CN109541428B - 一种采用源漏短接减少hemt热阻测量自激振荡的方法和装置 - Google Patents

一种采用源漏短接减少hemt热阻测量自激振荡的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法和装置，属于半导体器件电学和热学测量技术领域。所述装置包括：HEMT热阻测试仪、防自激电路、测试平台和被测HEMT器件。所述方法包括：将被测HEMT安装于防自激电路中，固定在测试平台上，并与HEMT热阻测试仪相连接，在测试过程中，通过采用防自激振荡技术，大幅度减少HEMT器件自激振荡的发生，从而实现HEMT器件的稳定加热及测量，同时采用一种快速开关技术，在测量前快速短路HEMT源漏两端，减少由于防自激振荡电路引入的各项电学参数，如电容、电感等，对切换时间带来的影响，提高测量结果的准确性。本发明可实现HEMT结温及热阻的稳定测量，并具有较好的通用性。

Description

一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法和装置
技术领域：
本发明公开了一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法和装置，属于半导体器件电学和热学测量技术领域。
背景技术：
GaN基HEMT器件作为第三代半导体器件的代表之一，从一问世就受到半导体从业人员的广泛关注，尤其是其在高压、高频率、大功率的应用一直是科学研究的热点问题。而半导体器件性能受结温影响巨大，尤其是GaN基HEMT器件在高压下，功率密度高、温度变化剧烈。因此，准确测量HEMT器件的结温和热阻就显得十分必要。然而由于受到HEMT器件材料的影响，尤其是高源漏电压下，HEMT器件结温和热阻的测量往往受到自激振荡的影响，导致其无法直接测量，甚至会损坏器件和热阻测试仪本身。同时，现有的防自激技术采用阻抗匹配的方式，但阻抗匹配引入的电学参数将导致测量转换时间变慢，从而无法采集测量过程中前几十微秒里温度变化的关键信息。因此HEMT器件结温和热阻的测量成为了行业内急需解决的技术问题。
本发明设计了一种带有防自激电路的HEMT热阻测试仪，可有效减少高电压下自激振荡的发生，同时设计了一种快速短路开关，在测试时快速短接HEMT源漏两端，用于解决这种防自激电路引入的负面影响，使测量转换时间最高可达到5微秒，从而实现HEMT器件结温和热阻的测量。本发明通用性较好，在不更换防自激电路的情况下，可实现不同型号HEMT器件的测量。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明的主要发明点是：设计了与热阻仪相匹配的防自激电路，同时设计了一种快速短路开关，在测试时快速短接HEMT源漏两端，解决了该防自激电路带来的负面影响，提高测量转换时间，实现了稳定测量HEMT器件高压下的结温和热阻参数。
一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法和装置，其特征在于：
该装置主体包括有：热阻测试仪100、防自激电路200、测试平台300；
所述热阻测试仪100包括：热阻测试仪；101：计算机；102：采集卡；103：工作电源开关；104：工作电源；加热时，工作电源104经工作电源开关控制，为被测HEMT器件201提供工作电压，栅压电源105经栅压电源/测试电流源切换开关107控制，为被测HEMT器件201提供栅电压，测试时，测试电流源106经栅压电源/测试电流源切换开关107控制，为被测HEMT器件201提供测试电流，快速短路开关108迅速短路被测HEMT器件201源漏两端，采集卡102采集被测HEMT器件的电学温敏参数，计算机101将处理采集电学温敏参数，得到瞬态响应曲线和热阻构成等数据；
所述防自激电路200是一块具有防自激振荡功能的电路，将被测HEMT器件201安装在电路中经导线引出与热阻测试仪100连接。
所述测试平台300由导热系数大于200W/m·K的材料制成的高导热恒温平台、水箱及其相应的导热液循环和控制系统，将防自激电路200固定在恒温平台上。
应用上述装置测量HEMT器件结温及热阻的方法，其特征在于：
测量时，将被测HEMT器件201安装在防自激电路200中，经导线引出与热阻测试仪100的采集卡102、工作电源开关103、栅压电源/测试电流源切换开关107和快速短路开关108连接；工作电源104与工作电源开关103连接并受其控制，栅压电源105、测试电流源与栅压电源/测试电流源切换开关连接并受其控制；采集卡102、工作电源开关103、工作电源104、栅压电源105、测试电流源106、栅压电源/测试电流源切换开关107、快速短路开关108与计算机101连接并受其控制；防自激电路200固定在测试平台300上，使被测HEMT器件与测试平台300具有充分的热接触；
打开测量软件后，由计算机101发出指令，设置工作电源104、栅压电源105、测试电流源106至相应参数；将测试平台300设置为相应温度T1；
启动测量程序后，计算机101发出指令控制栅压电源/测试电流源切换开关107将测试电流源106经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，采集卡101采集此时被测HEMT器件201栅源两端电压V0；
然后，计算机101发出指令控制栅压电源/测试电流源切换开关107将栅极电压105经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，短暂的延迟后，计算机101发出指令，控制工作电源开关103将工作电源104经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的源漏两端，计算机101发出指令使采集卡102采集此时被测HEMT器件201源漏两端电压Vds和漏电电流Id，并计算出被测HEMT器件201的工作功率P＝Vds×Id。
待被测HEMT器件的温度不再发生变化，达到稳态时，由计算机101发出指令，控制工作电源开关103关断工作电源104，短暂的延迟后，由计算机101发出指令，控制栅压电源/测试电流源切换开关107将测试电流源106经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，以及控制快速短路开关108将被测HEMT器件201的源漏两端短接，同时控制采集卡102采集被测HEMT器件201栅源两端电压随时间的变化V(t)；
被测HEMT器件201温敏参数的温度系数为K，可得到被测HEMT器件201结温随温度的变化为T(t)＝(V(t)-V0)/K，由计算机101通过处理结温变化T(t)及工作功率P最终可得到最高结温、瞬态响应曲线及热阻构成等。
附图说明：
图1是测量HEMT器件结温及热阻装置的示意图；
其中，100：热阻测试仪；101：计算机；102：采集卡；103：工作电源开关；104：工作电源；105：栅压电源；106：测试电流源；107：栅压电源/测试电流源切换开关；108：快速短路开关；200：防自激电路；201：被测HEMT器件300：测试平台；
图2是HEMT器件结温随时间的变化曲线；
图3是HEMT器件总热阻及热阻构成；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
选用CREE公司生产的商用HEMT器件CGHV40030作为被测HEMT器件201，使用本专利进行结温、瞬态响应曲线及热阻构成，测试的电学温敏参数为栅极肖特基结正向结电压；
本装置主体包括有：热阻测试仪100、防自激电路200、测试平台300。
上述热阻测试仪100由101：计算机；102：采集卡；103：工作电源开关；104：工作电源；105：栅压电源；106：测试电流源；107：栅压电源/测试电流源切换开关；108：快速短路开关组成，为上述被测器件201提供工作电压、栅极电压、测试电流，栅极肖特基结正向结电压由采集卡103采集，采集卡采样速度为1MHz；
测量时，将被测HEMT器件201安装在防自激电路200中，经导线引出与热阻测试仪100的采集卡102、工作电源开关103、栅压电源/测试电流源切换开关107和快速短路开关108连接；工作电源104与工作电源开关103连接并受其控制，栅压电源105、测试电流源与栅压电源/测试电流源切换开关连接并受其控制；采集卡102、工作电源开关103、工作电源104、栅压电源105、测试电流源106、栅压电源/测试电流源切换开关107、快速短路开关108与计算机101连接并受其控制；防自激电路200固定在测试平台300上，使被测HEMT器件与测试平台300具有充分的热接触；
打开测量软件后，由计算机101发出指令，设置工作电源104为10V，栅压电源105为-2.6V、测试电流源106为2mA；将测试平台300设置为相应温度为30℃；
启动测量程序后，计算机101发出指令控制栅压电源/测试电流源切换开关107将测试电流源106经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，采集卡101采集此时被测HEMT器件201栅源两端电压V0；
然后，计算机101发出指令控制栅压电源/测试电流源切换开关107将栅极电压105经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，短暂的延迟后，计算机101发出指令，控制工作电源开关103将工作电源104经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的源漏两端，计算机101发出指令使采集卡102采集此时被测HEMT器件201源漏两端电压Vds为10V，漏级电流Id为0.45A，并计算出被测HEMT器件201的工作功率P＝Vds×Id＝4.5W。
待被测HEMT器件的温度不再发生变化，达到稳态时，由计算机101发出指令，控制工作电源开关103关断工作电源104，短暂的延迟后，由计算机101发出指令，控制栅压电源/测试电流源切换开关107将测试电流源106经导线连接至防自激电路200中的被测HEMT器件201的栅源两端，以及控制快速短路开关108将被测HEMT器件201的源漏两端短接，同时控制采集卡102采集被测HEMT器件201栅源两端电压随时间的变化V(t)；
被测HEMT器件201温敏参数的温度系数为K，可得到被测HEMT器件201结温随温度的变化为T(t)＝(V(t)-V0)/K，由计算机101通过处理结温变化T(t)及工作功率P最终可得到最高结温、瞬态响应曲线及热阻构成等。

Claims (4)

1.一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的装置，其特征在于：
包括有：热阻测试仪、防自激电路、测试平台、被测HEMT器件；
所述热阻测试仪包括计算机、采集卡、栅压电源、测试电流源、栅压电源/测试电流源切换开关、工作电源开关、工作电源及快速短路开关；
所述防自激电路由一块具有防自激振荡设计的PCB电路板构成，将被测HEMT器件安装在电路中，可减少HEMT器件自激振荡的发生，并由导线引出，与热阻测试仪相连；
所述工作电源经工作电源开关控制，通过防自激电路为被测器件提供工作电压和电流，栅压电源和测试电流源通过栅压电源/测试电流源切换开关为被测器件提供栅极电压或测试电流，采集卡用于采集被测器件的电学温敏参数，计算机将采集到的温敏参数进行处理，得到瞬态响应曲线和热阻构成信息；
所述快速短路开关是一种由MOS器件构成的快速开关电路，可实现被测HEMT器件源漏的快速短路；
所述测试平台由导热系数大于200W/m•K的材料制成的高导热恒温平台、水箱及其相应的导热液循环和控制系统构成。
2.一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法，其特征在于：
测量时将被测HEMT器件安装在防自激电路中，被测HEMT器件的漏源两个电极经导线与热阻测试仪的工作电源开关和快速短路开关连接，工作电源与工作电源开关连接并由其控制；将被测HEMT器件的栅源两个电极经导线与热阻测试仪的栅压电源/测试电流源切换开关、采集卡连接，栅极电源和测试电流源与栅压电源/测试电流源切换开关连接并由其控制；
防自激电路固定在测试平台上，与热阻测试仪相连，打开测试软件设置测试平台温度T0、工作电压Vds、栅极电压Vgs、测试电流Itest参数，开始测量程序，由计算机发出指令进入加热阶段；在加热阶段，由计算机控制工作电源开关和栅压电源/测试电流源切换开关，将工作电压Vgs加载在被测HEMT器件源漏电极两端，栅极电压Vgs加载在被测HEMT器件栅漏电极两端，使器件处于加热状态，并达到热平衡；在器件达到热平衡状态后，由计算机发出指令进入测量阶段；在测量阶段开始后，由计算机控制工作电源开关和栅压电源/测试电流源切换开关，切断被测HEMT器件源漏电极两端的工作电源Vgs，将被测HEMT器件栅源电极两端的栅极电压切换至测试电流源，同时由快速短路开关将被测HEMT器件的源漏电极两端快速短接，并由计算机控制采集卡采集被测HEMT器件栅极电压随时间的变化；最后经过计算机处理采集结果得到瞬态响应曲线和热阻构成。
3.根据权利要求2所述的一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法，其特征在于：
被测HEMT器件漏源电压最大可达到50V。
4.根据权利要求2所述的一种采用源漏短接减少HEMT热阻测量自激振荡的方法，其特征在于：
所述的测量阶段的转换时间可达到5us以内。
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