CS197632B1

CS197632B1 - Device for measuring the thermal resistance of the semiconductors

Info

Publication number: CS197632B1
Application number: CS551677A
Authority: CS
Inventors: Josef Provaznik; Arnost Skalicky
Original assignee: Josef Provaznik; Arnost Skalicky
Priority date: 1977-08-23
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1980-05-30

Description

Vynález se týká zařízení pro měření tepelného odporu polovodičů, zejména Gunnových diod. Znalost hodnoty tepelného odporu Gunnových diod je velmi důležitá pro ekonomický návrh generátorů osázených těmito diodami a pro kalkulaci jejich životnosti.The invention relates to a device for measuring the thermal resistance of semiconductors, in particular Gunn diodes. Knowing the heat resistance value of Gunn diodes is very important for the economical design of generators fitted with these diodes and for calculating their lifetime.

Při stanovení tepelného odporu polovodičů je vždy třeba nějakou nepřímou metodou stanovit teplotu polovodiče v jistých přesně definovaných podmínkách. U většiny polovodičů lze k tomuto účelu využít závislosti průrazného napětí P — N přechodu na teplotě. U Gunnových diod, které nemají P-N, přechod pak zbývá pouze možno využít závislosti proudu diodou na teplotě. Tyto změny jsou však velmi malé, cca 10 až 12 % při změně teploty o cca 50 °C a navíc je třeba vlastní měření proudu diodou provést při daném napětí velmi rychle tak, aby vyhřátí polovodiče bylo zanedbatelné (např. doba měření kratší než 100 nsek při opakovači frekvenci menší 50 Hz), a teplota okolí mohla být považována za teplotu polovodiče.When determining the thermal resistance of a semiconductor, it is always necessary to determine the temperature of the semiconductor under certain precisely defined conditions by some indirect method. For most semiconductors, the breakdown voltage P - N of the transition to temperature can be used for this purpose. For Gunn diodes that do not have a P-N, the transition is then only possible to take advantage of the diode current versus temperature. However, these changes are very small, approx. 10 to 12% with a temperature change of approx. at a repetition rate of less than 50 Hz), and the ambient temperature could be considered a semiconductor temperature.

Níže popsané poloautomatické zařízení vyhovuje těmto požadavkům a dovoluje měřit tepelný odpor tohoto typu polovodičů s absolutní chybou menší než 10 %.The semi-automatic device described below meets these requirements and allows to measure the thermal resistance of this type of semiconductor with an absolute error of less than 10%.

Dosud užívané metody se opíraly o použití vzorkovacího osciloskopu, kdy však lze velmi těžko zajistit dlouhodobou reprodukovatelnost výsledků bez složitých-, a; velmi..,pEacných kalibračních měření a díky stejnosměrnému driftu a obtížnosti dostatečně přesné kalibrace zesilovače v oblasti malých změn signálů, nelze dobře určit ani velikost absolutní chyby měření. Většinou rozptyl měřených výsledků dosahuje až 50 °/o. Chceme-li tento rozptyl zmenšit na alespoň 10 %, pak v případě Gunnových diod je třeba určit amplitudu impulsního proudu s přesností lepší než 1 %>. Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny zařízením pro měření tepelného odporu polovodičů, zejména Gunnových diod, podle vynálezu. Podstatou zařízení podle vynálezu je, že sestává z koncového stupně impulsního generátoru s konstantním vnitřním odporem určeným z kalibračního měření, na jehož výstup jsou paralelně připojeny Gramová dioda a impulsní voltmetr, jehož převodní konstanta je určena z téhož kalibračního měření.The methods used so far have been based on the use of a sample oscilloscope, but it is very difficult to ensure long-term reproducibility of results without complex, and; very low calibration measurements, and due to the DC drift and difficulty of accurately calibrating the amplifier in the field of small signal variations, the magnitude of the absolute measurement error cannot be well determined. Usually the variance of measured results reaches up to 50 ° / o. If we want to reduce this variance to at least 10%, then in case of Gunn diodes it is necessary to determine pulse current amplitude with accuracy better than 1%>. The above drawbacks are overcome by the device for measuring the thermal resistance of semiconductors, in particular Gunn diodes, according to the invention. The essence of the device according to the invention is that it consists of an output stage of a pulse generator with a constant internal resistance determined from a calibration measurement whose output is connected in parallel to a Gram diode and a pulse voltmeter whose conversion constant is determined from the same calibration measurement.

Měření tepelného odporu lze pomocí zařízení podle vynálezu provádět zcela nebo částečně automaticky, jestliže bude programovatelný kalkulátor ovládat ventily termostatů, a bude tak řídit vnější teplotu vyšetřovaného polovodiče.The thermal resistance measurement can be carried out fully or partially automatically by the device according to the invention if the programmable calculator controls the thermostat valves and thus controls the external temperature of the semiconductor under investigation.

Vynález je blíže objasněn ha příkladech provedení pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je nakresleno schéma zařízení pro měření tepelného odporu polovodičů a na obr. 2 je znázorněna realizace impulsního voltmetru.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is illustrated in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic diagram of a semiconductor thermal resistance measuring device; and FIG. 2 shows an embodiment of a pulse voltmeter.

Zařízení pro měření tepelného odporu polovodičů sestává z impulsního generátoru 1, jehož výstup je připojen jednak na vstup koncového stupně 11 a jednak na druhý vstup impulsního voltmetru 2, jehož první vstup.je připojen ha výstup koncového stupně 11 spolu s Gunnovou diodou 3, jejíž druhý vývod je spojen s držákem 4, v němž je Gunnova dioda 3 umístěna. Držák 4 je napojen přes ventily 9, 10 na termostaty 5, 6. Výstup impulsního voltmetru 2 je připojen na vstup programovatelného kalkulátoru 8.The device for measuring the thermal resistance of semiconductors consists of a pulse generator 1 whose output is connected both to the input of the output stage 11 and to the second input of the pulse voltmeter 2, the first input of which is connected to the output of the output stage 11 together with Gunn diode 3. the outlet is connected to a holder 4 in which the Gunn diode 3 is located. The holder 4 is connected via thermostats 5, 6 via valves 9, 10. The output of the pulse voltmeter 2 is connected to the input of the programmable calculator 8.

Na vstup programovatelného kalkulátoru 8 je rovněž připojen výstup číslicového voltmetru 7, jehož vstup je připojen na zdroj napájející koncový stupeň 11 impulsního generátoru 1. Zařízení používá jako zdroj měrného impulsu zvláště konstruovaný koncový stupeň ll impulsního generátoru 1, protože je třeba dosáhnout konstantní vnitřní odpor v poměrně širokém rozsahu výstupního napětí (1 až 4 V) při výstupním proudu až 1,5 A, čehož je dosaženo využitím tzv. pamatovací doby u koncových tranzistorů. Jako detektor signálů je použit opět zvláště konstruovaný paměťový impulsní voltmetr 2 s citlivostí lepší než 10 mV a vysoce lineárním zpracováním signálu v rozsahu alespoň 0 až 6 V.The input of the programmable calculator 8 is also connected to the output of a digital voltmeter 7, the input of which is connected to a source supplying the output stage 11 of the pulse generator 1. The device uses a specially designed output stage 11 of the pulse generator 1. a relatively wide range of output voltage (1 to 4 V) at an output current of up to 1.5 A, which is achieved by using the so-called memorizing time of the terminal transistors. A specially designed memory pulse voltmeter 2 with a sensitivity of better than 10 mV and a highly linear signal processing in the range of at least 0 to 6 V is again used as a signal detector.

Konstrukce impulsního voltmetru 2 je zřejmá z obr, 2, Sestává ze vzorkovače 20, převodníku 12, hradla 13, paměti 14, synchronizačního obvodu 15, logické výhybky 16, generátoru vzorkovacího impulsu 17, interface 18. Dále je možno připojovat kontrolní displej 19.The construction of the pulse voltmeter 2 is apparent from FIG. 2. It consists of a sampler 20, a converter 12, a gate 13, a memory 14, a synchronization circuit 15, a logic switch 16, a sample pulse generator 17, an interface 18. It is also possible to connect a control display 19.

Funkce je následující: Po přivedení synchronizačního impulsu do bloku 15 se po zpoždění buď nsek., nebo 1 nsek. v závislosti na výhybce otevírá vzorkovač 20 a odebírá vzorek napětí po dobu 60 nsek. Tento vzorek se ihned zpracovává v převodníku 12 na číslo, které, je-li volné hradlo 13 je převedeno do paměti 14, odkud si je odebírá karta BCD počítače a současně lze je čist na displeji 19. . .The function is as follows: After the synchronization pulse is applied to block 15, either nsec or 1sec is delayed. depending on the switch, the sampler 20 opens and takes a voltage sample for 60 nsec. This sample is immediately processed in the converter 12 to a number which, if the gate 13 is free, is transferred to the memory 14, from where it is taken by the computer's BCD and at the same time can be cleaned on the display 19. .

Impulsní voltmetr 2, jehož schéma je uvedeno na obr. 2, může v měřeních zastoupit osciloskop jedině tenkrát, je-li možno například na základní rozsah I V odečítat s přesností + 5 mV. Jeho základní parametry, jsou tyto: Cvst = 100 pF, Rvst = 10s Ω, základní rozsah -0,5 až + 6 V, linearita zpracování signálu + 1 .% při kalibraci s jedním tvarem impulsu lepší než 1 °/oo, šířka odebíraného vzorku napětí —- 60 nsek, potřebné zpoždění signálu oproti synchronizaci cca 10 nsek. Přístroj je koncipován pro rychlý sběr dat. Opakovači frekvence je v uvažovaném případě 10 kHz, ale nečinilo by obtíže rozšířit tento parametr až do 1 MHz.The pulse voltmeter 2, the diagram of which is shown in Fig. 2, can only represent the oscilloscope in the measurements at that time if, for example, the basic range of I V can be read with an accuracy of + 5 mV. Its basic parameters are as follows: Cvst = 100 pF, Rvst = 10s Ω, basic range -0.5 to + 6 V, linearity of signal processing + 1.% When calibrating with one pulse shape better than 1 ° / oo, width of sampling sample voltage — 60 nsec, signal delay required compared to about 10 nsec synchronization. The device is designed for fast data collection. The repetition rate in this case is 10 kHz, but it would not be difficult to extend this parameter up to 1 MHz.

Vlastní měření probíhá následovně. Vyšetřovaný polovodič je uložen ve zvláštním držáku 4 protékaném vodou z příslušného termostatu 5, 8. Nejprve se změří několik zvolených bodů (popřípadě pouze jeden) V—A charakteristicky obvyklým způsobem, tj. kdy polovodič je současně vyhříván příslušným elektrickým příkonem. Odečtené hodnoty proudu při daných napětích se použijí později ve výpočtu tepelného odporu. Potom se provede měření proudu při těchto napětích pomocí krátkého impulsu, tj. kdy je možno elektrický příkon zanedbat. Toto měření se provede při alespoň dvou různých teplotách (postačující pro GaAsj. Pro GaAs, kde v uvažovaném teplotním rozsahu platíThe actual measurement proceeds as follows. The semiconductor under investigation is housed in a separate holder 4 flowing through the water from the respective thermostat 5, 8. First, several selected points (or only one) V-A are measured in a typically usual manner, i.e. the semiconductor is simultaneously heated by the corresponding electrical input. The current readings at given voltages are used later in the thermal resistance calculation. The current at these voltages is then measured with a short pulse, i.e. when the electrical input can be neglected. This measurement shall be carried out at at least two different temperatures (sufficient for GaAsj. For GaAs where, in the temperature range considered,

kde Id je proud diodou a T je absolutní teplota, lze tepelný odpor Rt odvodit:where Id is the diode current and T is the absolute temperature, the thermal resistance Rt can be derived:

Tss (Tz — Ti) (1) Iss — 1 (Iti) , P Uo Iss ( 1/It2 — Í/ti)Tss (Tz-Ti) (1) Iss-1 (Iti), P Uo Iss (1 / It2-I / ti)

kde je where is Tss Tss hledaná teplota, the desired temperature, Ti Ti teplota na termostatu ^, thermostat ^, Tz Ie teplota na termostatu 6, Temperature on thermostat 6, P ' P ' stejnosměrný příkon při teplotě Tss, DC power input at temperature Tss, Uo Uo zvolené napětí na voltampérové charakteristice diody a the selected voltage on the diode characteristic of the diode and lo lo proud příslušný Uo na voltampérové charakteristice diody. current Uo on the diode voltage characteristic.

Výstupní napětí z paměťového impulsního voltmetru 2 je v BCD kódu a je tedy umožněn přímý přepis do řídicího programovatelného kalkulátoru 8 pomocí něhož lze měření z velké části popřípadě i zcela zautomatizovat. Po ustálení teploty odečte hodnotu měřenou impulsním voltmetrem 2 a k němu příslušnou hodnotu napětí na zdroji koncového stupně 11 impulsního generátoru 1. Výsledek se počítá podle předchozí formule.The output voltage from the memory pulse voltmeter 2 is in the BCD code, and thus a direct transcription to the programmable calculator 8 is made possible by means of which the measurement can be largely automated if necessary. After the temperature has stabilized, it reads the value measured by the pulse voltmeter 2 and the corresponding voltage value at the output stage 11 of the pulse generator 1. The result is calculated according to the previous formula.

Claims

An apparatus for measuring the thermal resistance of a semiconductor consisting of a pulse generator, the output of which is connected in parallel to a pulse voltmeter and a Gunn diode, the holder of which is connected via valves to two thermostats, characterized in an output stage (IIi) with a constant internal resistance determined from a calibration measurement, to which an impulse voltmeter (2) with a conversion constant determined from the same calibration measurement is connected in parallel to the Gunn diode (3).