[发明专利]芯片内部温度控制方法和装置以及基于本方法的实验仪

说明书

技术领域

本发明涉及研究芯片温度特性及相关领域，具体涉及一种精确的控制芯片内部温度以及对芯片内部温度实时测量和校准的方法。 

本技术方案还提供了作为大中专院校和科研机构电工电子和物理实验装置。本基于芯片级PN结温度控制装置的实验仪特别用在PN结温度特性、伏安特性，以及三极管的其它一些特性的研究和小信号放大电路的了解，同时还应用于物理实验中常数玻尔兹曼常数的测定。 

背景技术

现有的芯片工作温度测量的方法和装置种类比较单一，基本都是将待测试芯片置于一个盛有液体（绝缘油或水等）的保温杯中，通过对保温杯中液体的温度控制来间接地控制和测定芯片的温度，即将环境温度近似为芯片内部晶源的温度。而该种装置和方法有明显的缺陷，一是测得温度不准确，这主要是由于芯片内部晶源和外部环境之间有一层保护晶源的塑封壳，该塑封壳的体积和质量都远远大于芯片本身晶源的体积和质量，而无论是芯片内部工作时产生的热量传递到外界环境还是外界环境的热量传递到芯片内部，都要通过塑封壳这层介质，而在这过程中塑封壳本身也会带走一定的热量，实际到达芯片内部的热量要少用化境理论传递的热量，使芯片内部和环境之间存在温度梯度，由此影响的芯片内部的温度并非实际的温度。二是温度控制时间较长，这主要是由于通过保温杯中的液体的热传导给芯片，液体的比热容较大，热惯性也相对于金属固体大，即便是环境温度也不易控制，芯片内部的温度实际波动也很频繁。况且环境和芯片内部之间隔着塑封材料，要达到热平衡需要一定的时间。 

目前市场上利用PN结温度变化的实验装置主要有PN结特性研究实验仪和玻尔兹曼常数测定实验仪两类。这两类装置仪器都极大的利用PN结温度的变化。现在市场上存在的对PN结温度进行控制主要是利用保温杯的升降温来测定，其不足之处是PN结温度调节时间长，测量PN结温度不精准。这两点极大地阻碍该控制方法本身的可应用性。 

半导体作为集成电路的基石，无论是在计算机、消费电子以及通信设备等都应用了半导体相关产品。为此，作为培养人才的大中专院校也应当提供一个能够使学生认识了解掌握其原理特性的平台。目前市场上存在的对半导体三极管和二极管PN结的研究装置还停留在对其伏安特性的研究，对其温度特性的研究至今没有比较理想的产品出现。温度对集成电路的影响是不可忽视的，由此不可不对其温度特性进行研究。 

玻尔兹曼常数K作为热学和统计力学中一个非常重要的物理量，被广大高校物理实验室作为必修实验之一。 

由于PN结正向电流I和电压U_be满足关系： 

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为反向饱和电流，e是电子的电荷量。

由（2-2）式可得出只要测出PN结电压U_be，PN结温度T以及正向电流I就可测得波尔兹曼常数K。 

目前市场上存在的该类实验设备主要是通过保温杯控制PN结温度，通过测定保温杯的温度来间接近似芯片内部PN结的温度T，由于短时间内芯片内部和保温杯的环境不能够达到热平衡状态芯片内外必会存在温度差，即测得的温度非PN结真实温度，从而加大了玻尔兹曼常数K的准确性。 

在实际测量中，二极管的电流不只有扩散电流，还有耗尽层复合电流和表面电流，为了准确测得玻尔兹曼常数K，不采用硅二极管而应用硅三极管接成共基极电路（见图1），以此来消除扩散电流以外电流的影响。 

PN结芯片温度对测量结果的影响为Δk/ΔT，在常温（273.15°K）附近，温度误差1℃时将造成波尔兹曼参数约0.3％的实验误差，故实验时不仅要准确地测量PN结的温度值，并要确保实验过程中温度为常数（恒温状态），为满足这一条件以往实验中一般是把PN结置于冰水混合物中进行实验，这种实验温度条件不能变化。