專利名稱：砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度測(cè)試方法
一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度測(cè)試方法屬于半導(dǎo)體器件測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAs MESFET)溝道溫度Tch一般是根據(jù)

圖1所示的原理圖進(jìn)行測(cè)量的(參見Electrical Thermal Testing Puts Quality in GaAs FET Systems，By Bernard S.Siegal，Sage En-terprises，Inc.MSNAugust 1981)。其中K1是電子開關(guān)，D、G、S分別是漏、柵和源極。VDS是外加的加熱脈沖電壓，Igf是柵極電流，Vgsf是柵極電壓。其工作過程請(qǐng)見圖2的Theta 220A熱阻測(cè)試儀波形圖。在全部時(shí)間內(nèi)，柵極加有小的正向測(cè)量電流IMO在t1時(shí)間內(nèi)未對(duì)器件施加加熱脈沖電壓VDS和相應(yīng)的漏極電流IDSO。根據(jù)IM可測(cè)得柵源正向壓降Vgsf1，在t2時(shí)間內(nèi)對(duì)器件施加VDS和IDS，使其處于特定工作狀態(tài)。在t3時(shí)間內(nèi)去掉VDS和IDS，使器件從該工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成測(cè)量狀態(tài)，再次根據(jù)IM可測(cè)得測(cè)量狀態(tài)下的柵源正向壓降Vgsf2。然后，根據(jù)已知的相應(yīng)于Vgsf的溫度系數(shù)Tv由下述公式即可獲得器件的熱阻RthRth＝ (ΔTch)/(PDISS) = (Vgsfi-VgSf2)/(TvDVDSIDS)其中，D為t2與t3的比值。
該法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試電路簡(jiǎn)單，但在全過程中始終有小的柵極正向測(cè)量電流IM存在，而器件在正常工作時(shí)柵極又是用負(fù)壓反向偏置的，因而不能測(cè)量任意工作條件，尤其是正常工作時(shí)的器件熱阻，且在器件上施加的功率也受到很大限制。之所以如此，是因?yàn)門ch由以下公式?jīng)Q定;當(dāng)柵極始終存在小的正向測(cè)量電流IM時(shí)，Tch＝(Vgsf1-Vgsf2)/Tv+Tc其中Tch是溝道溫度，Tv是溫度系數(shù)。Tc是環(huán)境溫度。在上述條件下，IM是恒定的，Vgsf1、Vgsf2都與器件管芯溫度T成線性關(guān)系，Tv近似常數(shù)。
但當(dāng)器件由負(fù)柵壓偏置的工作狀態(tài)向測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于自身電容的影響，IM由零達(dá)到穩(wěn)定值有一個(gè)過程，因而Tv是t的函數(shù)，此時(shí)間常數(shù)一般僅為2～5μs，于是，Tch也與時(shí)間有關(guān)，即Tch(t)＝[Vgsf1(t)-Vgsf2(t)]/Tv(t)+Tc而Tv(t)＝ ＝const由于上述時(shí)間常數(shù)的存在，造成了測(cè)量的困難，另外Tv值一般為1.0～1.6mV/℃，其測(cè)量精度要求極高，因而無法對(duì)Tv進(jìn)行精確測(cè)定。
我們?cè)O(shè)想，如果使器件在柵極加負(fù)偏壓，且在沒有加熱脈沖電壓的狀態(tài)下，當(dāng)使其向測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，用同樣的采樣時(shí)間間隔，先后測(cè)出使管芯溫度等于不同環(huán)境溫度T，即處于管芯溫度校正狀態(tài)下的V′gsf1與t的關(guān)系曲線，就可解決由于柵極電流隨時(shí)間變化而帶來的Tv的時(shí)變性問題以及相應(yīng)的難于對(duì)Tv作精確測(cè)定的問題。請(qǐng)見圖3～4，其中，K2、K3是電子開關(guān)，VGSR是負(fù)柵壓。
本發(fā)明的目的在于提供一種可在任意工作條件下測(cè)量砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度和熱阻的方法。
本發(fā)明所提出的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度測(cè)試方法，其特征在于它包含以下步驟1、在t0時(shí)間內(nèi)，在設(shè)定的環(huán)境溫度Tc下，使被測(cè)管從負(fù)柵壓驅(qū)動(dòng)向正向小柵極電流IM狀態(tài)轉(zhuǎn)換，測(cè)定其在t1時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程中的柵壓Vgsf1(t)曲線;
2、從t1+時(shí)刻起，在t2時(shí)間內(nèi)，先后向被測(cè)管柵極施加負(fù)柵極電壓VGSR，和加熱脈沖電壓VDS使其處于工作狀態(tài);
3、從t2-時(shí)刻起，先后去掉電壓VDS與VGSR，使被測(cè)管從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到測(cè)量狀態(tài);
4、從t2+時(shí)刻起，在t3時(shí)間內(nèi)，在設(shè)定的時(shí)間區(qū)間，等時(shí)間間隔地測(cè)定Vgsf2值，作出反映器件冷卻過程的Vgsf2與t的關(guān)系曲線;
5、在設(shè)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，在未對(duì)被測(cè)器件施加加熱脈沖電壓(即使管芯溫度等于環(huán)境溫度)而只施加上述VGSR電壓的條件下，對(duì)應(yīng)于設(shè)定的各個(gè)環(huán)境溫度值，重復(fù)被測(cè)器件從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到測(cè)量狀態(tài)的過程并以與上述相同的時(shí)間間隔去逐時(shí)逐刻地測(cè)出柵壓V′gsf1與t的關(guān)系曲線，再根據(jù)溫度系數(shù)公式Tv(t)＝ ＝consl去求出Tv與t的關(guān)系，曲線Tv(t)即所謂的校正曲線，其中T為管芯溫度即環(huán)境溫度;
6、根據(jù)Vgsf1(t)、Vgsf2(t)以及Tv(t)[VGSR＝const]的關(guān)系曲線通過熱阻公式Tch(t)＝[Vgsf1(t)-Vgsf2(t)]/Tv(t)+To去求出器件的冷響應(yīng)曲線即Tch(t)，其中，Tc為環(huán)境溫度，也是器件的殼溫，再根據(jù)此曲線外推到t＝0時(shí)刻即可求得Tch(0);
7、用電峰值法求出被測(cè)器件的峰值溝道溫度TpTp＝△Tch/r+Tc△Tch＝△Tch(0)-Tc;
r＝(△Tavq/△Tp)模擬值△Tavq為用多層三維器件熱模型計(jì)算出的平均溫升;
△Tp為用多層三維器件熱模型計(jì)算芻芯片有源區(qū)的峰值溫升;
關(guān)于多層三維熱模型的計(jì)算方法請(qǐng)見A.G.Kokka作的“多層結(jié)構(gòu)的熱分析”，見IEEE.Trans.onElectron Device，Vol.ll，No.21，1974。
8、根據(jù)下述公式算出被測(cè)器件在工作狀態(tài)下的熱阻RthRth=Tch(t)-TePDLSS=Tch(o)-TcDlDSVDS]]>其中，D為t2與t3之比值;IDS為漏電流;VDS為工作電壓。
為了在下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳盡描述，現(xiàn)把本申請(qǐng)文件所使用的附圖編號(hào)及名稱簡(jiǎn)介如下圖1Theta 220A型熱阻測(cè)試儀原理圖;
圖2Theta 220A型熱阻測(cè)試儀的波形圖;
圖3本發(fā)明使用的測(cè)試裝置原理圖;
圖4本發(fā)明使用的測(cè)試裝置的波形圖;
圖5本發(fā)明使用的測(cè)試裝置的電路框圖;
圖6本發(fā)明使用的測(cè)試裝置的程序流程圖。
實(shí)施例本方法是通過圖5所示的電路框圖來實(shí)現(xiàn)的。其中，計(jì)算機(jī)1的主要任務(wù)是用于向控制器2下達(dá)操作指令并接收、處理測(cè)量數(shù)據(jù)。后者的作用是處理收到的數(shù)據(jù)并發(fā)出操作指令。時(shí)序調(diào)整電路3是用于把控制器2發(fā)出的開關(guān)控制信號(hào)先后轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào)去分別控制柵極開關(guān)電路4和漏極開關(guān)電路5，該兩路信號(hào)間的延時(shí)是為了防止被測(cè)器件燒毀或受大電流沖擊。上述兩個(gè)開關(guān)電路4、5是用于控制被測(cè)器件在工作狀態(tài)(即加熱狀態(tài))和測(cè)量狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換用的，6和7分別是供應(yīng)上述兩個(gè)開關(guān)電路的可編程控制電源，它可通過編程來改變被測(cè)器件的工作點(diǎn)。8是用于向被測(cè)器件柵極提供恒定小電流的恒流源。9是隔離放大電路，它可把被測(cè)器件10的柵壓放大或壓縮后分別送入控制器2或與其雙向連接的高速A/D轉(zhuǎn)換器11。12是電流電壓轉(zhuǎn)換電路，它可把電流IDS轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后送往控制器2。13是隔離放大電路，它可把漏極電壓放大或壓縮后送入控制器2。該控制器分別有三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器去接收上述三個(gè)信號(hào)。14是帶有加熱元件15、熱電偶16的恒溫器，它可在控制器2的控制下為測(cè)試臺(tái)17提供環(huán)境溫度Tc。18是漏極電流IDS的過流保護(hù)電路。19是小鍵盤，20是顯示器。
圖6是為了實(shí)施本方法而設(shè)計(jì)的程序流程框圖。
下面表1分別給出了GaAs MESFET分別采用本法和紅外微熱像儀法測(cè)得的結(jié)果

權(quán)利要求
1.砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度測(cè)試方法，其特征在于它包含以下步驟(1)在t0時(shí)間內(nèi)，在設(shè)定的環(huán)境溫度Tc下，使被測(cè)管從負(fù)柵壓向小正向柵極電流Igs轉(zhuǎn)換，測(cè)出被測(cè)管在t1時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程中的柵壓Vgsf1(t)曲線；(2)從t1+的時(shí)刻起，在t2時(shí)間內(nèi)，先后向被測(cè)管柵極施加負(fù)柵極電壓VGSR，和加熱脈沖電壓VDS使其處于工作狀態(tài)；(3)從t2-時(shí)刻起，先后去掉電壓VDS與VGSR，使被測(cè)管從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到測(cè)量狀態(tài)；(4)從t2+時(shí)刻起，在t3時(shí)間內(nèi)，在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，等時(shí)間間隔地測(cè)定Vgsf2值，作出反映器件冷卻過程的Vgsf2與t的關(guān)系曲線；由Vgsf1(t)和Vgsf2(t)可得到ΔVgs～t曲線；(5)在設(shè)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，在未對(duì)被測(cè)器件施加加熱脈沖電壓(即使管芯溫度等于環(huán)境溫度)而只施加上述VGSR的條件下，對(duì)應(yīng)于設(shè)定的各個(gè)環(huán)境溫度值，重復(fù)被測(cè)器件從工作狀態(tài)向測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換并以與上述相同的時(shí)間間隔，測(cè)出柵壓V′gsf1與t的關(guān)系曲線，再根據(jù)溫度系數(shù)公式 去求出TV與t的關(guān)系曲線，即校正曲線，其中T為管芯溫度即環(huán)境溫度；(6)根據(jù)Vgsf1(t)、Vgsf2(t)以及Tv(t)[VGSR=const]的關(guān)系曲線通過熱阻公式Tch(t)=[Vgsf1(t)-Vgsf2(t)]/Tv(t)+Tc求出器件的冷響應(yīng)曲線即Tch與t的關(guān)系曲線，其中，Tch為器件的溝道溫度(平均值)，Tc為環(huán)境溫度，也是器件的殼溫，再根據(jù)外推到t=0時(shí)刻，求得器件工作條件下的溝道溫度Tch(0)；(7)用電峰值法求出被測(cè)器件的峰值溝道溫度TpTp=ΔTch/r+TcΔTch為Tch隨時(shí)間而變的增量；r=(ΔTavg/ΔTp)模擬值；ΔTavg為用多層三維器件熱模型計(jì)算出的芯片有源區(qū)的平均溫升；ΔTp為用多層三維器件熱模型計(jì)算出的芯片有源區(qū)的峰值溫升；(8)根據(jù)下述公式算出被測(cè)器件在工作狀態(tài)下的熱阻RthRth=Tch(t)-TePDLSS=Tch(o)-TcDlDSVDS]]>其中，D為時(shí)間t2與t3之比值；lDS為漏電流；VDS為工作電壓。
全文摘要
砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道溫度測(cè)試方法屬于半導(dǎo)體器件測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。其特點(diǎn)是分別在工作狀態(tài)下加有加熱脈沖電壓的柵極負(fù)偏壓以及只加有柵極負(fù)偏壓且其管芯溫度與環(huán)境溫度相等的條件下測(cè)出器件向測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的Vgsf與t的曲線和只加負(fù)偏壓且在設(shè)定的不同管芯溫度下各V′gsf1與時(shí)間的曲線，求出在一定柵極負(fù)偏壓下的溫度系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線把冷卻曲線經(jīng)過外推并使用器件多層三維模型求出在任意工作條件下的溝道溫度、熱阻、峰值溝道溫度和峰值熱阻。
文檔編號(hào)G01K7/00GK1106922SQ9410100
公開日1995年8月16日 申請(qǐng)日期1994年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月8日
發(fā)明者呂長(zhǎng)志, 王明珠, 王重, 馮士維, 丁廣鈺, 李學(xué)信 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)