專利名稱：芯片內(nèi)部溫度控制方法和裝置以及基于本方法的實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及研究芯片溫度特性及相關(guān)領(lǐng)域，具體涉及一種精確的控制芯片內(nèi)部溫度以及對芯片內(nèi)部溫度實時測量和校準的方法。本技術(shù)方案還提供了作為大中專院校和科研機構(gòu)電工電子和物理實驗裝置。本基于芯片級PN結(jié)溫度控制裝置的實驗儀特別用在PN結(jié)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(yīng)用于物理實驗中常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)的測定。
背景技術(shù)：
現(xiàn)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(huán)境溫度近似為芯片內(nèi)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(nèi)部晶源和外部環(huán)境之間有一層保護晶源的塑封殼，該塑封殼的體積和質(zhì)量都遠遠大于芯片本身晶源的體積和質(zhì)量，而無論是芯片內(nèi)部工作時產(chǎn)生的熱量傳遞到外界環(huán)境還是外界環(huán)境的熱量傳遞到芯片內(nèi)部，都要通過塑封殼這層介質(zhì)，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(nèi)部的熱量要少用化境理論傳遞的熱量，使芯片內(nèi)部和環(huán)境之間存在溫度梯度，由此影響的芯片內(nèi)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(dǎo)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(huán)境溫度也不易控制，芯片內(nèi)部的溫度實際波動也很頻繁。況且環(huán)境和芯片內(nèi)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(jié)溫度變化的實驗裝置主要有PN結(jié)特性研究實驗儀和玻爾茲曼常數(shù)測定實驗儀兩類。這兩類裝置儀器都極大的利用PN結(jié)溫度的變化?，F(xiàn)在市場上存在的對PN結(jié)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(jié)溫度調(diào)節(jié)時間長，測量PN結(jié)溫度不精準。這兩點極大地阻礙該控制方法本身的可應(yīng)用性。半導(dǎo)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(shè)備等都應(yīng)用了半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品。為此，作為培養(yǎng)人才的大中專院校也應(yīng)當(dāng)提供一個能夠使學(xué)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(dǎo)體三極管和二極管PN結(jié)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(chǎn)品出現(xiàn)。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(shù)K作為熱學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)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(jié)正向電流I和電壓Ube滿足關(guān)系:
I = J0[exp CeUbe / KT) — I](2-1)
exp CeUbe / ΛΤ)》1，可得出 J = /0exp CeUbe / KT) (2-2)
10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(jié)電壓Ube，PN結(jié)溫度T以及正向電流I就可測得波爾茲曼常數(shù)K。目前市場上存在的該類實驗設(shè)備主要是通過保溫杯控制PN結(jié)溫度，通過測定保溫杯的溫度來間接近似芯片內(nèi)部PN結(jié)的溫度T，由于短時間內(nèi)芯片內(nèi)部和保溫杯的環(huán)境不能夠達到熱平衡狀態(tài)芯片內(nèi)外必會存在溫度差，即測得的溫度非PN結(jié)真實溫度，從而加大了玻爾茲曼常數(shù)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(fù)合電流和表面電流，為了準確測得玻爾茲曼常數(shù)K，不采用硅二極管而應(yīng)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(jié)芯片溫度對測量結(jié)果的影響為Ak/ΛΤ，在常溫(273.15° K)附近，溫度誤差1°C時將造成波爾茲曼參數(shù)約0.3%的實驗誤差，故實驗時不僅要準確地測量PN結(jié)的溫度值，并要確保實驗過程中溫度為常數(shù)(恒溫狀態(tài))，為滿足這一條件以往實驗中一般是把PN結(jié)置于冰水混合物中進行實驗，這種實驗溫度條件不能變化。近年來部分儀器通過電子系統(tǒng)進行溫度測量和控制，但方法都是以環(huán)境溫度來代替PN結(jié)芯片溫度，PN結(jié)真實溫度無法獲知和控制，測量電流的自熱效應(yīng)更是無法消除，存在一定的系統(tǒng)誤差，影響測量效果，同時由于系統(tǒng)質(zhì)量和熱容量較大，溫度變化緩慢，一個升降溫周期數(shù)十分鐘，所耗時間長。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本技術(shù)方案在三極管特性研究實驗和玻爾茲曼常數(shù)測定實驗等中，利用芯片級PN結(jié)溫度控制方法及裝置，可以快速、準確的調(diào)節(jié)和測量PN溫度。本技術(shù)方案是利用芯片級PN結(jié)溫度控制模塊為基礎(chǔ)，組成PN結(jié)特性研究實驗儀和玻爾茲曼常數(shù)測定實驗儀，本技術(shù)方案的思路是，利用芯片內(nèi)部三極管陣列(例如圖2的3046系列)中PN結(jié)電流的自熱效應(yīng)和PN結(jié)電壓隨溫度變化的關(guān)系，來對PN結(jié)溫度進行控制和測量。具體技術(shù)方案如下:
一種芯片內(nèi)部溫度控制方法，是在同一半導(dǎo)體芯片上集成了電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器以及含有被測PN結(jié)的晶體三極管；
測溫傳感器與被測PN結(jié)位于同一半導(dǎo)體晶片；由處理器對芯片實現(xiàn)加熱和溫度控制。同一半導(dǎo)體芯片由至少三個相同三極管組成，并且這幾個三極管物理特性極其相近；
對于溫度傳感器:選取半導(dǎo)體芯片中任意一個三級管來進行芯片內(nèi)部PN結(jié)溫度的測量；由于三極管在工作時電流產(chǎn)生熱量，并且其PN結(jié)溫度的升高與PN結(jié)兩端的電壓有為比例關(guān)系，當(dāng)三極管基極電流Ib —定以及集電極電壓Uc —定時,該PN結(jié)的結(jié)電壓Ube和結(jié)溫度T成線性關(guān)系，即溫度每升高1°C，PN結(jié)兩端的電壓降低Ux，由此通過其中一個三極管的PN結(jié)電壓變化可以測出芯片內(nèi)部的用于測量PN結(jié)的實時溫度；
對于電加熱系統(tǒng):加熱模塊是利用半導(dǎo)體芯片中的任一個三極管的PN結(jié)隨著其上電流的升高，其產(chǎn)生的熱量也不斷增加的原理，通過控制PN結(jié)上的電流，進而控制PN結(jié)產(chǎn)生熱量的多少，從而將該PN結(jié)作為芯片內(nèi)部的被測PN結(jié)加熱模塊。若要測得被測PN結(jié)的真實的溫度，還需在芯片工作之前進行校準:溫度校準模塊是用外部的環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度；由于在實驗儀未啟動之前，半導(dǎo)體芯片內(nèi)部和環(huán)境處于同一個熱平衡環(huán)境，在熱平衡狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的溫度等于環(huán)境溫度；此時由環(huán)境溫度傳感器采集到的溫度即為芯片內(nèi)部初始溫度TO ;此時作為溫度傳感器的PN結(jié)測得的電壓為UbeO，當(dāng)該PN結(jié)溫度變化1°C時，PN結(jié)兩端的電壓變化Ux，該電壓Ux通過放大電路放大，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到能夠辨別的信號；
已知PN結(jié)電壓隨溫度變化系數(shù)為Ut，初始的參考電壓為UbeO，控溫裝置測得的電壓為Ubet,芯片內(nèi)部初始溫度TO，由此可得出待測PN結(jié)的溫度T:
T=TO+ (Ubet -UbeO) / Ut(1-1)
據(jù)此，測得PN結(jié)的實時溫度。
一種芯片內(nèi)部溫度控制裝置，包括電源模塊、處理器、驅(qū)動電路、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；電源模塊為本芯片內(nèi)部溫度控制裝置提供帶電源；
控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端；
所述半導(dǎo)體芯片上集成了至少三個相互獨立的三極管；這些三極管中包括:含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)
感溫三極管；
所述測量用三極管的基極、發(fā)射極和集電極上分別連接有接線端子，接線端子分別標(biāo)識為b、e和c ;
所述處理器的加熱電流信號輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接控制驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出端連接片內(nèi)加熱三極管基極和發(fā)射極，該基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)作為加熱模塊，PN結(jié)上的電流可調(diào)；
所述片內(nèi)感溫三極管的基極電流Ib和集電極電壓Uc恒定，片內(nèi)感溫三極管的基極b和發(fā)射極e之間的電壓信號經(jīng)放大和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳給處理器的片內(nèi)溫度信號輸入端;
所述顯示單元連接處理器的顯示信號輸出端。從芯片內(nèi)部進行溫度控制的方法和裝置可以說是一項創(chuàng)新，完全解決了傳統(tǒng)方法和裝置存在的不足。
一種基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，包括:
A、電源箱:電源箱內(nèi)置有交/直流轉(zhuǎn)換電源；電源箱給顯示臺和電路演示板提供工作電壓；
B、電路演示板:電路演示板上載有電壓調(diào)節(jié)器、電阻R1、電阻Rf、運算放大器、電源測量接線端子、實驗用三極管接入接線端子、PN結(jié)電壓測量接線端子和運算放大器輸出電壓測量接線端子，它們按照實驗電路布置在電路演示板上；
C、顯不臺:顯不臺包括電流表、電壓表和多量程電壓表；
其特征是還包括: D、控溫臺:電源箱給溫控臺提供工作電壓；
D、所述控溫臺包括處理器、驅(qū)動電路、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；
控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端；
所述半導(dǎo)體芯片上集成了至少三個相互獨立的三極管；這些三極管中包括:含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)
感溫三極管；
所述測量用三極管的基極、發(fā)射極和集電極上分別連接有接線端子，接線端子分別標(biāo)識為b、e和c ;
所述處理器的加熱電流信號輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接控制驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出端連接片內(nèi)加熱三極管基極和發(fā)射極，該基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)作為加熱模塊，PN結(jié)上的電流可調(diào)；
所述片內(nèi)感溫三極管的基極電流Ib和集電極電壓Uc恒定，片內(nèi)感溫三極管的基極b和發(fā)射極e之間的電壓信號經(jīng)放大和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳給處理器的片內(nèi)溫度信號輸入端;
所述顯示單元連接處理器的顯示信號輸出端。上述技術(shù)方案中:
A、交/直流轉(zhuǎn)換電源的直流輸出端包括:為控溫臺和顯示臺供電的兩路相同的直流固定5V電壓輸出端和一路為電路演不板供電的直流可變電壓輸出端，該可變電壓輸出端輸出電壓為O 1.5V可變的正向電壓和O 9V可變的反向電壓；
B、所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端設(shè)有與電源箱的可變電壓輸出端對應(yīng)的接線端子；電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)旋鈕露在電路演示板的表面；
所述電壓調(diào)節(jié)器輸出端的“ + ”極端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線分別連接三極管接入接線端子基極b端和運算放大器輸出電壓Vo測量接線端子的極端；
所述運算放大器輸出端的極端通過導(dǎo)線連接電阻Ri的一端；電阻Ri的另一端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，并且該段導(dǎo)線上還設(shè)有接線端子；PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子發(fā)射極e端；
所述運算放大器的低電平輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子集電極c端；運算放大器的高電平“ + ”輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子基極b端；運算放大器的輸出端通過導(dǎo)線連接運算放大器輸出電壓測量接線端子的“+”極端；所述電阻Rf通過導(dǎo)線并聯(lián)接在運算放大器高電平“+”輸入端和運算放大器的輸出端；
C、所述電流表是測量流經(jīng)Ri的電流的、電壓表是測量PN結(jié)兩端的電壓的和多量程電壓表是測量運算放大器輸出電壓的。所述所述Rf有阻值不同的兩個反饋電阻，兩個Rf通過撥動開關(guān)選擇接入電路。所述控溫臺還包括環(huán)境溫度傳感器，環(huán)境溫度傳感器的輸出端連接處理器的環(huán)境溫度信號輸入端
基于芯片級PN結(jié)溫度控制裝置實驗儀完全彌補了現(xiàn)有技術(shù)中，PN結(jié)溫度調(diào)節(jié)時間長，測量PN結(jié)溫度不精準的不足，從芯片內(nèi)部對PN結(jié)溫度進行實時控制測量。本實驗儀可用于PN結(jié)特性研究和玻爾茲曼常數(shù)測定實驗。本技術(shù)方案利用芯片級溫控裝置組成的PN結(jié)特性研究實驗裝置可以很理想的向?qū)W生展示其特性。


圖1是測量玻爾茲曼常數(shù)K的由硅三極管接成共基極電路。圖2是3046系列芯片內(nèi)部的三極管陣列示意圖。圖3是本技術(shù)方案的半導(dǎo)體芯片模型。圖4是LM3046中NPN型三極管基極b和發(fā)射極e之間的電壓Ube隨溫度T變化是曲線示意圖。圖5是用LF356組成電流 電壓變換器原理示意圖。圖6是本實驗儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是半導(dǎo)體芯片內(nèi)部溫度測量方法示意圖。圖8-1:PN結(jié)伏安特性曲線示意圖。圖8-2:不同溫度下Ube與Ibe關(guān)系示意圖。圖8-3:PN結(jié)溫度T和PN結(jié)電壓Ube的曲線圖。圖9-1:在溫度T時Ube-Uc關(guān)系曲線圖和Ube-1nUc關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式下面就具體例子，來說明本發(fā)明方法:
一種芯片內(nèi)部溫度控制方法，是在同一半導(dǎo)體芯片上集成了電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器以及含有被測PN結(jié)的晶體三極管；
測溫傳感器與被測PN結(jié)位于同一半導(dǎo)體晶片；由處理器對芯片實現(xiàn)加熱和溫度控制。同一半導(dǎo)體芯片由至少三個相同三極管組成，并且這幾個三極管物理特性極其相近；
對于溫度傳感器:選取半導(dǎo)體芯片中任意一個三級管來進行芯片內(nèi)部PN結(jié)溫度的測量；由于三極管在工作時電流產(chǎn)生熱量，并且其PN結(jié)溫度的升高與PN結(jié)兩端的電壓有為比例關(guān)系，當(dāng)三極管基極電流Ib —定以及集電極電壓Uc —定時,該PN結(jié)的結(jié)電壓Ube和結(jié)溫度T成線性關(guān)系，即溫度每升高1°C，PN結(jié)兩端的電壓降低Ux，由此通過其中一個三極管的PN結(jié)電壓變化可以測出芯片內(nèi)部的用于測量PN結(jié)的實時溫度；
對于電加熱系統(tǒng):加熱模塊是利用半導(dǎo)體芯片中的任一個三極管的PN結(jié)隨著其上電流的升高，其產(chǎn)生的熱量也不斷增加的原理，通過控制PN結(jié)上的電流，進而控制PN結(jié)產(chǎn)生熱量的多少，從而將該PN結(jié)作為芯片內(nèi)部的被測PN結(jié)加熱模塊。若要測得被測PN結(jié)的真實的溫度，還需在芯片工作之前進行校準:溫度校準模塊是用外部的環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度；由于在實驗儀未啟動之前，半導(dǎo)體芯片內(nèi)部和環(huán)境處于同一個熱平衡環(huán)境，在熱平衡狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的溫度等于環(huán)境溫度；此時由環(huán)境溫度傳感器采集到的溫度即為芯片內(nèi)部初始溫度TO ;此時作為溫度傳感器的PN結(jié)測得的電壓為UbeO，當(dāng)該PN結(jié)溫度變化1°C時，PN結(jié)兩端的電壓變化Ux，該電壓Ux通過放大電路放大，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到能夠辨別的信號；已知PN結(jié)電壓隨溫度變化系數(shù)為Ut，初始的參考電壓為UbeO，控溫裝置測得的電壓為Ubet,芯片內(nèi)部初始溫度TO，由此可得出待測PN結(jié)的溫度T:
T=TO+ (Ubet -UbeO) / Ut(1-1)
據(jù)此，測得PN結(jié)的實時溫度。本方法的具體實施例子，如圖7，包括電源模塊，數(shù)據(jù)測量處理模塊(即處理器)，溫度校準模塊(環(huán)境溫度傳感器)，待測芯片樣品(半導(dǎo)體芯片)，顯示單元以及控溫旋鈕。其中電源模塊將220VAC通過220V-5V 變壓器進行降壓，變?yōu)?VAC，再通過橋式整流電路轉(zhuǎn)為5VDC，最后通過電磁濾波器和濾波電容進行濾波，輸出紋波很小能夠供給數(shù)據(jù)測量處理系統(tǒng)工作的電源電壓(具體可以由實驗儀中的電源箱實現(xiàn))。其中數(shù)據(jù)測量處理模塊可以采用為ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEGA系列單片機，可以在電壓模塊提供電源后對信號進行收集和處理，同時發(fā)出系列指令，促使外圍器件工作，溫度控制等功能。溫度校準模塊可以是采用高精度溫度數(shù)字溫度傳感器組成，在開啟控溫裝置時對初始溫度進行校對。待測芯片是可以是自身為晶體管陣列的芯片。顯示單元可以采用由0.5寸共陽高亮數(shù)碼管組成的LED顯示器或是Icd液晶顯示器。待測芯片在本例中應(yīng)用的是LM3046芯片。溫度校準模塊為高精度數(shù)字溫度傳感器18b20?？販匦o為3590S多圈電位器。在實際測量中，LM3046芯片是有5個NPN型三極管組成，并且這5個NPN三極管物理特性極其相近，可以任意的選取其中的一個NPN來進行LM3046芯片內(nèi)部PN結(jié)溫度的測量。由于三極管在工作時電流會產(chǎn)生熱量，并且其PN結(jié)溫度的升高跟PN結(jié)兩端的電壓有一定的比例關(guān)系(附圖4),并且在三極管基極電流Ib —定,集電極電壓Uc —定時，PN結(jié)的結(jié)電壓Ube和結(jié)溫度T成線性關(guān)系，即溫度每升高1°C，PN結(jié)兩端的電壓降低Ux由此通過其中一個NPN三極管的電壓變化可以測出芯片內(nèi)部PN結(jié)的實時溫度。加熱模塊是利用一個NPN結(jié)隨著電流的升高其產(chǎn)生的熱量也不斷增加，通過外部電流的控制可以控制器產(chǎn)生熱量的多少將其作為芯片內(nèi)部PN結(jié)加熱模塊。若要測得真實的溫度還需在芯片工作之前進行校準。溫度校準模塊采集環(huán)境溫度，由于在裝置未啟動之前，芯片內(nèi)部和環(huán)境處于同一個熱平衡環(huán)境，由熱力學(xué)第一定律可知，在沒有外界做功的情況下，能量總是從高溫物體流向低溫物體，最終達到同一溫度即處于熱平衡狀態(tài)。在熱平衡狀態(tài)芯片內(nèi)部的溫度等于環(huán)境溫度。此時有18B20高精度數(shù)字傳感器采集到的溫度即為芯片內(nèi)部初始溫度TC。此時控溫模塊PN結(jié)測得的電壓為UbeO，當(dāng)PN結(jié)溫度變化I °C時，PN結(jié)兩端的電壓變化Ux，Ux為1.8^2.6mv，該電壓的變化非常小，還需要通過放大電路將其進一步放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠辨別的信號。為此通過差分放大電路將變化的小信號放大傳遞至信號處理系統(tǒng)。已知PN結(jié)電壓隨溫度變化系數(shù)為Ut，初始的參考電壓為UbeO，控溫裝置測得的電壓為Ubet，由此可得出待測PN結(jié)的溫度T:
T=TO+ (Ubet -UbeO) / Ut
根據(jù)該技術(shù)可測得PN結(jié)的實時溫度，其精度遠遠大于通過保溫杯控制測量芯片溫度的效果。并且不存在環(huán)境溫度的干擾。待測芯片內(nèi)部溫度控制模型見附圖3。結(jié)合附圖3，具體實施方法如下:
首先電源模塊與數(shù)據(jù)測量處理系統(tǒng)相連，即提供該系統(tǒng)工作的電壓，數(shù)據(jù)測量處理系統(tǒng)與溫度校正模塊相連，溫度控制模塊和待測芯片均數(shù)據(jù)測量處理模塊相連，數(shù)據(jù)測量處理模塊將測得溫度通過顯示模塊顯示出來。選定芯片內(nèi)部溫度控制測量方法:
a、電源模塊給數(shù)據(jù)測量處理模塊提供電壓，數(shù)據(jù)測量處理模塊首先通過溫度校準模塊測量待測芯片溫度所處的環(huán)境溫度，由于芯片內(nèi)部與環(huán)境在工作之前已經(jīng)處于同一熱平衡，環(huán)境溫度即為芯片內(nèi)部其實溫度。其次，在數(shù)據(jù)測量處理系統(tǒng)對控溫芯片進行溫度測量時，先對芯片所處的環(huán)境溫度進行采集，初始化芯片起始溫度；
b、溫度校準之后調(diào)節(jié)控溫旋鈕，增大或減小流經(jīng)加熱模塊PN結(jié)的電流使對待測PN結(jié)進行加熱或降溫；
C、當(dāng)溫度控制模塊調(diào)整之后，通過該溫度下測溫模塊PN結(jié)電壓的變化反饋至數(shù)據(jù)測量處理模對電壓變化放大，繼而進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，將其溫度值傳輸給顯示模塊，由此可知芯片內(nèi)部的溫度變化值，以及其實時溫度。
一種基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，包括電源箱、控溫臺、顯示臺和電路演示板；電源箱通過導(dǎo)線給控溫臺、顯示臺和電路演示板提供工作電壓；
A、所述電源箱內(nèi)置有交/直流轉(zhuǎn)換電源，交/直流轉(zhuǎn)換電源的直流輸出端包括:為控溫臺和顯示臺供電的兩路相同的直流固定5V電壓輸出端和一路為電路演示板供電的直流可變電壓輸出端，該可變電壓輸出端輸出電壓為O 1.5V可變的正向電壓和O 9V可變的反向電壓；
B、所述電路演示板包括電壓調(diào)節(jié)器、電阻R1、電阻Rf、運算放大器、電源測量接線端子、實驗用三級管接入接線端子、PN結(jié)電壓測量接線端子、運算放大器輸出電壓測量接線端子；所述所述Rf有阻值不同的兩個反饋電阻，兩個Rf通過撥動開關(guān)接入電路；
所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端設(shè)有與電源箱的可變電壓輸出端對應(yīng)的接線端子；電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)旋鈕露在電路演示板的表面；
所述電壓調(diào)節(jié)器輸出端的“+”極端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線分別連接三極管接入接線端子基極b端和運算放大器輸出電壓Vo測量接線端子的極端；
所述電壓調(diào)節(jié)器輸出端的極端通過導(dǎo)線連接電阻Ri的一端；電阻Ri的另一端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，并且該段導(dǎo)線上還設(shè)有接線端子；PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子射極e端；
所述運算放大器的低電平輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子集電極c端；運算放大器的高電平“ + ”輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子基極b端；運算放大器的輸出端通過導(dǎo)線連接運算放大器輸出電壓測量接線端子的“+”極端；所述電阻Rf通過導(dǎo)線并聯(lián)接在運算放大器高電平“+”輸入端和運算放大器的輸出端；
C、所述顯示臺包括測量流經(jīng)Ri的電流的電流表、測量PN結(jié)兩端的電壓的電壓表和測量運算放大器輸出電壓的多量程電壓表；
D、所述控溫臺包括處理器、驅(qū)動電路、環(huán)境溫度傳感器、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；(如圖7)
控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端；
所述半導(dǎo)體芯片上集成了至少三個相互獨立的三極管；這些三極管中包括:含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)
感溫三極管；
所述測量用三極管的基極、射極和集電極上分別連接有接線端子，接線端子分別標(biāo)識為b、e和c ;
所述處理器的加熱電流信號輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接控制驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出端連接片內(nèi)加熱三極管基極和射極，該基極和射極之間的PN結(jié)作為加熱模塊，PN結(jié)上的電流可調(diào)；
所述片內(nèi)感溫三極管的基極電流Ib和集電極電壓Uc恒定，片內(nèi)感溫三極管的基極b和射極e之間的電壓信號經(jīng)放大和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳給處理器的片內(nèi)溫度信號輸入端;
所述顯示單元連接處理器的顯示信號輸出端。本實驗儀的具體實施例如下:
本技術(shù)方案的基于芯片級PN結(jié)溫度控制，是在同一半導(dǎo)體芯片上集成了電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器以及含有被測PN結(jié)的晶體三極管。測溫傳感器與PN結(jié)位于同一半導(dǎo)體晶片，消除了以環(huán)境溫度代替PN結(jié)真實溫度的系統(tǒng)誤差以及測量電流引起的自熱誤差；儀器內(nèi)的嵌入式單片機系統(tǒng)對芯片實現(xiàn)加熱和溫度控制，由于半導(dǎo)體芯片本身質(zhì)量很小(僅毫克量級)，熱容量很小，因此對溫度的控制非常迅速，可達數(shù)百次/每秒，全程升溫并穩(wěn)定只要十幾秒，全程降溫并穩(wěn)定也只要I 2分鐘，控制溫度為0.1°C。本技術(shù)方案的半導(dǎo)體芯片模型見圖3。本技術(shù)方案的特點是，利用了芯片級PN結(jié)溫度控制技術(shù)。在實際測量中，一些芯片(例如LM3046芯片)是由數(shù)個相同NPN型三極管組成，并且這幾個NPN三極管物理特性極其相近，可以選取其中任意一個NPN來進行芯片(例如LM3046芯片)內(nèi)部PN結(jié)溫度的測量。由于三極管在工作時電流會產(chǎn)生熱量，并且其PN結(jié)溫度的升高與PN結(jié)兩端的電壓有一定的比例關(guān)系(如圖4)，并且在三極管基極電流Ib—定以及集電極電壓Uc —定時，PN結(jié)的結(jié)電壓Ube和結(jié)溫度T成線性關(guān)系，即溫度每升高1°C，PN結(jié)兩端的電壓降低Ux，由此通過其中一個NPN三極管的電壓變化可以測出芯片內(nèi)部PN結(jié)的實時溫度。加熱模塊是利用一個PN結(jié)隨著電流的升高，其產(chǎn)生的熱量也不斷增加的原理，通過外部電流的控制，可以控制其產(chǎn)生熱量的多少而將其作為芯片內(nèi)部PN結(jié)加熱模塊。若要測得真實的溫度，還需在芯片工作之前進行校準。溫度校準模塊是用高精度數(shù)字傳感器采集環(huán)境溫度，由于在裝置未啟動之前，芯片內(nèi)部和環(huán)境處于同一個熱平衡環(huán)境，由熱力學(xué)第一定律可知，在沒有外界做功的情況下，能量總是從高溫物體流向低溫物體，最終達到同一溫度即處于熱平衡狀態(tài)。在熱平衡狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的溫度等于環(huán)境溫度。此時由高精度數(shù)字傳感器(例如18B20型數(shù)字溫度傳感器)采集到的溫度即為芯片內(nèi)部初始溫度T0。此時控溫模塊PN結(jié)測得的電壓為UbeO，當(dāng)PN結(jié)溫度變化1°C時，PN結(jié)兩端的電壓變化Ux，Ux為-1.8mv-2.6mv，該電壓的變化非常小，還需要通過放大電路將其進一步放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠辨別的信號。為此通過差分放大電路將變化的小信號放大傳遞至信號處理系統(tǒng)。已知PN結(jié)電壓隨溫度變化系數(shù)為Ut，初始的參考電壓為UbeO，控溫裝置測得的電壓為Ubet，芯片內(nèi)部初始溫度T0，由此可得出待測PN結(jié)的溫度T:
T=TO+ (Ubet -UbeO) / Ut(1-1) 根據(jù)該技術(shù)可測得PN結(jié)的實時溫度，其精度遠遠大于通過保溫杯控制測量芯片溫度的效果。并且不存在環(huán)境溫度的干擾?；谛酒塒N結(jié)溫度控制裝置的實驗儀包括控溫臺、電源箱、顯示臺以及電路演示面板四部分組成。其中:
電源箱給控溫臺中的PN結(jié)樣品(如:LM3046中的PN結(jié))提供電源，電源箱也將電源輸送給顯示臺供其工作，同時電源箱提供可變電源Ube提供電路演示面板的工作。其中控溫旋鈕可以調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度的變化，最小變化量可達到0.1°C。LED_1顯示PN結(jié)的溫度。s控溫臺上的3個插孔分別為b、c、e，是將LM3046芯片中的一個NPN型三極管引出，以便接入電路演示面板。在實驗操作中通過測試線將控制臺上的b、c、e三個插孔與電路演示面板的上b、C、e相連接。電源箱的虛線框中I所對應(yīng)的插孔輸出5V直流電可以提供控制臺工作，虛線框2同為5V直流電提供顯示臺工作，虛線框3是給電路演示面板提供O 1.5V可變的正向電壓和O 9V可變的反向電壓。顯示臺中LED_2是電流表頭，可以測得流經(jīng)Ri的電流，該電流即為流經(jīng)PN結(jié)的電流I，LED_3為2V電壓表表頭，用來測PN結(jié)兩端的電壓Ube ；LED_4是200mv、2.0V、以及20V三檔電壓表頭，Uo=Uc,測量Uo。利用上述裝置進行實驗研究有兩類，但都是利用圖6所示的裝置:
一類是三極管特性研究實驗，其方法步驟如下:
a、打開電源箱，連接線路。電源箱虛線框I通過導(dǎo)線給控溫臺提供工作電源，電源箱虛線框2通過導(dǎo)線接入顯示臺，提供3個LED對應(yīng)測量表頭的工作，電源箱虛線框3通過導(dǎo)線接到電路演示面板可調(diào)電源兩側(cè)，提供Ube電壓。通過導(dǎo)線將電路演示面板上b、e兩個插孔分別接到顯示臺LED_3電壓表頭，顯示PN結(jié)兩端的電壓。電阻Ri兩端通過導(dǎo)線接到LED_2，顯示通過PN結(jié)兩端的電流。已知Ui/Ri=Ibe(1-2)
LED_2即利用(1-2)式有測得PN結(jié)電流Ibe。在三極管特性研究實驗中只利用電路演示面板的虛線框中的部分回路。b、在測量之前首先對控溫臺控溫校準，該校準可以在儀器首次使用時一次校準，也可以以后實驗開始前校準，但前提是控溫臺在被測PN結(jié)樣片已在實驗環(huán)境中處于熱平衡狀態(tài)。C、研究三極管PN結(jié)伏安特性。伏安特性即PN結(jié)電電流Ibe隨PN結(jié)電壓Ube變化的關(guān)系。通過Ube調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)Ube在O 1.5V之間變化，觀察電流Ibe的變動，測出其正向特性。繼續(xù)通過調(diào)節(jié)Ube調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)Ube在O -9V之間變化，觀察流過PN結(jié)電流Ibe的變化，測出其反向特性。將正向特性曲線和反向特性曲線放在同一張坐標(biāo)紙上可直觀的看出其伏安特性。d、研究三極管PN結(jié)溫度特性。溫度特性是指在不同的溫度下，PN結(jié)兩端電壓Ube和流經(jīng)PN結(jié)的電流Ibe的變化關(guān)系。通過控溫旋鈕調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度，使其穩(wěn)定在Tl，調(diào)節(jié)Ube電壓，并在顯示臺LED_3觀察Ube，在顯示臺LED_2上觀察Ibe的變化，同樣再選擇其他溫度點T2、T3、T4、T5等測試。將不同溫度點下的數(shù)據(jù)繪制在同一坐標(biāo)紙上可以發(fā)現(xiàn)其溫度變化產(chǎn)生的影響。e、研究溫度對PN結(jié)電流Ibe恒定時，溫度T對PN結(jié)電壓Ube的影響。另一類是測量波爾茲曼常數(shù)。由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流一電壓關(guān)系滿足(1-1)式
I = 10 [exp {eUbe / KT) — I]
在(1-1)式中，J是通過PN結(jié)的正向電流，T0是不隨電壓變化的常數(shù)，Γ是熱力學(xué)溫度，e是電子的電量，V為PN結(jié)正向電壓降。由于在常溫300K)時，) Τ / e ^ 0.026V，而PN結(jié)正向電壓降約為十分之幾伏，則exp(￡^/^T) l，于是有得出(1-1)式:
I = Z0exP、eUbe / KT)
即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。若測得PN結(jié)的/ V關(guān)系，利用(1-2)式求出e /ΛΤ，再測得溫度Γ，代入電子電量e，即可求得玻爾茲曼常數(shù)K。對于PN結(jié)擴散電流的測量，過去常用光點反射式檢流計，它的靈敏度約10 —9A /分度。但它有許多不足之處，例如，掛絲易斷，十分怕震；使用時，稍有不慎，光標(biāo)易偏出滿度；瞬間過載引起引絲疲勞變形，產(chǎn)生不回零及指示偏差較大，使用和維修極不方便。而高輸入阻抗運算放大器性能優(yōu)良，價格低廉，用它組成電流一電壓變換器測量弱電流信號，具有輸入阻抗低、電流靈敏度高、溫漂小、線性好、設(shè)計制作簡單、結(jié)構(gòu)牢靠等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于物理測量中。LF356是高輸入阻抗集成運算放大器，用它組成電流 電壓變換器，如圖5所示。其中Zr為電流 電壓變換器等效輸入阻抗，Uin為輸入電壓，&為運算放大器的開環(huán)電壓增益，即當(dāng)電阻Rf —⑴時的電壓增益。Rf為反饋電阻，U。為運算放大器的輸出電壓。由圖可知: Uc = — K0 Uin(2 — 3)
因為理想運算放大器的輸入阻抗民一⑴，所以信號源輸入電流只流經(jīng)反饋通路，因而
有:
Is = (Uin - UJ / Rf = Uin (1+K0) /Rf(2- 4)
由(2 — 4)式可得電流 電壓變換器等效輸入阻抗Zr為:
Zr = Uin / Is = Rf / (I+K0) ^ Rf / K0(2 - 5)
由(2 — 3)式和(2 — 4)式可得電流 電壓變換器輸入電流Is與輸出電壓U。之間的關(guān)系式，即:
Is = — Uc (I+K0) / (K0Rf) = - Uc (1+1 / K0) / Rf 一 Uc / Rf (2 一 6)
若已知Rf，只要測出Utj，即可求得Is值。若取Rf為1.0OM Ω，選用四位半數(shù)字電壓表的200.0OmV檔，分辨率為0.0lmV，那么用上述電流 電壓變換器和四位半數(shù)字電壓表能夠獲得的最小PN結(jié)電流測量值為:
Imin= 0.01X10 —3V / (1.00 X IO6 Ω) = 1X10 —11A = 10 —5 uA運算放大器LF356運算放大器的輸出最大電壓受電源電壓限制一般在IOV左右，對應(yīng)的最大PN結(jié)電流約為:
Imax = IOV / (1.00 X IO6 Ω ) = I X 10 — 5A = 10 uA
由此得到的PN結(jié)電流動態(tài)范圍是Imax/ Imin=IO60由于PN結(jié)電壓Ube與PN結(jié)電流為指數(shù)關(guān)系，實際測量時與此PN結(jié)電流對應(yīng)的PN結(jié)電壓Ube動態(tài)范圍為0.10 0.15V左右(分辨率0.0ImV,3位有效數(shù)字)。實驗時用晶體管發(fā)射結(jié)作為被測PN結(jié)，Ri為輸入電阻，改變電源E，可使Ube發(fā)生變化，運算放大器輸出電壓Uc為:Uc = IcRf = Rf 10exp (eUbe / KT) = UcO exp (eUbe / KT)eUbe / kT = In (Uc/UcO) =InUc — InUcO經(jīng)過整理得:
InUc = (e / kT) Ube + InUcO(2 — 7)
此即本實驗的實驗應(yīng)用公式，它表示在溫度T已知為恒定時，InUc與Ube為線性關(guān)系，以Ube為橫坐標(biāo)、InUc為縱坐標(biāo)則直線斜率為e / ΑΓ，在坐標(biāo)紙上畫出Ube InUc關(guān)系直線，就可以獲得斜率e/KT，代入已知的溫度T和電子電量e，就可以求得玻爾茲曼常數(shù)K。采用本實驗儀進行實際實驗，說明如下:
基于芯片級PN結(jié)溫度控制方法裝置的三極管特性研究實驗儀和玻爾茲曼常數(shù)測定實驗儀根據(jù)圖6進行實施。A、對于三極管特性研究實驗如下:
電源箱通過導(dǎo)線給控溫臺、顯示臺和電路演示板提供工作電壓，通過顯示面板LED_2用來測試流經(jīng)PN結(jié)的電流Ibe，LED_3輸入口分別接來自三極管b、e的導(dǎo)線，顯示PN結(jié)電壓Ube?？販嘏_b、e插孔通過導(dǎo)線與電路演示板b、e插孔相連，將NPN三極管接入電路。調(diào)節(jié)控溫旋鈕控制PN結(jié)溫度。完成實驗線路 連接。1、測PN結(jié)伏安特性。通過控溫旋鈕將溫度穩(wěn)定在Tx。通過Ube調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)Ube正向電壓在O 1.5V之間，從0.30V開始每隔IOmv取一 Ube電壓紀錄下來,觀察Ibe的變化，并記錄Ibe的大小。Ube正向電壓不大于0.75V。通過Ube調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)Ube反向電壓。從OV開始間隔Λ U逐漸增大反向電壓，同時紀錄電流Ibe，直到PN結(jié)反向電流Ibe明顯增大，紀錄下反向飽和電流Is和反向擊穿電壓Ubr。繪制其伏安特性曲線,如圖8-1。2、測三極管溫度特性。通過控溫旋鈕調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度，使其穩(wěn)定，紀錄下此時LED_1顯示的溫度Tl,調(diào)節(jié)Ube電壓，每隔IOmv選取一個Ube值,并記錄下顯示臺LED_3顯示的Ube值，在顯示臺LED_2上觀察Ibe的變化，紀錄此時Ibe值。Ube變化范圍在O 0.75V之間，溫度T變化范圍在室溫 110°C。同樣再選擇其他溫度點T2、T3、T4、T5等測試。將不同溫度點下的數(shù)據(jù)繪制在同一坐標(biāo)紙上可以發(fā)現(xiàn)其溫度變化產(chǎn)生的影響，如附圖8-2。3、測溫度T對PN結(jié)電壓Ube的影響。此時，只需通過LED_3顯示Ube的變化，LED_1顯示PN結(jié)溫度T的變化。通過Ube調(diào)節(jié)旋鈕將Ube穩(wěn)定到0.700V左右，紀錄此時的PN結(jié)電壓Ubel，控溫旋鈕調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度從低到高調(diào)節(jié)，紀錄其實起始溫度Tl，每隔個Λ Τ，紀錄一個溫度點Τη=ΛΤ+Τη-1 (η為大于2的自然數(shù))，紀錄此時的PN結(jié)電壓Ube。依次選擇5 10個溫度點以及對應(yīng)的PN結(jié)電壓Ube0最后繪制PN結(jié)溫度T和PN結(jié)電壓Ube的曲線圖。如圖8-3。B、對玻爾茲曼常數(shù)測定實驗如下:
電源箱通過導(dǎo)線給控溫臺、顯示臺和電路演示板提供工作電壓，通過顯示面板LED_2用來測試流經(jīng)PN結(jié)的電流Ibe，LED_3輸入口分別接來自三極管b、e的導(dǎo)線，顯示PN結(jié)電壓Ube，LED_4對應(yīng)的多量程電壓表頭用來測量Uc，。由于Uc的變化范圍比較大，通過撥動開關(guān)調(diào)節(jié)反饋電阻Rf，可以增大或減小其三極管的放大倍數(shù)。當(dāng)撥動開關(guān)撥動到Rf=IOkQ時，輸出電壓UcO，；而當(dāng)Rf=IOOkQ是時，輸出為Uc是Rf=IOk是輸出的10倍，即電壓Uc=10Uc0。由此可以額外增加一個量程。一共有四個量程即20!^，、20011^，、2￥，和2(^或者20011^，、2v,、20v,和 200vo
控溫臺的b、C、e插孔通過導(dǎo)線分別與電路演示板b、C、e插孔相連，將NPN三極管接入電路。調(diào)節(jié)控溫旋鈕控制PN結(jié)溫度。完成實驗線路連接。測量數(shù)據(jù)。首先，通過控溫旋鈕穩(wěn)定PN結(jié)溫度，通過Ube調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)PN結(jié)電壓Ube, Ube變化范圍為O 0.75V，最佳實驗范圍是0.3 0.7v,每隔10mv，選取一個PN結(jié)電壓Ube，紀錄每隔Ube點的Uc值，通過波動開關(guān)控制的反饋電阻和多量程電壓表頭準確的測出Uc的值，并紀錄下來。繪制溫度T恒定時，Ube-Uc關(guān)系圖和Ube-1nUc關(guān)系圖，求的Ube-1nUc中斜率值，帶入電子電量e和熱力學(xué)溫度，推算出玻爾茲曼常數(shù)K。同時可以調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度，計算出幾個不同溫度點下的K值，加權(quán)平均，最終得出玻爾茲曼常數(shù)K的大小。在溫度T時Ube-Uc關(guān)系圖和Ube-1nUc關(guān)系圖如附圖9_1。由圖9 -1中Ube -1nUc曲線得至IJ其斜率a，已知a=e/KT，e為電子的電量，T為熱力學(xué)溫度。由此可以得出溫度T時的玻爾茲曼常。調(diào)節(jié)PN結(jié)溫度，計算出幾個不同溫度點下的K值，加權(quán)平均，最終得出玻爾茲曼常數(shù)K的大小。
權(quán)利要求
1.一種芯片內(nèi)部溫度控制方法，其特征是在同一半導(dǎo)體芯片上集成了電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器以及含有被測PN結(jié)的晶體三極管； 測溫傳感器與被測PN結(jié)位于同一半導(dǎo)體晶片；由處理器對芯片實現(xiàn)加熱和溫度控制； 同一半導(dǎo)體芯片由至少三個相同三極管組成，并且這幾個三極管物理特性極其相近； 對于溫度傳感器:選取半導(dǎo)體芯片中任意一個三級管來進行芯片內(nèi)部PN結(jié)溫度的測量；由于三極管在工作時電流產(chǎn)生熱量，并且其PN結(jié)溫度的升高與PN結(jié)兩端的電壓有為比例關(guān)系，當(dāng)三極管基極電流Ib —定以及集電極電壓Uc —定時,該PN結(jié)的結(jié)電壓Ube和結(jié)溫度T成線性關(guān)系，即溫度每升高1°C，PN結(jié)兩端的電壓降低Ux，由此通過其中一個三極管的PN結(jié)電壓變化可以測出芯片內(nèi)部的用于測量PN結(jié)的實時溫度； 對于電加熱系統(tǒng):加熱模塊是利用半導(dǎo)體芯片中的任一個三極管的PN結(jié)隨著其上電流的升高，其產(chǎn)生的熱量也不斷增加的原理，通過控制PN結(jié)上的電流，進而控制PN結(jié)產(chǎn)生熱量的多少，從而將該PN結(jié)作為芯片內(nèi)部的被測PN結(jié)加熱模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片內(nèi)部溫度控制方法，其特征是若要測得被測PN結(jié)的真實的溫度，還需在芯片工作之前進行校準:溫度校準模塊是用外部的環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度；由于在實驗儀未啟動之前，半導(dǎo)體芯片內(nèi)部和環(huán)境處于同一個熱平衡環(huán)境，在熱平衡狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的 溫度等于環(huán)境溫度；此時由環(huán)境溫度傳感器采集到的溫度即為芯片內(nèi)部初始溫度TO ;此時作為溫度傳感器的PN結(jié)測得的電壓為UbeO，當(dāng)該PN結(jié)溫度變化1°C時，PN結(jié)兩端的電壓變化Ux，該電壓Ux通過放大電路放大，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到能夠辨別的信號； 已知PN結(jié)電壓隨溫度變化系數(shù)為Ut，初始的參考電壓為UbeO，控溫裝置測得的電壓為Ubet,芯片內(nèi)部初始溫度TO，由此可得出待測PN結(jié)的溫度T: T=TO+ (Ubet -UbeO) / Ut(1-1) 據(jù)此，測得PN結(jié)的實時溫度。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的芯片內(nèi)部溫度控制裝置，其特征是包括電源模塊、處理器、驅(qū)動電路、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；電源模塊為本芯片內(nèi)部溫度控制裝置提供帶電源； 控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端； 所述半導(dǎo)體芯片上集成了至少三個相互獨立的三極管；這些三極管中包括:含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)感溫三極管； 所述測量用三極管的基極、發(fā)射極和集電極上分別連接有接線端子，接線端子分別標(biāo)識為b、e和c ; 所述處理器的加熱電流信號輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接控制驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出端連接片內(nèi)加熱三極管基極和發(fā)射極，該基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)作為加熱模塊，PN結(jié)上的電流可調(diào)； 所述片內(nèi)感溫三極管的基極電流Ib和集電極電壓Uc恒定，片內(nèi)感溫三極管的基極b和發(fā)射極e之間的電壓信號經(jīng)放大和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳給處理器的片內(nèi)溫度信號輸入端; 所述顯示單元連接處理器的顯示信號輸出端。
4.一種采用權(quán)利要求1所述方法的基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，其特征是包括: A、電源箱:電源箱內(nèi)置有交/直流轉(zhuǎn)換電源；電源箱給顯示臺和電路演示板提供工作電壓； B、電路演示板:電路演示板上載有電壓調(diào)節(jié)器、電阻R1、電阻Rf、運算放大器、電源測量接線端子、實驗用三極管接入接線端子、PN結(jié)電壓測量接線端子和運算放大器輸出電壓測量接線端子，它們按照實驗電路布置在電路演示板上； C、顯不臺:顯不臺包括電流表、電壓表和多量程電壓表； 其特征是還包括: D、控溫臺:電源箱給溫控臺提供工作電壓； 所述控溫臺包括處理器、驅(qū)動電路、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端； 所述半導(dǎo)體芯片上集成了至少三個相互獨立的三極管；這些三極管中包括:含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)感溫三極管； 所述測量用三極管的基極、發(fā)射極和`集電極上分別連接有接線端子，接線端子分別標(biāo)識為b、e和c ; 所述處理器的加熱電流信號輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接控制驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出端連接片內(nèi)加熱三極管基極和發(fā)射極，該基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)作為加熱模塊，PN結(jié)上的電流可調(diào)； 所述片內(nèi)感溫三極管的基極電流Ib和集電極電壓Uc恒定，片內(nèi)感溫三極管的基極b和發(fā)射極e之間的電壓信號經(jīng)放大和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳給處理器的片內(nèi)溫度信號輸入端; 所述顯示單元連接處理器的顯示信號輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，其特征是 A、交/直流轉(zhuǎn)換電源的直流輸出端包括:為控溫臺和顯示臺供電的兩路相同的直流固定5V電壓輸出端和一路為電路演不板供電的直流可變電壓輸出端，該可變電壓輸出端輸出電壓為O 1.5V可變的正向電壓和O 9V可變的反向電壓； B、所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端設(shè)有與電源箱的可變電壓輸出端對應(yīng)的接線端子；電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)旋鈕露在電路演示板的表面； 所述電壓調(diào)節(jié)器輸出端的“ + ”極端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線分別連接三極管接入接線端子基極b端和運算放大器輸出電壓Vo測量接線端子的極端； 所述運算放大器輸出端的極端通過導(dǎo)線連接電阻Ri的一端；電阻Ri的另一端通過導(dǎo)線連接PN結(jié)電壓測量接線端子的極端，并且該段導(dǎo)線上還設(shè)有接線端子；PN結(jié)電壓測量接線端子的極端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子發(fā)射極e端； 所述運算放大器的低電平輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子集電極c端；運算放大器的高電平“ + ”輸入端通過導(dǎo)線連接三極管接入接線端子基極b端；運算放大器的輸出端通過導(dǎo)線連接運算放大器輸出電壓測量接線端子的“+”極端；所述電阻Rf通過導(dǎo)線并聯(lián)接在運算放大器高電平“+”輸入端和運算放大器的輸出端； C、所述電流表是測量流經(jīng)Ri的電流的、電壓表是測量PN結(jié)兩端的電壓的和多量程電壓表是測量運算放大器輸出電壓的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，其特征是所述所述Rf有阻值不同的兩個反饋電阻，兩個Rf通過撥動開關(guān)選擇接入電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的基于芯片級PN結(jié)溫度控制的實驗儀，其特征是所述控溫臺還包括環(huán)境溫度傳感器，環(huán)境溫度傳感器的輸出端連接處理器的環(huán)境溫度信號輸入端。
全文摘要
一種芯片內(nèi)部溫度控制方法和裝置，在同一半導(dǎo)體芯片上集成了電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器以及含有被測PN結(jié)的晶體三極管，采用電加熱系統(tǒng)、測溫傳感器及控制器進行芯片內(nèi)部溫度控制。實驗儀包括電源箱、控溫臺、顯示臺和電路演示板；控溫臺包括處理器、驅(qū)動電路、環(huán)境溫度傳感器、半導(dǎo)體芯片、控溫旋鈕、顯示單元；控溫旋鈕連接處理器的溫控信號輸入端；半導(dǎo)體芯片上集成了含有用于被測PN結(jié)的測量用三極管、用于加熱的片內(nèi)加熱三極管和用于測量芯片內(nèi)部溫度的片內(nèi)感溫三極管；測量用三極管的基極、發(fā)射極和集電極上分別連接有接線端子；處理器的加熱電流信號輸出端控制片內(nèi)加熱三極管基極和發(fā)射極；片內(nèi)感溫三極管的基極b和射極e連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。
文檔編號G05D23/20GK103176489SQ20131004751
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者雷撼, 張凱, 宋建平 申請人:南京千韻電子科技有限公司