半导体器件热特性的电学法测量与分析

黄玉恒

摘要：利用电学法测量器件的温升、热阻及进行瞬态热响应分析是器件热特性分析的有力工具。本文利用电学法测量了GaAsMESFET在等功率下，加热响应曲线随电压的变化，并通过红外热像仪测量其温度分布，结果表明电学法测得的平均温度与温度分布有很大关系。理论计算也表明了这一点。在等功率条件下，电学平均温度随着温度分布趋于均匀而减少，该方法可用来判断器件的热不均匀性。

关键词：半导体;热特性;测量;分析

半导体器件的热特性直接影响器件工作温度、热阻，并决定器件的工作寿命。其热特性的测量变得越来越重要，目前，半导体器件工作温度及热阻测量的主要方法有：红外微象仪法、电学参数法，还有对半导体激光器的温升及热阻测量的光谱法、光热阻扫描法及光功率法，这些方法基于不同的测量原理，可以用来确定半导体器件表面的温度分布或者某种意义上的平均温度。本文用改进的电学法，测量了半导体器件工作时的温升、热阻，对其瞬态温度特性进行了较为详细的测量与分析，并通过计算模拟，将电学法用于分析GaAsMESFET的热不均匀性。

1.测量原理及其装置

许多器件在恒电流下，其半导体结电压与温度之间存在良好的线性关系，为了保证测量的结电压与温度之间有较精确的对应关系，测试电流通常很小，为100 LA～2 mA，依芯片的结面积大小而定，这样的器件测量电流一般为100 LA～2 mA。对 GaAsMESFET来说，正常工作时，栅源之间加反偏，漏源之间加正偏。因此，从工作状态切换到测量状态时，必须通过快速开关电路将漏源栅电压、正向、恒定电流加入器件。在实际设备中，检测设备不能满足要求，电法测得的温度值是平均温度，它表示为设备内温度，各种温度分布的综合平均效应是不同的。测出此时的结电压，以确定相应的温度，测量仪从工作状态到试验状态转换延迟时间为3～5 Ls。在此基础上，通过对延时之后的数据进行拟合，反推出 t=0时的温度，精度和可比性，采用无限大热沉是十分必要的，保证在测量过程中管壳处于恒定温度，这样，首先测量器件加功率前的电压值Vf1，再测量器件加功率后的电压值Vf2。根据结电平与结温之间的线性关系，$ T=$ V/k，k是 T和 V关系的线性斜率，器件所加的功率是P= VI，所以热阻 Rth=$ T/P=$ V/（Vf2-Vf1）/（kVI），改进后的电学测量仪中，功率的持续时间、工作电压和电流、以及测试窗口的冷却时间都可以通过程序自动设置，实现了测量自动化。

2.测量结果及其讨论

利用该仪器可以对半导体器件的多种热力学性能进行测试。半导体器件通常是由许多不同的热性能材料如芯片、焊料、热沉和壳体组成。通过测量半导体激光器的瞬态热阻响应特性，可以在多层材料结构中分离出热阻区域，通过测量半导体激光器瞬态热阻与工作电流的关系，得到激光器由自发辐射、超声辐射到产生激光输出的过程中，内部瞬态热的产生与响应情况。用电学法测量了 GaAsMESFET的热不均匀性，其器件表面热不均匀性的测量主要依靠红外热像法，其操作复杂，且只能在晶片表面直接测量。

在实际设备中，检验设备不能满足要求。电学法测得的温度值是一个平均温度，它是用器件内部温度对器件综合作用后，用结电压来表示的。各种温度分布产生的综合平均效应不同，维持 GaAsMESFET器件的功率恒定值，即乘积 Vds× Ids为一常数，测量出改变 Vds和 Ids的热响应曲线。采用一系列测量方法来形成曲线。测定顺序的加热时间为10 Ls至100 s，步长以对数方式增加，快速测量每个脉冲加热后的温度升高，在两个加热脉冲之间保留足够长的时间，以使有源区恢复到热沉温度，说明电学法测量的温度与器件的工作状态和温度分布密切相关。因此，利用红外热像仪，对红外测得的温度场分布进行了测量，结果表明：在功率相同的情况下，高电压、低电流使峰值温度升高，而热不均匀度较低，而电压、电流却使晶片表面温度峰值温度下降，温度分布趋于均匀。电性能和红外测试结果是一致的，产生这一现象的原因一方面是设备在工作状态下，高电压使漏栅之间的反向电场集内，热量集中，导致温度分布不均，而在低电压、大电流下，热分布更趋均匀。另外，这种不均匀的热也可以由热斑等非正常因素造成。电磁场测得的平均温度反映了这种温度分布的差异，且表面热不均对电压敏感。因此，通过测量恒定功率，在不同电压、电流的比例下，可以判断电学平均温度的变化程度。为了进一步说明这一点，进行了电平均温度的理论计算。研究表明，在较小的x0值时，电平均温度低于峰值温度。当x0增加时，Tavg接近峰值温度。在x0/（W/2）=1时，Tavg的温度已经达到139℃，与最高温度的150℃相差甚微。若干个平均温度下，电流密度的平均值低于绝对电流密度的平均值，而T0与位置坐标的平均温度和边缘 W/2处的平均温度，在 T （x）、 T （x）、T0和x0以及电学平均温度之间，在相同的功率条件下计算电学平均温度随热不均匀性的关系。显然，在功率不变时，随着x0的增加，热分布趋于均匀，电平均温度下降。研究发现，对于一定的热量，在器件有源区平均分布，其电温度较低;如果这些热能在有源区产生较大的热不均一性，则其电平均温度非常高。试验结果还表明，当功率不变时，减小电压可以使温度分布趋于均匀。因此，在恒定功率下，低电压大电流下测量的温升越大，热阻越大，说明此时器件的热不均一。当然，热不均匀性的判断，也要结合其它热特性的测试和分析。

结束语

电平均温度是温度分布与结电压综合作用的结果。GaAsMESFET中，随着电压的降低，当功率不变时，平均电温减小，热电阻减小，发现温度分布与电学法测得的平均温度变化规律密切相关，理论计算也表明这一点，在等功率条件下，电学平均温度随温度分布趋于均匀而减小说明了温度分布对平均电温的影响。通过理论计算，在等功率作用下，平均电温随着温度分布趋于均匀。通过电学平均温度的变化，在实验上能够判断出热均匀情况。在同一批次中，相同功率下的平均电学温度较高的器件，热分布不均匀。当功率、电压相等时，电学平均温度测得的热阻较大，而电学平均温度则是综合器件整体电热特性的综合结果，用该方法测得的热阻也是热阻的综合特性，相对于用测量温度场方法给出的峰值热阻较高。

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