一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和装置制造方法及图纸

一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和装置属于半导体器件测量技术领域。本发明专利技术设计了包括：采用FPGA产生脉宽可调的测试信号；设计了MOSFET栅极驱动电路及栅极测试信号的附加电路，在MOSFET处于一个稳定工作的状态下，利用测试信号附加电路，在栅极原有的工作开启电压上叠加一个大小可调的测试信号；检测漏源电压的变化，当其值变化幅度高出设定标准时，监测电路产生一个指示信号传送给FPGA；基于FPGA的内部计时器，将测试信号的产生时刻和指示信号的接收时刻分别记录，求出二者时差，利用时差与温度间的线性关系，结合工作功率反应的结到壳的温差，求解出器件在该工作状态下的结温。

A method and device for measuring junction temperature of insulated gate field-effect transistor under working state

A method and device for measuring the junction temperature of insulated gate field effect transistor under working state belongs to the field of semiconductor device measurement technology. The invention includes: using FPGA to produce a test signal with adjustable pulse width; an additional circuit of MOSFET gate drive circuit and gate test signal is designed. Under a stable working state, MOSFET is used to superimpose a adjustable test on the original work opening voltage of the gate. Signal; detect the change of the leakage source voltage, when the change range of its value is higher than the setting standard, the monitoring circuit produces an indication signal to transmit to the FPGA; the internal timer based on the FPGA, records the time of the test signal and the receiving time of the indicated signal, and finds out the two time difference, and uses the linear relation between the time difference and the temperature. Combined with the temperature difference between the shell and the shell, the junction temperature of the device is calculated.

【技术实现步骤摘要】
一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和装置
该技术属于微电子技术中的半导体器件测量
，具体为绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)可靠性测试领域。该专利技术主要应用于快速、非破坏的绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)在线结温测量。
技术介绍
绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)器件在使用过程中需要长久地考虑其可靠性问题，特别是大功率应用中，大量的热产生，致使有源区温度升高。器件长期在过高温度下使用会造成其参数特性的退化，甚至引起击穿烧毁。因此，测量器件在所需工作条件下的结温能够很好地关注器件工作状态是否异常，以及有效预防器件损坏。现有的测试方法主要包括红外热像法、传统电学法测热阻、直接内置温度传感器等。由于实际器件有封装，红外热像仪直接检测到的是器件外壳温度，若要测得结温，则会破会器件管壳，同时，还要图像处理，实际操作过程复杂且测试周期长；电学法测量温升，主要通过测量器件各环节材料的热阻，再计算出器件的结温，但该方法无法在器件工作时进行在线测量，其工作信号到测试信号的开关转换速度限制了各环节热阻信息提取的完整性；内置温度传感器的方法虽然解决了上述两方法的限制，但是在工业应用中会提高器件的设计难度和成本。因此，提出一种测量工作时的绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)器件结温的方法，该方法基于载流子迁移率与温度之间存在关系，如下公式所示，其中，μn为电子迁移率，为电子有效质量，T为温度。当温度升高时，电子迁移率降低，导致电子的运动速度变慢。在器件工作的时刻，如果栅极信号发生了变化，那么漏源两端信号也相应发生变化。器件工作是大量载流子运动形成稳定导通沟道的结果，由于器件封装后，在恒定电流条件下工作，沟道宽度恒定，若温度变化使得载流子运动变慢，就会导致栅极变化引起的漏源两端的响应时间变长。实际测试中，通过栅极附加一个有限脉宽的较小的测试信号，引发漏源极电压的变化，期间，由于前述的原因会有一个响应延迟时间，这个时间延迟与器件的工作结温存在线性关系，便以此推断出器件结温。另外，由于所加测试信号的幅值小且时间短，则其引起的功率变化很小，即结温变化极小，可以忽略。
技术实现思路
本专利技术的主要专利技术点在于：采用FPGA产生脉宽可调的测试信号；设计了MOSFET栅极驱动电路及栅极测试信号的附加电路，在MOSFET处于一个稳定工作的状态下，利用测试信号附加电路，在栅极原有的工作开启电压上叠加一个大小可调的测试信号；检测漏源电压的变化，当其值变化幅度高出设定标准时，监测电路产生一个指示信号传送给FPGA；基于FPGA的内部计时器，将测试信号的产生时刻和指示信号的接收时刻分别记录，求出二者延迟时差。基于上述这些专利技术点，通过测定器件的基本参考曲线，之后进行实际测量，就能较为准确地测量工作中的MOSFET器件结温。本专利技术提供了一种测量工作状态下的MOSFET器件结温的装置，其特征包括以下部分：测量装置示意图见图1。被测MOSFET器件300放置在可调温的恒温平台301上，被测器件300的漏源极D、S分别接到工作电源302的正负极；计算机101给FPGA模块101发送开始指令，同时保存FPGA模块101传输的数据；FPGA模块101与测试信号的调幅电路200的输入连接，此外，还与指示信号滤波电路401的输出连接；FPGA模块还起到测试流程的控制和测试数据的计算处理作用；栅极开启驱动电路201的输入连接电压源203；调幅电路200和驱动电路201一同连接至测试信号附加电路202的输入，附加电路202的输出与被测器件300的栅极G连接；监测电路401的输入一个连接被测器件300的漏极D，另一个连接电压源402，其输出连接滤波电路401的输入。使用上述连接的装置测量器件结温的温度系数的方法如下：1)将被测MOSFET器件300放置在可调温的恒温平台301上，器件300的栅、源、漏极各自连接好导线，设置恒温平台301的温度为Tc；2)通过电源203设置被测器件工作的漏源恒定电压值和电流值，同时在FPGA模块101内设置测试信号脉宽，调节调幅电路设定所需的测试信号大小；3)通过电压源203设定栅极开启电压，使得器件300在所设定的电压电流值下开始导通工作，记录下工作时的漏源电压值V和漏源电流值I；4)根据实际的漏源电压值V，利用电压源402设定监测电路的监测值；5)计算机100给FPGA模块101发送指令，使其发送一个测试信号，同时FPGA模块101内部计时器模块开始记录一个起始点值A1；等待测试信号引起的漏源电压变化超过监测值时，监测电路400发出指示信号，经滤波电路401后，FPGA模块101接收该信号，同时其内部计时器模块记录下这个结束点值A2；6)FPGA模块101内部计时器模块计算出延迟时间△T，将该值传给计算机；7)重复步骤5)、步骤6)多次计算同一温度下的延迟时间，并对这些延迟时间取平均得到平均延迟时间tavg；8)改变恒温平台301温度，重复步骤3)到步骤7)的操作，得到该温度点下的平均延迟时间；9)重复步骤8)，得到多个不同温度下对应的不同的平均延迟时间；10)移除被测器件300和恒温平台301后，测量得整个系统电路的固有延迟时间tcrt；11)将平均延迟时间扣除电路固有延迟，得到器件延迟时间tdut；同时，利用热阻仪或是器件手册得到器件结壳热阻Rth，再结合器件工作功率P＝V*I，最终得到器件结温Tj；做图表，得出不同工作功率下的不同结温度Tj对应的不同器件延迟时间曲线tdut，利用曲线得到温度系数。使用上述连接的装置测量工作中器件结温的方法如下：Ⅰ、将被测器件300栅、源、漏极连接导线，设定电源302的电压和电流值；之后，让器件300开启工作，待稳定后，用电压源402来设定监测电路400的监测值；Ⅱ、执行FPGA模块101内的测试程序，给器件300栅极一个附加的测试信号，等待监测电路400发出指示信号，经滤波电路401后被FPGA模块101接收，通过其内部程序处理后，自动将单次的延迟时间△T传给计算机100；Ⅲ、重复步骤Ⅱ若干次，求出平均延迟时间；Ⅳ、撤除器件300，测试出电路固有延迟时间，并结合Ⅲ中的平均延迟时间，计算出器件300的延迟时间；Ⅴ、根据Ⅰ中所设定的电压、电流值，计算出器件300的工作功率，利用测量器件结温的温度系数图表，找到对应工作功率下的曲线及其温度系数，计算出该工作条件下的器件结温。本专利技术的创新点如下：1.从方法上看，利用延迟时间与结温的关系测量工作中的器件结温这个思路是新的，虽然其他方法也可以测结温，但是，有的会破坏器件，有的不是在工作时刻。2.通过电路设计采集这个延迟时间信号，电路设计是新的，附加信号的电路是传统，但是用这个方法才能完成测试信号的附加。另外，对于漏源端电压变化的检测，利用比较器把检测信号从模拟微小量转化为FPGA可接收的数字量，这个想法也是新的(虽然比较器电路是传统的，但是此处的应用算是器件测量中的一个新应用)。3.先测温度系数和后实际应用，这个是必须的，不然没办法应用，但是可以共用一套系统。4.整个测试过程必须要由FPGA做控制，因为这样时间计量上才能准确，也才能保证测试过程中附加信号的可控，不会因为测试信号问题，引起不必要的误差。5.电路模块已经是非常精简的，任何本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测工作状态下的MOSFET器件结温的装置，其特征在于，包括以下部分：被测MOSFET器件放置在可调温的恒温平台上；器件的漏源两端接外部电源，器件的栅极接到测试信号附加电路的输出端；FPGA链路分成两部分，一部分为测试信号的产生，该部分与测试信号附加电路一个输入端连接，另一部分是指示信号的接收，其与漏源电压监测电路的输出端连接；测试信号附加电路输入端有两个，其中一个连接至调幅电路的输出，这个电路由一个可调电阻与一个固定电阻组成，实现测试信号的大小调节，而调幅电路的输入与FPGA的测试信号的产生端口连接；测试信号附加电路的另一输入端连接栅极驱动电路的输出，驱动电路的输入连接用于设置栅极开启电压的外部电源，不加测试信号时，该电路的输出信号即为栅极开启电压，若加上测试信号，则电路的输出变为在工作下的开启电压基准上叠加一个测试电压信号；漏源电压监测电路，其输入端接器件漏极，此电路的输出端连接FPGA指示信号接收口；利用FPGA内部设置的计时器，计算测试信号产生时刻和指示信号接收时刻之间的时间差，通过串口通信将该值传给计算机。

【技术特征摘要】
1.一种检测工作状态下的MOSFET器件结温的装置，其特征在于，包括以下部分：被测MOSFET器件放置在可调温的恒温平台上；器件的漏源两端接外部电源，器件的栅极接到测试信号附加电路的输出端；FPGA链路分成两部分，一部分为测试信号的产生，该部分与测试信号附加电路一个输入端连接，另一部分是指示信号的接收，其与漏源电压监测电路的输出端连接；测试信号附加电路输入端有两个，其中一个连接至调幅电路的输出，这个电路由一个可调电阻与一个固定电阻组成，实现测试信号的大小调节，而调幅电路的输入与FPGA的测试信号的产生端口连接；测试信号附加电路的另一输入端连接栅极驱动电路的输出，驱动电路的输入连接用于设置栅极开启电压的外部电源，不加测试信号时，该电路的输出信号即为栅极开启电压，若加上测试信号，则电路的输出变为在工作下的开启电压基准上叠加一个测试电压信号；漏源电压监测电路，其输入端接器件漏极，此电路的输出端连接FPGA指示信号接收口；利用FPGA内部设置的计时器，计算测试信号产生时刻和指示信号接收时刻之间的时间差，通过串口通信将该值传给计算机。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，被测器件工作在恒定电流的条件下，栅极测试信号变化引起的是被测器件漏源两端的电压变化，而两端的导通电流一直是恒定的。3.应用权利要求1所述装置测量工作状态下的MOSFET器件结温温度系数的方法，其特征在于，步骤如下：1)将被测MOSFET器件放置在可调温的恒温平台上，器件的栅、源、漏极各自连接好导线，设置恒温平台的温度为Tc1；2)通过外部电源设置被测器件工作的漏源恒定电压值和电流值，同时在FPGA内设置测试信号脉宽，调节调幅电路内的可变电阻，设定所需的测试信号大小；3)调节栅极驱动的开启电压大小，使得器件在所设定的电压电流值下开始导通工作，记录下工作时的漏源电压值V1和漏源电流值I1；4)根据实际的漏源电压值V1，设定监测电路的监测值；5)通过给FPGA发送指令，使其发送一个测试信号，同时FPGA内部计时器模块开始记录一个起始点值A1；等待测试信号引起的漏源电压变化超过监测值时，监测电路发出指示信号，FPGA接收指示信号，同时其内部计时器模块记录下这个结束点值A2；6)FPGA内部计时器模块继续计算结束点值与起始点值之差，即N＝A2-A1；同时根据FPGA内部时钟频率得到时钟周期△t，即可得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯士维，王勋，何鑫，张亚民，陈宇峥，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11