Способ измерения теплового импеданса светодиодов

Способ измерения теплового импеданса светодиодов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых изделий и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления светодиодов.

Известен способ измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра, например прямого напряжения U_ТЧП диода при пропускании через него малого измерительного тока (ГОСТ 19656, 18-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U_ТЧП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из режима разогрева в режим измерения (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио, 1980. С.51).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов (см. Патент №2402783 РФ. Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов, Б.И. №30, 2010 г.), состоящий в том, что через диод в прямом направлении пропускают последовательность импульсов греющего тока, длительность τ_и которых изменяется по гармоническому закону

τ и = τ 0 ( 1 + a sin   Ω t )             ( 1 )

где τ₀ - средняя длительность импульсов; a - коэффициент модуляции; Ω - частота модуляции, а в промежутках между импульсами греющего тока через диод пропускают малый прямой ток. Период следования T_сл и амплитуду I_гр импульсов греющего тока поддерживают постоянными, по результатам измерения напряжения на диоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники греющей мощности P_m1(Ω) и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра U ˜ m 1 Т П ( Ω ) - прямого напряжения на p-n переходе при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, и по измеренным значениям определяют тепловой импеданс полупроводникового диода на частоте модуляции греющей мощности по формуле:

Z ( Ω ) = | Z T ( Ω ) | ⋅ e j ϕ ( Ω ) = U ˜ m 1 Т П ( Ω ) K T P m l ( Ω ) e j ϕ ( Ω )   .         ( 2 )

K_T - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании через него постоянного начального тока, φ(Ω) - фаза теплового импеданса, равная сдвигу фаз между температурой и греющей мощностью.

Недостатком прототипа является то, что при его применении для измерения теплового импеданса светодиодов появляется значительная погрешность, обусловленная тем, что часть электрической мощности, потребляемой светодиодом, излучается во внешнюю среду в виде оптического излучения, в результате на нагрев светодиода идет не вся электрическая мощность. Таким образом, известный способ дает существенно заниженные значения модуля теплового импеданса. У современных светодиодов внешний квантовый выход может достигать десятков процентов, при этом конкретное значение квантовой эффективности имеет значительный разброс от образца к образцу.

Технический результат - повышение точности измерения модуля теплового импеданса светодиодов.

Технический результат достигается тем, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока I_гр, в промежутках между импульсами греющего тока через диод пропускают малый постоянный начальный ток, по результатам измерения напряжения на диоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P_ml(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра U ˜ m 1 Т П ( Ω ) с известным отрицательным температурным коэффициентом К_Т - прямого напряжения на p-n переходе светодиода при протекании через него малого постоянного начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, дополнительно измеряют среднюю мощность W ¯ о п т оптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле

| Z T ( Ω ) | = U ˜ m l Т П ( Ω ) K T ( P m l ( Ω ) − a W ¯ о п т )   ,           ( 3 )

а фаза φ_T(Ω_M) теплового импеданса светодиода будет равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности.

Повышение точности измерения модуля теплового импеданса светодиода достигается за счет того, что из первой гармоники электрической мощности, потребляемой светодиодом, вычитается первая гармоника мощности W_lonm(Ω) оптического излучения на частоте модуляции, которая при гармоническом законе ШИМ модуляции с глубиной a определяется по формуле W l o n m ( Ω ) = a W ¯ о п т и которая не идет на нагреве структуры СИД, и, таким образом более точно определяется мощность, затрачиваемая на разогрев светодиода.

Предлагаемый вариант способа может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.1.

Устройство содержит контакты 1 для подключения контролируемого светодиода, источник 2 постоянного начального тока I_нач, генератор греющих импульсов тока 3, устройство управления 4, управляемые аналого-цифровые преобразователи 5 и 6, измеритель оптической мощности 7 с цифровым выходом и вычислитель 8.

Устройство работает следующим образом. После установки светодиода в контактную колодку 1 напротив входного отверстия измерителя оптической мощности 7 через него пропускают постоянный начальный ток I_нач от источника 2. Генератор импульсов 3 по сигналу устройства управления 4 начинает вырабатывать последовательность греющих импульсов тока заданной амплитуды I_m и постоянной частоты f_сл (фиг.2а), которые подаются в контролируемый светодиод. Моменты времени t_k=kT_сл начала k-го импульса и его длительность τ_uk-τ_u0(1+acosΩt_k) определяются управляющими импульсами U_У1 (фиг.2б) и U_У2 (фиг.2в) устройства управления. Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус светодиода, в светодиоде установится регулярный режим и температура p-n перехода светодиода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения T ˜ n ( t ) (фиг.2г), изменяющегося по гармоническому закону. Изменения прямого напряжения U_m(t) светодиода показаны на (фиг.2д). Прямое напряжение светодиода подается на входы аналого-цифровых преобразователей 5 и 6. АЦП 5 преобразует в цифровой код прямое напряжение светодиода U_m(t) во время протекания греющих импульсов тока в моменты времени t k i m 1 = t k + Δ t o m 1 , определяемые управляющими импульсами U-У₃ (фиг.2е) устройства управления 4, где ΔTt_om1, некоторое фиксированное время задержки запуска первого АЦП. Цифровые отсчеты прямого напряжения светодиода U_m(k) передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений прямого напряжения диода {U_m(k)}. Второй АЦП 6 преобразует в цифровой код температурочувствительный параметр - прямое напряжение светодиода U m Т П во время паузы между греющими импульсами тока при протекании начального тока I_нач в моменты времени t k o m 1 = t k + τ u k + Δ t o m 2 , определяемые управляющими импульсами U_У4 (фиг.2ж) устройства управления, где Δt_om2 - некоторое фиксированное время задержки запуска второго АЦП. Цифровые отсчеты U m Т П ( k ) передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений температурочувствительного параметра { U m Т П ( k ) } . Значение W ¯ о п т средней оптической мощности (фиг.2з) с выхода измерителя оптической мощности 7 по сигналу устройства управления передается в вычислитель 8 за несколько тактов до окончания измерения.

Вычислитель 8 вычисляет значения импульсной мощности для каждого k-го греющего импульса тока путем умножения U_m(t) на значение амплитуды греющих импульсов тока I_m:P_m(k)=I_m·U_m(k) и формирует массив значений импульсной мощности {(P_m(k)}. По массивам данных {P_m(k} и U m Т П ( k ) методом дискретного преобразования Фурье вычислитель 8 определяет амплитуду и фазу гармоник греющей мощности P_m1 и φ_P температурочувствительного параметра U m 1 Т П и φ_T далее вычисляет модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:

| Z T ( Ω ) | = U ˜ m l Т П ( Ω ) K T ( P m l ( Ω ) − a W ¯ о п т )   ;           ( 4 а )

ϕ = ϕ T − ϕ P   .                         ( 4 б )

Для повышения точности преобразование измеряемых величин осуществляется в течение нескольких (3-5) периодов модуляции греющей мощности и получают N=(3÷5)Т_М/T_сл цифровых отсчетов измеряемых величин.

Способ измерения теплового импеданса переход-корпус светодиодов, состоящий в том, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды, широтно-импульсно модулированную по гармоническому закону с глубиной модуляции а, в промежутках между импульсами греющего тока через светодиод пропускают начальный ток, по результатам измерения напряжения на светодиоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P_ml(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра с известным отрицательным температурным коэффициентом К_Т - прямого напряжения на p-n переходе светодиода при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, измеряют среднюю за время разогрева мощность оптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле а фаза φ_T(Ω_M) теплового импеданса светодиода равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности.