Название: Измерение параметров сигналов, компонентов цепей и полупроводниковых приборов Часть 2 - Методические указания к лабораторным работам (В. А. Сергеев)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1145


6.2.   описание лабораторного оборудования, методов и средств измерения тепловых параметров транзисторов

 

6.2.1. Тепловые параметры

Тепловые параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем устанавливают пределы температуры окружающей среды, корпусов и кристаллов с переходами, при которых гарантируется надежная работа приборов.

Температура окружающей среды Т - это температура в определенной (заранее заданной) точке среды, окружающей полупроводниковый прибор. В технических условиях (ТУ) на приборы устанавливаются максимальная (ТМакс) и (Тмии) минимальная температура среды, при которой обеспечивается надежная работа или хранение приборов. Максимальная температура определяется типом прибора, его конструкцией, применяемыми материалами. Например, пластмассовые корпуса приборов разрушаются при нагреве до 125°С; соединение стеклянного изолятора с металлическим корпусом может разрушаться при охлаждении прибора до (-70 -100)°С. Ясно, что для гарантии надежной работы максимальная и минимальная температура должна устанавливаться с большим запасом по отношению к критическим, разрушающим нагрузкам.

Температура корпуса Тк - это температура определенной точки корпуса прибора. Для приборов средней и большой мощности устанавливается обычно максимальная (Тк маКс) и минимальная (Тк мии) температура   корпуса.   Как   правило,   точка,   в   которой измеряется температура Тк, находится в том месте корпуса, где к нему прикрепляется кристалл с приборной структурой.

Температура кристалла с переходами Тп - температура некоторой (обычно самой горячей) области кристалла. Наибольшая мощность рассеивается в областях коллекторных переходов транзисторов, работающих в активном режиме. Поэтому самой нагретой в кристалле оказывается область коллекторного перехода (переходов). В ТУ на приборы устанавливается значение максимальной (Тп макс) температуры перехода.

Если в приборе не рассеивается электрическая мощность, все его элементы имеют одинаковую температуру, совпадающую с температурой окружающей среды. Но если рассеиваемая мощность не равна нулю, температура внутри прибора, в частности, в области перехода изменяется на величину ДТП.

Установлено, что приращение температуры АТП пропорционально поглощаемой в приборе мощности Р;

ЛТп — R-тпсР

Тп = Т + АТп (6.1)

R-тпс — R-тпк Р-ткс

Величина R-rnc называется тепловым сопротивлением прибора. Она числено равна приращению температуры внутри прибора, на котором рассеивается единичная мощность. Измеряется RTnc в К/Вт. Индексы ПС означают, что рассматривается тепловое сопротивление на пути от перехода к окружающей среде. RTKC - тепловое сопротивление корпус-среда; Rtiik - тепловое сопротивление переход-корпус.

Значение Rt-пк устанавливается в ТУ на приборы средней и большой мощности, используемые с теплопроводящими радиаторами. Величина Rtkc оказывается для большинства приборов много больше RTnK. Поэтому улучшением отвода тепла от корпусов приборов (например, обдувом) можно существенно снизить температуру внутренних рабочих областей приборов и тем самым повысить надежность их работы.

Соотношение (6.1) и входящие в него тепловые сопротивления относятся к стационарному режиму работы приборов, при котором рассеиваемая мощность неизменна во времени. При работе в импульсном режиме температура перехода не остается постоянной. Происходит ее периодическое повышение и понижение. В этом случае формулу (6.1) можно использовать лишь для расчета средней температуры нагрева. Входящая в (6.1) мощность является тогда средней рассеиваемой мощностью.

Реакцию полупроводникового прибора на воздействие импульсной мощности часто описывают с помощью эквивалентной схемы, показанной на рис.6.1. На схеме изображен источник "теплового потока" Р, который аналогичен генератору электрического тока. Тепловой поток, проходя через тепловые сопротивления Rrnx и Rtkc, вызывает появление на их концах разностей температур ДТП и АТК (здесь использована аналогия электрических и тепловых схем). Наконец в виде конденсаторов Стп и Ста показаны теплоемкость области структуры вблизи перехода и теплоемкость корпуса прибора.

 

с,

Подпись:
Подпись:

 

R

Рис. 6.1. Теплоэлектрическая эквивалентная схема полупроводникового

прибора

 

Схема на рис.6.1. дает лишь приближенную тепловую модель

полупроводникового   прибора.   С            помощью   приведенной модели

анализируется   обычно   переходная         тепловая   характеристика (ПТХ)

прибора - зависимость температуры          перехода Tn(t) от времени после

включения импульсной мощности Р.

Tn = -Тс + pfR™ (і - є"*') + R™ (l - е-<^)

(6.2)

гдє       Tl — Rtiik Стп і      т2 — Rtkc Стк

постоянные времени нагревания кристалла и корпуса зависят от конструкции полупроводникового прибора и свойств материалов, из которых он изготовлен.

Теплоемкость полупроводникового кристалла С™ пропорциональна его площади Si, толщине di, плотности mi и удельной теплоемкости используемого материала Си

CTn = Srd,-m1.C1 (6.3)

Аналогично можно записать выражение для теплоемкости корпуса прибора через площадь S2 и толщину cb фланца корпуса, плотность mi и удельную теплоемкость С2 материала, из которого он изготовлен:

CTK = S2-d2-m2-C2 (6.4)

Зависимость теплового сопротивления переход-корпус от толщины di, площади Si кристалла и коэффициента теплопроводности ki, по аналогии с электрическим сопротивлением, можно представить в виде:

 

RrnK-~- (6-5)

 

Аналогично можно выразить зависимость теплового сопротивления корпус - окружающая среда от толщины d2, площади S2, коэффициента теплопроводности материала теплоотвода кг:

d2

RrK с= ё—Г" (6<6) S2-k2

Подставляя (6.3) - (6.6) в (6.2) и используя выражение для коэффициента температуропроводности

к С- m

получим следующие выражения для постоянных времени:

т,=^;    t2 = ^i (6.7)

 

Следует обратить внимание на то, что выражения для и и 12 не содержат площадь соответствующих конструктивных элементов. Как следует из (6.7), постоянные времени нагревания сильнее зависят от толщины конструктивных элементов (d2), чем от их теплофизических свойств (\%). Коэффициент температуропроводности имеет смысл приведенного коэффициента теплопроводности материала и в меньшей степени, чем к, зависит от его физических свойств.

Если после нагревания полупроводникового прибора AT выше температуры окружающей среды Т   выключить источник теплового потока, то процесс остывания будет описываться несколько иначе, чем процесс нагревания

ТЛ(1) = Т+ДТ^ expf-t/iO + AT^ exp(-t/T2) , (6.8)

причем в момент выключения t = 0.

Для исследования теплофизических свойств полупроводниковых приборов можно использовать режим переменного тока. Если при постоянном токе 1э на коллекторный переход транзистора наряду с постоянным напряжением смещения иКбо подается небольшой переменный сигнал

UK6(t) = Uk6o + Окб siriCOt , (6.9)

то из-за наличия внутренней теплоэлектрической обратной связи в транзисторе напряжение на эмиттерном переходе также будет иметь переменную составляющую с частотой со:

Ш(і) = иЭбо + иэб sin(cot + ф). (6.10)

Причем иЭб будет иметь две составляющие: "электрическую", которая определяется величиной коэффициента внутренней обратной связи по напряжению hue и "тепловую", которая обусловлена изменением иЭб вследствие нагревания эмиттерного перехода при рассеивании переменной мощности Ik Uk6 в коллекторе:

иЭб(н) = hm Uk6 + ^^-Rthk Ik Uk6 (6.11)

dT

Очевидно, величина измеряемого напряжения U36 будет зависеть от соотношения между частотой, на которой производятся измерения со, и тепловой постоянной времени ті, характеризующей скорость распространения тепла в кристалле.

На низкой частоте, когда соц<<1, величина иЭб будет описываться соотношением (6.11).

На высокой частоте,при юті»1,

иэб(в) = ІІ216 U кб    і            (6.12)

так как изменение температуры эмиттерного перехода уже не успевает следовать за изменением коллекторного напряжения.

Зная значения 1Лб на высокой иЭб(в> низкой иЭб(н> частоте, можно определить тепловой импеданс транзистора Zthk(co) следующим образом:

 

2тпкН =

и

эб(н)

эб(в)

 

(6.13)

Р = 1э1 Uk6

(6.14)

Если перевести ключ на короткое время в положение 2, то выключается Ьі, а через эмиттер начинает протекать ток І3і от ГШ. Этот ток (0,1-1 мА) устанавливается резистором R. Мощность, рассеиваемая в транзисторе изза протекания тока hi, мала по сравнению с мощностью I3i, ТЛб. Напряжение на эмиттерном переходе U36 измеряется вольтметром ИНі (или осциллографом).

Измерения температуры по схеме рис.6.2. производятся следующим образом. Вначале при выключенном греющем токе и мощности строиться градуировочная зависимость прямого падения напряжения на переходе при токе 1пр2 (для транзистора при 1Э2). Для этого транзистор помещается в термостат с контролируемой и изменяющейся температурой. Далее транзистор переводится в режим разогревания рабочим током или мощностью. Для измерения температуры в этом режиме нужно перевести переключатель в положение 2 и измерить напряжение на переходе. Температура определяется по градуировочному графику.

Теоретическая зависимость прямого напряжения на переходе от температуры определяется из выражения для вольтамперной характеристики перехода:

I=I0(eu^-l), (6.15) где U - напряжение на переходе, <рг = —.

q

Ток тепловой генерации 1о равен

I0 = n?qDS/LN, (6.16)

где пі - концентрация термогенерированных носителей заряда; q - заряд электрона; D, L - коэффициент диффузии и диффузионная длина неосновных носителей заряда соответственно; N - концентрация основных носителей заряда в слаболегированной области перехода.

Inp=[^|nfeu^. (6.17)

При прямом напряжении Unp » фт приближенное выражение для ВАХ будет иметь вид:

'qPS>L2„Unp/4>: LN

Так как nf = Ае Е*/**т 9 где А - слабоменяющийся с температурой коэффициент; Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, выраженная разностью потенциалов, то

L„ = I J""'-*. (6.18)

Lnp — W

Дифференцируем  (6.18)  по  температуре  с  учетом постоянства прямого тока    пр = 0 и тока loo. Получаем:

dT

dU„„ U_(T)-E„

(6.19)

dT T

Типичным значением Unp(T) для кремниевого перехода при токе (1-10) мА и Т = 300 К является

ипр«о,бв.

Таким образом, при Eg = 1,1 В и Т = 300 К прямое напряжение на переходе изменяется (уменьшается) при повышении температуры на величину

Подпись: dUnp      0,5 В= -1,7 м В/ К. (6.20)

dT      300 к

Для транзистора рассеиваемая мощность вычисляется по формуле

(6.14).

6.2.3. Установки для измерения теплофизических параметров приборов.

6.2.3.1. Установка для измерения теплового сопротивления транзисторов.

Установка предназначена для измерения теплового режима работы кремниевых p-n-р транзисторов малой мощности. Установка содержит блок коммутации с источником питания, термометр, цифровой вольтметр и осциллограф. Блок коммутации реализует принцип измерения температуры по схеме рис.6.2. Упрощенная схема блока коммутации показана на рис.6.3. Испытуемый транзистор Ті включен по схеме с общей базой.   Коллектор  подключен  к  источнику  питания  -   10  В через миллиамперметр. Через резистор Ri в эмиттер подается малый измерительный ток 1Э2 = 0,8 мА от источника питания с напряжением +10 В. С помощью электронного ключа ЗКі периодически с частотой 50 Гц в эмиттер подается большой разогревающий ток hi. Величина тока регулируется резистором переменного сопротивления R2. Устройство выборки и хранения УВХ представляет собою схему, передающую сигнал от входа на выход только при замкнутом электронном ключе ЭК2, входящем в состав схемы. Вход УВХ подключен к эмиттеру исследуемого транзистора, а выход - либо к цифровому вольтметру, либо осциллографу.

Электронные ключи ЭК работают синхронно. В это время, когда ЭК1 замкнут, ключ ЭК2 разомкнут и наоборот. Поэтому на выход УВХ пропускает сигнал только в те отрезки времени, пока через транзистор проходит измерительный ток 1э2 (ЭК1 разомкнут, а ЭК2 замкнут). Все остальное время на выходе УВХ поддерживается напряжение, равное входному на момент размыкания ЭК2. Для этой цели к УВХ подключается специальный конденсатор хранения Схр.

Временная диаграмма работы электронных ключей, тока эмиттера и выходного напряжения УВХ показана на рис.6.4. Некоторое изменение выходного напряжения за время действия измерительного тока обусловлено остыванием перехода после выключения разогревающей мощности.

Длительность импульсов тока эмиттера составляет 10 мс.

6.2.3.2. Установка для измерения теплового импеданса переход-корпус транзисторов.

Установка предназначена для определения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов большой и средней мощности по результатам измерения переменной составляющей термочувствительного параметра U3   - при подаче на коллекторный переход периодически

изменяющегося напряжения. Установка содержит стабилизированный источник эмиттерного тока, источник постоянного смещения и генератор низкой частоты ГЗ-34 в цепи коллектора испытуемого транзистора, амперметр и вольтметр для контроля режимов транзистора по постоянному току, а также милливольтметр переменного тока для измерения переменной составляющей иэб (см. рис.6.5 ).

А ЭК1

 

А

ЭК2

>

 

Ah

 

і           >

Т = 10мс t

 

            >

Рис.6.4. Временные диаграммы работы измерителя теплового сопротивления

 

6.2.4. Состав лабораторного оборудования. В состав лабораторного оборудования входят:

измеритель теплового сопротивления транзисторов ;

макет установки для измерения теплового импеданса транзисторов7

генератор низкой частоты ГЗ-34;

два блока питания типа Б5-7;

милливольтметр ВЗ-38;

набор пронумерованных транзисторов типа КТ304А и КТ903А;

жидкостный термометр.