摘要：为了在试验周期中了解晶体管的结温，提出一种在功率晶体管稳态工作寿命试验过程中结温的测量与控制方法。着重介绍了基于理想pn结肖克莱方程的结温测量原理，及试验过程中结温测控的技术难点和解决方案，指出了晶体管结温计算中存在的问题和修正办法，实验结果证明了该方法的可行性。
关键词：晶体管；稳态工作；结温；测量；控制
中图分类号：tn321 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2006)01-0035-05
1 引言
稳态工作寿命试验是考核功率晶体管可靠性行之有效的方法，现行国际标准（iec）和欧美等国的标准及我国的国家标准、国家军用标准均将其规定为必须试验项目[1~4]。稳态工作寿命试验条件要素包括：晶体管的电应力为与规定壳温tc 相应的最大额定功率ptotmax；晶体管的结温 tj符合标准的规定值，通常在最高允许结温 tjmax附近；晶体管稳态持续工作时间满足标准的要求。例如，我国军用标准gjb128a-97《半导体分立器件试验方法》方法1039中的试验条件b：对底座或散热器安装的双极型晶体管，结温规定为tj=t jmax ℃[5]。gjb33a-97《半导体分立器件总规范》对质量一致性检验c6 分组稳态工作寿命试验条件规定的稳态持续工作时间为“在最高结温下至少1000h” [4]。
但是，现行的试验方法和设备都是按恒定壳温设计的，在试验过程中无法测量结温。显然，要符合标准规定的试验应力要求，则需要在稳态工作寿命试验过程中实施结温的监测和控制。在标准规定应力下取得的试验数据，才能反映晶体管在额定应力下工作时其实际可靠性特征。因此，在稳态工作条件下实现受试晶体管的结温测量和控制有益于提高试验的可信性。
2 结温测量
对于双极型晶体管，由于热源在pn结处，其最高温度通常指pn结的温度，即结温tj 。器件的最高允许结温tjmax是结温 tj的最高额定值，取决于材料和制造工艺。虽然半导体器件诸多参数与温度有关，研究表明，pn结的tj对半导体器件性能的影响更为突出。例如tj每升高8～10℃，晶体管反向饱和电流icbo按指数规律升高一倍，器件工作寿命按指渊律下降约一半[5]；tj升高，会使器件参数温漂，使整机性能不稳定；tj升高，容易引发二次击穿，会使器件的极限耗散功率降低，安全工作区缩小。由此可见，结温 tj是表征半导体器件性能和可靠性的重要参数。
实现控制结温的晶体管稳态工作寿命试验，首先要解决在试验过程中对受试样品结温的监测。目前比较成熟的结温测量方法有红外热像法和热敏参数法（又称标准电学法）。红外热像法通过测量器件工作时芯片上表面的红外辐射给出芯片上表面的二维温度分布，以此来表征结温及其分布。这种方法只能测量未封装的器件，对成品器件则需要开封才能测量。热敏参数法是一种非破坏性的芯片温度测量方法，与红外热像法相比热敏参数法具有灵敏度高、测量迅速、试验成本低廉等优点。稳态工作寿命试验的样品为成品，在试验过程中对晶体管结温进行测量，则需要采用热敏参数法。
2.1 测量原理
在不考虑禁带宽度与温度的关系时，由理想pn 结的肖克莱方程，可得到其正向电压vf 与正向电流if、温度tj 的关系为
式中，vg0是材料在 t=0k时的禁带宽度；vf1是t =t1，if= if1时，测量得到的pn结正向压降。可以证明，在实用温度范围内，pn结在恒定电流条件下， vf与if的关系是关于t的近似线性函数。因此，在恒定电流条件下，通过在t1， t2两个已知温度下测量出pn结相应的v f1和vf2，即可得到v f的温度变化率式（2），依此可得到v f与t的线性表达式式（3）
热敏参数法测量晶体管结温的原理就是利用pn 结在实用温度范围内，在恒定电流条件下其发射结正向压降 vbe与其结温tj具有的近似线性关系式（4）[6]，通过实时测量正向压降，计算出结温。
式中，tjn为试验进行到第 n时刻的结温；vben为第n 时刻晶体管发射结的正向压降；tj0为参考点的结温，通常选试验启始时刻；vbe0为参考点的正向压降；αvbe为发射结正向压降 vbe的温度系数，αvbe 为常数,且αvbe＜0。
参考点选择试验启始时刻，此时器件的 tc，tj与t a基本一致，此时给受试晶体管发射结施加测量电流 im，即可测得受试晶体管发射结的 vbe0。
2.1.1 温度系数αvbe测定
当受试晶体管的αvbe 已知时，才可由式（4）得到tjn。 αvbe的测定可利用不同im 下的vbe-tj近似线性关系曲线具有的汇聚特性-将在不同im下的 vbe-tj关系曲线反向延长到绝对零度时，各曲线汇聚于vbe轴，汇聚点约为1267mv[7] 。依此，只需在室温ta环境下测量得到受试晶体管发射结的 vbe0，即可由式（5）计算出α veb。vbe0测试电路如图1所示。
2.1.2 工作电流与测量电流
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