CN106771942A - 双极型晶体管工作在放大区的结温实时测量方法 - Google Patents

Abstract

双极型晶体管工作在放大区时结温的实时测量方法，属于半导体器件测试领域。本发明在双极型晶体管工作在不同集电结电压V_ce和集电极电流I_ce的条件下测量出发射结电压与温度的V_be‑T关系曲线，通过拟合得到校温曲线的函数表达式，并在不同集电结电压V_ce条件下分别构建I_ce‑V_be‑T的结温库。当晶体管工作在放大区时，根据加电条件，即集电结电压V_ce和集电极电流I_ce的数值，和实时测量出的发射结电压V_be，带入函数表达式即可得知该时刻的结温。该方法拟合出不同加电条件下的校温曲线并得出相应的函数表达式，只需将实时测量出的发射结电压带入其中即可得到此时刻的结温。该方法科学合理，误差较小，是一种高效的结温实时测量方法。

Description

双极型晶体管工作在放大区的结温实时测量方法

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，主要应用于双极型晶体管工作在放大区时结温的实时测量。

背景技术

半导体器件随着工作功率的不断增大，器件工作时产生的热量将不断增多，结温升高，导致器件寿命下降，因此结温是半导体器件可靠性的重要指标，准确测量出器件工作时的结温十分重要。双极型晶体管因具有放大作用而广泛应用在军事、航天和工业等诸多领域；因此，能够准确测量晶体管工作在放大区时的结温尤为重要。目前多采用电学法测量，常用的开关式电学法测量，会产生延迟使测量结果不准确；非开关式电学法是在器件工作状态下，不引入测试电流，实时测量，测量结果更加准确。

发明内容

本发明提出了双极型晶体管工作在放大区的结温实时测量方法。

双极型晶体管工作在放大区时结温的实时测量方法，其特征在于：本方法在集电结电压V_ce和集电极电流I_ce对应不同数值的条件下，测量出发射结电压与温度的V_be-T关系曲线，拟合出校温曲线的函数表达式，并在不同集电结电压V_ce的条件下分别构建I_ce-V_be-T的结温库；晶体管工作在放大区时，根据集电结电压V_ce和集电极电流I_ce的不同数值在结温库中找出对应的值；并实时测出发射结电压V_be，将数值代入校温曲线表达式即可求出此时对应的结温；

将双极型晶体管放在温箱中，并设定不同的温度，待温度恒定后，可以认为此时结温与温箱温度相同；集电极加电压，发射极接地，基极加脉冲电流防止自升温；做出集电结电压V_ce和集电极电流I_ce对应不同值条件下，发射结电压V_be随温度T变化的曲线；同时列出不同电流I_ce条件下V_be-T的曲线关系；不同电压V_ce条件下V_be-T的曲线关系；校温曲线上的每个点对应的基极电流I_be和发射结电压V_be所对应的温度T都是不同的，由于集电结电压V_ce远大于发射结电压V_be，集电极电流I_ce远大于基极电流I_be，因此晶体管的功率P＝V_ce*I_ce；根据校温曲线可以发现发射结电压V_be和温度T呈线性关系，线性关系表达式为V_be＝V_g(0)-T₁、T为V_be1、V_be电压下所对应的温度，V_g(0)为绝对零度时PN结材料的导带底到价带顶的电势差，以硅衬底为例取V_g(0)为1258.9mV，T₁、T为绝对温度，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数；对校温曲线进行拟合，得到不同I_ce条件下校温曲线的函数表达式，对于已知集电结电压V_ce条件下，任取该条件下不同I_ce曲线上任意一点的T₁和V_be1的数值，并实时测量出发射结的电压V_be，即得出此时相应条件下对应的结温。

所述的双极型晶体管工作在放大区的结温实时测量方法，该方法包括以下步骤，

S1、将双极晶体管放在温箱内，引脚通过导线外接晶体管参数测试仪并分别设定温箱温度，当温箱的温度达到了设定的温度并保持稳定一段时间后，发射极接地，集电极分别加不同数值的恒定电压，基极分别加不同数值的脉冲电流，在不同的温度下测得I_ce、I_be、V_be；

S2、对所测量晶体管的数据进行处理，做出了在V_ce恒定条件下不同电流I_ce对应的V_be和温度T的关系图线，做出了在I_ce恒定条件下不同电压V_ce对应的V_be和温度T的关系图线；通过曲线可以发现发射结电压V_be和温度T呈线性关系；

S3、PN结正向电流I_F和压降V_F存在关系可知：发射结压降V_be和电流I_be的关系

上式中，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I_S为反向饱和电流；

C是与结面积和掺杂浓度有关的常数，r为少数载流子迁移率对温度的关系常数即r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系；将(2)式带入(1)式两边取对数得，

S4、令I_be为常数，设当温度从T₁变为T时，发射结压降V_be1变为V_be，

(3)式和(4)式联立得

理想线性温度相应V_be应取如下形式，

等于T₁温度时的值；

将(7)式代入(6)式得

理想线性响应和实际响应相比较，理论偏差为

取r、T₁、T分别代入(9)式得Δ，相应得出V_be的改变量，相比之下误差非常小；所以(3)式写为

将温度T₁、电压V_be1、电流I_be1代入(10)式得出将ln C代入(10)得，

S5、将I_be1和I_be代入中计算，相比之下非常小可忽略，则 T为某时刻的结温，V_be是该时刻下的集电结电压，T₁、V_be1是校温曲线上任一点对应的温度和发射结电压，因为所以斜率是定值，因此V_be和T呈线性关系；

S6、将校温曲线进行拟合，得到函数表达式，当晶体管工作在放大区时，得到不同I_ce条件下校温曲线的函数表达式，对于已知集电结电压V_ce条件下，任取该条件下不同I_ce曲线上任意一点的T₁和V_be1的数值，并实时测量出发射结的电压V_be，带入表达式即可知道此时该条件下对应的结温。

本发明的有益效果是：双极型晶体管，在电压V_ce电流I_ce恒定条件下，推导出证明校温曲线发射结电压V_be和温度T的线性关系，对不同功率下的校温曲线进行拟合，得出函数表达式，在晶体管工作在放大区时，实时测量出发射结电压代入函数表达式中即可求出此时的结温。此方法简单并且误差较小，可用来实时测量。

附图说明

图1电压V_ce＝20V不同电流I_ce条件下V_be-T的曲线关系图

图2电流I_ce＝200mA不同电压V_ce条件下V_be-T的曲线关系图

图3电压V_ce＝20V不同电流I_ce条件下的拟合校温曲线

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。

S1、将双极晶体管放在温箱内，引脚通过导线外接晶体管参数测试仪，如AgilentB1500，分别设定温箱温度如40,60,80,100,120,140,160,180℃，当温箱的温度达到了设定的温度并保持稳定一段时间后，发射极接地，集电极分别加恒定电压如5V,10V,20V,30V，基极分别加脉冲电流如50μA-13.45mA，步长是50μA，在不同的温度下测得I_ce、I_be、V_be。

S2、对所测量晶体管的数据进行处理，做出了在V_ce＝20V不同电流I_ce条件下对应的V_be和温度T关系图像见图1，做出了在I_ce＝200mA不同电压V_ce条件下对应的V_be和温度T关系图像见图2。通过图像可得出发射结电压V_be和温度T呈线性关系。

S3、由半导体物理知识和PN结知识可知，PN结正向电流I_F和压降V_F存在关系可推知：发射结压降V_be和电流I_be的关系q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I_S为反向饱和电流，C是与结面积和掺杂浓度有关的常数，r也为常数(r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系)。将(12)式带入(11)式两边取对数得，

S4、令I_be为常数，设当温度从T₁变为T，发射结压降V_be1变为V_be时， (13)式和(14)式联立得 理想线性温度相应V_be应取如下形式， 等于T₁温度时的值。将(17)式代入(16)式得理想线性响应和实际响应相比较，理论偏差为取r＝3.4，T₁＝300K,T＝310K，代入(19)式得Δ＝0.048mV，相应V_be的改变量约为20mV，相比之下误差甚小。所以(13)式可写为将温度T1、电压V_be1、电流I_be1代入(20)式得出将ln C代入(20)得，

S5、将I_be1和I_be代入中计算，数量级为10^-3，相比之下非常小可忽略，则T、V_be可以取任意值，T₁、V_be1是校温曲线上任一点对应的温度和发射结电压，则斜率是定值，因此V_be和T呈线性关系。

S6、将校温曲线拟合，见图3，得到函数表达式，在晶体管工作在放大区时，可以得到不同I_ce条件下校温曲线的函数表达式，对于已知集电结电压V_ce条件下，任取该条件下不同I_ce曲线上任意一点的T₁和V_be1的数值，并实时测量出发射结的电压V_be，即可知道此时该条件下对应的结温。

Claims (2)

1.双极型晶体管工作在放大区时结温的实时测量方法，其特征在于：

本方法在集电结电压V_ce和集电极电流I_ce对应不同数值的条件下，测量出发射结电压与温度的V_be-T关系曲线，拟合出校温曲线的函数表达式，并在不同集电结电压V_ce的条件下分别构建I_ce-V_be-T的结温库；晶体管工作在放大区时，根据集电结电压V_ce和集电极电流I_ce的不同数值在结温库中找出对应的值；并实时测出发射结电压V_be，将数值代入校温曲线表达式即可求出此时对应的结温；

将双极型晶体管放在温箱中，并设定不同的温度，待温度恒定后，可以认为此时结温与温箱温度相同；集电极加电压，发射极接地，基极加脉冲电流防止自升温；做出集电结电压V_ce和集电极电流I_ce对应不同值条件下，发射结电压V_be随温度T变化的曲线；同时列出不同电流I_ce条件下V_be-T的曲线关系；不同电压V_ce条件下V_be-T的曲线关系；校温曲线上的每个点对应的基极电流I_be和发射结电压V_be所对应的温度T都是不同的，由于集电结电压V_ce远大于发射结电压V_be，集电极电流I_ce远大于基极电流I_be，因此晶体管的功率P＝V_ce*I_ce；根据校温曲线可以发现发射结电压V_be和温度T呈线性关系，线性关系表达式为 T₁、T为V_be1、V_be电压下所对应的温度，V_g(0)为绝对零度时PN结材料的导带底到价带顶的电势差，以硅衬底为例取V_g(0)为1258.9mV，T₁、T为绝对温度，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数；对校温曲线进行拟合，得到不同I_ce条件下校温曲线的函数表达式，对于已知集电结电压V_ce条件下，任取该条件下不同I_ce曲线上任意一点的T₁和V_be1的数值，并实时测量出发射结的电压V_be，即得出此时相应条件下对应的结温。

2.根据权利要求1所述的双极型晶体管工作在放大区的结温实时测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

S1、将双极晶体管放在温箱内，引脚通过导线外接晶体管参数测试仪并分别设定温箱温度，当温箱的温度达到了设定的温度并保持稳定一段时间后，发射极接地，集电极分别加不同数值的恒定电压，基极分别加不同数值的脉冲电流，在不同的温度下测得I_ce、I_be、V_be；

S2、对所测量晶体管的数据进行处理，做出了在V_ce恒定条件下不同电流I_ce对应的V_be和温度T的关系图线，做出了在I_ce恒定条件下不同电压V_ce对应的V_be和温度T的关系图线；通过曲线可以发现发射结电压V_be和温度T呈线性关系；

S3、PN结正向电流I_F和压降V_F存在关系可知：发射结压降V_be和电流I_be的关系

$I_{be}=I_s\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_{be}}{kT}\right)---\left(1\right),$

上式中，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I_S为反向饱和电流；

$Is={\mathrm{CT}}^r\exp \[\frac{{\mathrm{qV}}_{g\left(0\right)}}{kT}\]---\left(2\right),$

C是与结面积和掺杂浓度有关的常数，r为少数载流子迁移率对温度的关系常数即r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系；将(2)式带入(1)式两边取对数得，

$V_{be}=V_{g\left(0\right)}-\left(\frac{k}{q}ln\frac{C}{I_{be}}\right)T-\frac{kT}{q}{\mathrm{lnT}}^r---\left(3\right);$

S4、令I_be为常数，设当温度从T₁变为T时，发射结压降V_be1变为V_be，

$V_{be1}=V_{g\left(0\right)}-\left(\frac{k}{q}ln\frac{C}{I_{be}}\right)T-\frac{{\mathrm{kT}}_1}{q}{{\mathrm{lnT}}_1}^r---\left(4\right),$

(3)式和(4)式联立得

$V_{be}=V_{g\left(0\right)}-\[V_{g\left(0\right)}-V_{be1}\]\frac{T}{T_1}-\frac{kT}{q}ln{\left(\frac{T}{T_1}\right)}^r---\left(5\right),$

理想线性温度相应V_be应取如下形式，

等于T₁温度时的值；

$\frac{\∂V_{be1}}{\∂T}=-\frac{V_{g\left(0\right)}-V_{be1}kT}{T_1}-\frac{kT}{q}r---\left(7\right),$

将(7)式代入(6)式得

理想线性响应和实际响应相比较，理论偏差为

$\mathrm{\Δ}=\frac{k}{q}(T_1-T)r+\frac{kT}{q}ln{\left(\frac{T}{T_1}\right)}^r---\left(9\right),$

取r、T₁、T分别代入(9)式得Δ，相应得出V_be的改变量，相比之下误差非常小；所以(3)式写为

$V_{be}=V_{g\left(0\right)}-\left(\frac{k}{q}ln\frac{C}{I_F}\right)T---\left(10\right),$

将温度T₁、电压V_be1、电流I_be1代入(10)式得出将ln C代入(10)得，

$V_{be}=V_{g\left(0\right)}-\frac{k}{q}\{ln\frac{I_{be1}}{I_{be}}+\frac{q\[V_{g\left(0\right)}-V_{be1}\]}{{\mathrm{kT}}_1}\}T;$

S5、将I_be1和I_be代入中计算，相比之下非常小可忽略，则 T为某时刻的结温，V_be是该时刻下的集电结电压，T₁、V_be1是校温曲线上任一点对应的温度和发射结电压，因为所以斜率是定值，因此V_be和T呈线性关系；

S6、将校温曲线进行拟合，得到函数表达式，当晶体管工作在放大区时，得到不同I_ce条件下校温曲线的函数表达式，对于已知集电结电压V_ce条件下，任取该条件下不同I_ce曲线上任意一点的T₁和V_be1的数值，并实时测量出发射结的电压V_be，带入表达式即可知道此时该条件下对应的结温。