[發明專利]芯片內部溫度控制方法和裝置以及基于本方法的實驗儀

無效

• 申請號: 201310047516.7
• 申請日: 2013-02-06
• 公開（公告）號: CN103176489A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 雷撼;張凱;宋建平
• 申請（專利權）人: 南京千韻電子科技有限公司
• 主分類號: G05D23/20
• 分類號: G05D23/20;G01R31/26;G01N25/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 朱慶華

技術領域

本發明涉及研究芯片溫度特性及相關領域，具體涉及一種精確的控制芯片內部溫度以及對芯片內部溫度實時測量和校準的方法。?

本技術方案還提供了作為大中專院校和科研機構電工電子和物理實驗裝置。本基于芯片級PN結溫度控制裝置的實驗儀特別用在PN結溫度特性、伏安特性，以及三極管的其它一些特性的研究和小信號放大電路的了解，同時還應用于物理實驗中常數玻爾茲曼常數的測定。?

背景技術

現有的芯片工作溫度測量的方法和裝置種類比較單一，基本都是將待測試芯片置于一個盛有液體（絕緣油或水等）的保溫杯中，通過對保溫杯中液體的溫度控制來間接地控制和測定芯片的溫度，即將環境溫度近似為芯片內部晶源的溫度。而該種裝置和方法有明顯的缺陷，一是測得溫度不準確，這主要是由于芯片內部晶源和外部環境之間有一層保護晶源的塑封殼，該塑封殼的體積和質量都遠遠大于芯片本身晶源的體積和質量，而無論是芯片內部工作時產生的熱量傳遞到外界環境還是外界環境的熱量傳遞到芯片內部，都要通過塑封殼這層介質，而在這過程中塑封殼本身也會帶走一定的熱量，實際到達芯片內部的熱量要少用化境理論傳遞的熱量，使芯片內部和環境之間存在溫度梯度，由此影響的芯片內部的溫度并非實際的溫度。二是溫度控制時間較長，這主要是由于通過保溫杯中的液體的熱傳導給芯片，液體的比熱容較大，熱慣性也相對于金屬固體大，即便是環境溫度也不易控制，芯片內部的溫度實際波動也很頻繁。況且環境和芯片內部之間隔著塑封材料，要達到熱平衡需要一定的時間。?

目前市場上利用PN結溫度變化的實驗裝置主要有PN結特性研究實驗儀和玻爾茲曼常數測定實驗儀兩類。這兩類裝置儀器都極大的利用PN結溫度的變化。現在市場上存在的對PN結溫度進行控制主要是利用保溫杯的升降溫來測定，其不足之處是PN結溫度調節時間長，測量PN結溫度不精準。這兩點極大地阻礙該控制方法本身的可應用性。?

半導體作為集成電路的基石，無論是在計算機、消費電子以及通信設備等都應用了半導體相關產品。為此，作為培養人才的大中專院校也應當提供一個能夠使學生認識了解掌握其原理特性的平臺。目前市場上存在的對半導體三極管和二極管PN結的研究裝置還停留在對其伏安特性的研究，對其溫度特性的研究至今沒有比較理想的產品出現。溫度對集成電路的影響是不可忽視的，由此不可不對其溫度特性進行研究。?

玻爾茲曼常數K作為熱學和統計力學中一個非常重要的物理量，被廣大高校物理實驗室作為必修實驗之一。?

由于PN結正向電流I和電壓U_be滿足關系：?

I?=?I₀[exp（eU_be／KT）－1]?????????????????????????（2-1）

exp（eU_be／KT）>>1，可得出I?=?I₀exp（eU_be／KT）????（2-2）

I₀為反向飽和電流，e是電子的電荷量。

由（2-2）式可得出只要測出PN結電壓U_be，PN結溫度T以及正向電流I就可測得波爾茲曼常數K。?

目前市場上存在的該類實驗設備主要是通過保溫杯控制PN結溫度，通過測定保溫杯的溫度來間接近似芯片內部PN結的溫度T，由于短時間內芯片內部和保溫杯的環境不能夠達到熱平衡狀態芯片內外必會存在溫度差，即測得的溫度非PN結真實溫度，從而加大了玻爾茲曼常數K的準確性。?

在實際測量中，二極管的電流不只有擴散電流，還有耗盡層復合電流和表面電流，為了準確測得玻爾茲曼常數K，不采用硅二極管而應用硅三極管接成共基極電路（見圖1），以此來消除擴散電流以外電流的影響。?

PN結芯片溫度對測量結果的影響為Δk/ΔT，在常溫（273.15°K）附近，溫度誤差1℃時將造成波爾茲曼參數約0.3％的實驗誤差，故實驗時不僅要準確地測量PN結的溫度值，并要確保實驗過程中溫度為常數（恒溫狀態），為滿足這一條件以往實驗中一般是把PN結置于冰水混合物中進行實驗，這種實驗溫度條件不能變化。?