RU2556315C2 - Способ измерения теплового импеданса светодиодов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых изделий и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления светодиодов. Способ состоит в том, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды, широтно-импульсно модулированную по гармоническому закону с глубиной модуляции а, в промежутках между импульсами греющего тока через светодиод пропускают начальный ток, по результатам измерения напряжения на светодиоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P_m1(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра

с известным отрицательным температурным коэффициентом К_Т - прямого напряжения на p-n переходе светодиода при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, измеряют среднюю за время разогрева мощность

оптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле

а фаза φ_T(Ω_M) теплового импеданса светодиода равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности. Технический результат заключается в повышении точности измерения модуля теплового импеданса светодиодов. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых изделий и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления светодиодов.

Известен способ измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра, например прямого напряжения U_ТЧП диода при пропускании через него малого измерительного тока (ГОСТ 19656, 18-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U_ТЧП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из режима разогрева в режим измерения (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио, 1980. С.51).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов (см. Патент №2402783 РФ. Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов, Б.И. №30, 2010 г.), состоящий в том, что через диод в прямом направлении пропускают последовательность импульсов греющего тока, длительность τ_и которых изменяется по гармоническому закону

$${\tau }_{и}={\tau }_0\left(1+a\sin \Omega t\right)\left(1\right)$$

где τ₀ - средняя длительность импульсов; a - коэффициент модуляции; Ω - частота модуляции, а в промежутках между импульсами греющего тока через диод пропускают малый прямой ток. Период следования T_сл и амплитуду I_гр импульсов греющего тока поддерживают постоянными, по результатам измерения напряжения на диоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники греющей мощности P_m1(Ω) и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра $${\tilde{U}}_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)$$

- прямого напряжения на p-n переходе при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, и по измеренным значениям определяют тепловой импеданс полупроводникового диода на частоте модуляции греющей мощности по формуле:

$$Z\left(\Omega \right)=\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|\cdot e^{j\varphi \left(\Omega \right)}=\frac{{\tilde{U}}_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T{P}_{ml}\left(\Omega \right)}{e}^{j\varphi \left(\Omega \right)}.\left(2\right)$$

K_T - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании через него постоянного начального тока, φ(Ω) - фаза теплового импеданса, равная сдвигу фаз между температурой и греющей мощностью.

Недостатком прототипа является то, что при его применении для измерения теплового импеданса светодиодов появляется значительная погрешность, обусловленная тем, что часть электрической мощности, потребляемой светодиодом, излучается во внешнюю среду в виде оптического излучения, в результате на нагрев светодиода идет не вся электрическая мощность. Таким образом, известный способ дает существенно заниженные значения модуля теплового импеданса. У современных светодиодов внешний квантовый выход может достигать десятков процентов, при этом конкретное значение квантовой эффективности имеет значительный разброс от образца к образцу.

Технический результат - повышение точности измерения модуля теплового импеданса светодиодов.

Технический результат достигается тем, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока I_гр, в промежутках между импульсами греющего тока через диод пропускают малый постоянный начальный ток, по результатам измерения напряжения на диоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P_ml(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра $${\tilde{U}}_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)$$

с известным отрицательным температурным коэффициентом К_Т - прямого напряжения на p-n переходе светодиода при протекании через него малого постоянного начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, дополнительно измеряют среднюю мощность $${\overline{W}}_{опт}$$

оптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле

$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{{\tilde{U}}_{ml}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T\left(P_{ml}\left(\Omega \right)-a{\overline{W}}_{опт}\right)},\left(3\right)$$

а фаза φ_T(Ω_M) теплового импеданса светодиода будет равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности.

Повышение точности измерения модуля теплового импеданса светодиода достигается за счет того, что из первой гармоники электрической мощности, потребляемой светодиодом, вычитается первая гармоника мощности W_lonm(Ω) оптического излучения на частоте модуляции, которая при гармоническом законе ШИМ модуляции с глубиной a определяется по формуле $$W_{lonm}\left(\Omega \right)=a{\overline{W}}_{опт}$$

и которая не идет на нагреве структуры СИД, и, таким образом более точно определяется мощность, затрачиваемая на разогрев светодиода.

Предлагаемый вариант способа может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.1.

Устройство содержит контакты 1 для подключения контролируемого светодиода, источник 2 постоянного начального тока I_нач, генератор греющих импульсов тока 3, устройство управления 4, управляемые аналого-цифровые преобразователи 5 и 6, измеритель оптической мощности 7 с цифровым выходом и вычислитель 8.

Устройство работает следующим образом. После установки светодиода в контактную колодку 1 напротив входного отверстия измерителя оптической мощности 7 через него пропускают постоянный начальный ток I_нач от источника 2. Генератор импульсов 3 по сигналу устройства управления 4 начинает вырабатывать последовательность греющих импульсов тока заданной амплитуды I_m и постоянной частоты f_сл (фиг.2а), которые подаются в контролируемый светодиод. Моменты времени t_k=kT_сл начала k-го импульса и его длительность τ_uk-τ_u0(1+acosΩt_k) определяются управляющими импульсами U_У1 (фиг.2б) и U_У2 (фиг.2в) устройства управления. Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус светодиода, в светодиоде установится регулярный режим и температура p-n перехода светодиода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения $${\tilde{T}}_n\left(t\right)$$

(фиг.2г), изменяющегося по гармоническому закону. Изменения прямого напряжения U_m(t) светодиода показаны на (фиг.2д). Прямое напряжение светодиода подается на входы аналого-цифровых преобразователей 5 и 6. АЦП 5 преобразует в цифровой код прямое напряжение светодиода U_m(t) во время протекания греющих импульсов тока в моменты времени $$t_k^{im1}=t_k+\Delta t_{om1}$$

, определяемые управляющими импульсами U-У₃ (фиг.2е) устройства управления 4, где ΔTt_om1, некоторое фиксированное время задержки запуска первого АЦП. Цифровые отсчеты прямого напряжения светодиода U_m(k) передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений прямого напряжения диода {U_m(k)}. Второй АЦП 6 преобразует в цифровой код температурочувствительный параметр - прямое напряжение светодиода $$U_m^{ТП}$$

во время паузы между греющими импульсами тока при протекании начального тока I_нач в моменты времени $$t_k^{om1}=t_k+{\tau }_{uk}+\Delta t_{om2}$$

, определяемые управляющими импульсами U_У4 (фиг.2ж) устройства управления, где Δt_om2 - некоторое фиксированное время задержки запуска второго АЦП. Цифровые отсчеты $$U_m^{ТП}\left(k\right)$$

передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений температурочувствительного параметра $$\left\{U_m^{ТП}\left(k\right)\right\}$$

. Значение $${\overline{W}}_{опт}$$

средней оптической мощности (фиг.2з) с выхода измерителя оптической мощности 7 по сигналу устройства управления передается в вычислитель 8 за несколько тактов до окончания измерения.

Вычислитель 8 вычисляет значения импульсной мощности для каждого k-го греющего импульса тока путем умножения U_m(t) на значение амплитуды греющих импульсов тока I_m:P_m(k)=I_m·U_m(k) и формирует массив значений импульсной мощности {(P_m(k)}. По массивам данных {P_m(k} и $$U_m^{ТП}\left(k\right)$$

методом дискретного преобразования Фурье вычислитель 8 определяет амплитуду и фазу гармоник греющей мощности P_m1 и φ_P температурочувствительного параметра $$U_{m1}^{ТП}$$

и φ_T далее вычисляет модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:

$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{{\tilde{U}}_{ml}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T\left(P_{ml}\left(\Omega \right)-a{\overline{W}}_{опт}\right)};\left(4а\right)$$

$$\varphi ={\varphi }_T-{\varphi }_P.\left(4б\right)$$

Для повышения точности преобразование измеряемых величин осуществляется в течение нескольких (3-5) периодов модуляции греющей мощности и получают N=(3÷5)Т_М/T_сл цифровых отсчетов измеряемых величин.

Claims (1)

1. Способ измерения теплового импеданса переход-корпус светодиодов, состоящий в том, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды, широтно-импульсно модулированную по гармоническому закону с глубиной модуляции а, в промежутках между импульсами греющего тока через светодиод пропускают начальный ток, по результатам измерения напряжения на светодиоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P_ml(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра

   

   с известным отрицательным температурным коэффициентом К_Т - прямого напряжения на p-n переходе светодиода при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, измеряют среднюю за время разогрева мощность

   

   оптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле
   

   

   
   а фаза φ_T(Ω_M) теплового импеданса светодиода равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности.

Images