黃玉恒

摘要：利用電學(xué)法測(cè)量器件的溫升、熱阻及進(jìn)行瞬態(tài)熱響應(yīng)分析是器件熱特性分析的有力工具。本文利用電學(xué)法測(cè)量了GaAsMESFET在等功率下，加熱響應(yīng)曲線隨電壓的變化，并通過(guò)紅外熱像儀測(cè)量其溫度分布，結(jié)果表明電學(xué)法測(cè)得的平均溫度與溫度分布有很大關(guān)系。理論計(jì)算也表明了這一點(diǎn)。在等功率條件下，電學(xué)平均溫度隨著溫度分布趨于均勻而減少，該方法可用來(lái)判斷器件的熱不均勻性。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;熱特性;測(cè)量;分析

半導(dǎo)體器件的熱特性直接影響器件工作溫度、熱阻，并決定器件的工作壽命。其熱特性的測(cè)量變得越來(lái)越重要，目前，半導(dǎo)體器件工作溫度及熱阻測(cè)量的主要方法有：紅外微象儀法、電學(xué)參數(shù)法，還有對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫升及熱阻測(cè)量的光譜法、光熱阻掃描法及光功率法，這些方法基于不同的測(cè)量原理，可以用來(lái)確定半導(dǎo)體器件表面的溫度分布或者某種意義上的平均溫度。本文用改進(jìn)的電學(xué)法，測(cè)量了半導(dǎo)體器件工作時(shí)的溫升、熱阻，對(duì)其瞬態(tài)溫度特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的測(cè)量與分析，并通過(guò)計(jì)算模擬，將電學(xué)法用于分析GaAsMESFET的熱不均勻性。

1.測(cè)量原理及其裝置

許多器件在恒電流下，其半導(dǎo)體結(jié)電壓與溫度之間存在良好的線性關(guān)系，為了保證測(cè)量的結(jié)電壓與溫度之間有較精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)試電流通常很小，為100 LA～2 mA，依芯片的結(jié)面積大小而定，這樣的器件測(cè)量電流一般為100 LA～2 mA。對(duì) GaAsMESFET來(lái)說(shuō)，正常工作時(shí)，柵源之間加反偏，漏源之間加正偏。因此，從工作狀態(tài)切換到測(cè)量狀態(tài)時(shí)，必須通過(guò)快速開(kāi)關(guān)電路將漏源柵電壓、正向、恒定電流加入器件。在實(shí)際設(shè)備中，檢測(cè)設(shè)備不能滿足要求，電法測(cè)得的溫度值是平均溫度，它表示為設(shè)備內(nèi)溫度，各種溫度分布的綜合平均效應(yīng)是不同的。測(cè)出此時(shí)的結(jié)電壓，以確定相應(yīng)的溫度，測(cè)量?jī)x從工作狀態(tài)到試驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換延遲時(shí)間為3～5 Ls。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)延時(shí)之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，反推出 t=0時(shí)的溫度，精度和可比性，采用無(wú)限大熱沉是十分必要的，保證在測(cè)量過(guò)程中管殼處于恒定溫度，這樣，首先測(cè)量器件加功率前的電壓值Vf1，再測(cè)量器件加功率后的電壓值Vf2。根據(jù)結(jié)電平與結(jié)溫之間的線性關(guān)系，$ T=$ V/k，k是 T和 V關(guān)系的線性斜率，器件所加的功率是P= VI，所以熱阻 Rth=$ T/P=$ V/（Vf2-Vf1）/（kVI），改進(jìn)后的電學(xué)測(cè)量?jī)x中，功率的持續(xù)時(shí)間、工作電壓和電流、以及測(cè)試窗口的冷卻時(shí)間都可以通過(guò)程序自動(dòng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化。

2.測(cè)量結(jié)果及其討論

利用該儀器可以對(duì)半導(dǎo)體器件的多種熱力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。半導(dǎo)體器件通常是由許多不同的熱性能材料如芯片、焊料、熱沉和殼體組成。通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)熱阻響應(yīng)特性，可以在多層材料結(jié)構(gòu)中分離出熱阻區(qū)域，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體激光器瞬態(tài)熱阻與工作電流的關(guān)系，得到激光器由自發(fā)輻射、超聲輻射到產(chǎn)生激光輸出的過(guò)程中，內(nèi)部瞬態(tài)熱的產(chǎn)生與響應(yīng)情況。用電學(xué)法測(cè)量了 GaAsMESFET的熱不均勻性，其器件表面熱不均勻性的測(cè)量主要依靠紅外熱像法，其操作復(fù)雜，且只能在晶片表面直接測(cè)量。

在實(shí)際設(shè)備中，檢驗(yàn)設(shè)備不能滿足要求。電學(xué)法測(cè)得的溫度值是一個(gè)平均溫度，它是用器件內(nèi)部溫度對(duì)器件綜合作用后，用結(jié)電壓來(lái)表示的。各種溫度分布產(chǎn)生的綜合平均效應(yīng)不同，維持 GaAsMESFET器件的功率恒定值，即乘積 Vds× Ids為一常數(shù)，測(cè)量出改變 Vds和 Ids的熱響應(yīng)曲線。采用一系列測(cè)量方法來(lái)形成曲線。測(cè)定順序的加熱時(shí)間為10 Ls至100 s，步長(zhǎng)以對(duì)數(shù)方式增加，快速測(cè)量每個(gè)脈沖加熱后的溫度升高，在兩個(gè)加熱脈沖之間保留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以使有源區(qū)恢復(fù)到熱沉溫度，說(shuō)明電學(xué)法測(cè)量的溫度與器件的工作狀態(tài)和溫度分布密切相關(guān)。因此，利用紅外熱像儀，對(duì)紅外測(cè)得的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：在功率相同的情況下，高電壓、低電流使峰值溫度升高，而熱不均勻度較低，而電壓、電流卻使晶片表面溫度峰值溫度下降，溫度分布趨于均勻。電性能和紅外測(cè)試結(jié)果是一致的，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是設(shè)備在工作狀態(tài)下，高電壓使漏柵之間的反向電場(chǎng)集內(nèi)，熱量集中，導(dǎo)致溫度分布不均，而在低電壓、大電流下，熱分布更趨均勻。另外，這種不均勻的熱也可以由熱斑等非正常因素造成。電磁場(chǎng)測(cè)得的平均溫度反映了這種溫度分布的差異，且表面熱不均對(duì)電壓敏感。因此，通過(guò)測(cè)量恒定功率，在不同電壓、電流的比例下，可以判斷電學(xué)平均溫度的變化程度。為了進(jìn)一步說(shuō)明這一點(diǎn)，進(jìn)行了電平均溫度的理論計(jì)算。研究表明，在較小的x0值時(shí)，電平均溫度低于峰值溫度。當(dāng)x0增加時(shí)，Tavg接近峰值溫度。在x0/（W/2）=1時(shí)，Tavg的溫度已經(jīng)達(dá)到139℃，與最高溫度的150℃相差甚微。若干個(gè)平均溫度下，電流密度的平均值低于絕對(duì)電流密度的平均值，而T0與位置坐標(biāo)的平均溫度和邊緣 W/2處的平均溫度，在 T （x）、 T （x）、T0和x0以及電學(xué)平均溫度之間，在相同的功率條件下計(jì)算電學(xué)平均溫度隨熱不均勻性的關(guān)系。顯然，在功率不變時(shí)，隨著x0的增加，熱分布趨于均勻，電平均溫度下降。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定的熱量，在器件有源區(qū)平均分布，其電溫度較低;如果這些熱能在有源區(qū)產(chǎn)生較大的熱不均一性，則其電平均溫度非常高。試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)功率不變時(shí)，減小電壓可以使溫度分布趨于均勻。因此，在恒定功率下，低電壓大電流下測(cè)量的溫升越大，熱阻越大，說(shuō)明此時(shí)器件的熱不均一。當(dāng)然，熱不均勻性的判斷，也要結(jié)合其它熱特性的測(cè)試和分析。

結(jié)束語(yǔ)

電平均溫度是溫度分布與結(jié)電壓綜合作用的結(jié)果。GaAsMESFET中，隨著電壓的降低，當(dāng)功率不變時(shí)，平均電溫減小，熱電阻減小，發(fā)現(xiàn)溫度分布與電學(xué)法測(cè)得的平均溫度變化規(guī)律密切相關(guān)，理論計(jì)算也表明這一點(diǎn)，在等功率條件下，電學(xué)平均溫度隨溫度分布趨于均勻而減小說(shuō)明了溫度分布對(duì)平均電溫的影響。通過(guò)理論計(jì)算，在等功率作用下，平均電溫隨著溫度分布趨于均勻。通過(guò)電學(xué)平均溫度的變化，在實(shí)驗(yàn)上能夠判斷出熱均勻情況。在同一批次中，相同功率下的平均電學(xué)溫度較高的器件，熱分布不均勻。當(dāng)功率、電壓相等時(shí)，電學(xué)平均溫度測(cè)得的熱阻較大，而電學(xué)平均溫度則是綜合器件整體電熱特性的綜合結(jié)果，用該方法測(cè)得的熱阻也是熱阻的綜合特性，相對(duì)于用測(cè)量溫度場(chǎng)方法給出的峰值熱阻較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]L. Walshak and W. Poole. Microwave J.，F(xiàn)eb. 1977，62～65.

[2]P. W. Webb，IEE Proc.，1987，34： 51～56.

[3]J. C. Dyment，Y. C. Cheng and A. J. Spring Thorpe，J. Appl. Phys.，1975，46（4）： 1739～1743.

[4]M. Bettolotti，G. L. Liakhou，R. Li. Votiet al.，Appl. Phys. Lett.，1994，65（18）： 2266～2268.

[5]Chinc. Lee. Jae，W. Lee and David H. Chien. Thirteenth IEEE Semi-Therm Symposium，1995，218～223.

[6]陳建煒，石建穩(wěn)，王旭，等.半導(dǎo)體/石墨烯復(fù)合光催化劑的制備及應(yīng)用[J].催化學(xué)報(bào)，2013，34（04）：621-640.