曲线即T_oh与t的关系曲线，其中，T_ch为器件的沟道温度(平均值)，T_c为环境温度，也是器件的壳温，再根据外推到t＝0时刻，求得器件工作条件下的沟道温度T_ch(0)；

(7)用电峰值法求出被测器件的峰值沟道温度T_p：

         T_p＝ΔT_ch/r+T_c

ΔT_ch为T_ch随时间而变的增量；

       r＝(ΔT_avg/ΔT_p)模拟值；

ΔT_avg为用多层三维器件热模型计算出的芯片有源区的平均温升；

ΔT_p为用多层三维器件热模型计算出的芯片有源区的峰值温升；

(8)根据下述公式算出被测器件在工作状态下的热阻R_th： $R_{\mathrm{th}}=\frac{T_{\mathrm{ch}}\left(t\right)-T_c}{P_{\mathrm{DISS}}}=\frac{T_{\mathrm{ch}}\left(O\right)-T_c}{{\mathrm{DI}}_{\mathrm{DS}}{V}_{\mathrm{DS}}}$

其中，D为时间t₂与t₃之比值；I_DS为漏电流；V_DS为工作电压。

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