晶体管本底数据.docx
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晶体管本底数据
Abstract
Therearenumerousmethodsformeasuringthe
temperatureofanoperatingsemiconductordevice.测量工作中的半导体器件的温度又很多方法，The
methodscanbebroadlyplacedintothreegenericcategories:
electrical,optical,andphysicallycontacting.这些方法可以归纳为三种：
电学方法，光学方法，物理参量关联的方法。
The
fundamentalsunderlyingeachofthecategoriesarediscussed,
andareviewofthevarietyoftechniqueswithineachcategory
isgiven.现在已经讨论过各种方法的原理并且给出了一个总结。
Someoftheadvantagesanddisadvantagesaswell
asthespatial,time,andtemperatureresolutionarealso
provided.而且包含与空间，时间，温度分辨率有关的一些优点和缺点
Keywords关键词
Electrical,measurements,optical,semiconductor,
temperature电学方法，测量，光学方法，半导体，温度
1.Introduction引言
'Operating'temperaturehasimportantconsequencesfor
theperformanceandreliabilityofsemiconductordevices.工作温度对于半导体器件的性能和稳定性有决定性的意义。
例如：
随着温度的升高，微处理器的运行速度和最大工作频率大幅下降，For
instance,thespeed,ormaximumoperatingfrequency,ofa
microprocessortypicallydecreasesasthetemperature
increases,andthegainortransconductanceofatransistormay
eitherincreaseordecreasewithincreasingtemperature,
dependinguponthedevicetypeandoperatingconditions.晶体管的跨导也会随着温度升高而下降或者降低，而温度取决于器件的类型和工作环境。
It
isalsocommonlyassumedthatthesafetymarginorreliability
ofasemiconductordevicedecreasesasthetemperature
increases.一般认为，器件的安全工作范围和可靠性会随半导体器件温度升高而下降。
Itisnotsurprising,then,thatasignificantamount
ofeffortgoesintoaccuratelymeasuringthetemperatureat
whichdevicesoperate.所以应该在器件温度测量的方面投入大量的努力。
Thetopicofmeasuringthetemperatureofsemiconductor
devicesisinmanyways'mature'inthatpeoplehavebeen
tryingtomeasurethetemperatureofsemiconductordevices
fromthetimeoftheinventionofthetransistor.自从半导体器件发明以来，测量温度就是人们考虑的主题。
Itremains,
though,averyrelevanttopicinthatpeoplearestillinventing
newmethodstoaddresstemperaturemeasurement现在仍然如此，而且人们正在研究新方法来测量温度，这些都是前人没有解决的，现在在这方面更加引起人们的关注。
issuesthat
previouslyhadnosolutionsandbecausethermalmanagement
andtemperaturecontrolareprobablymoreofaconcerntoday
thaneverbefore[1-3].Moore'slawdictatesthatdevicesand
circuitswillcontinuetoshrinkinsize,bepackedmore
densely,operateathigherswitchingspeeds,anddissipate
morepoweroverall[4].摩尔定律预言器件和电路会继续减小尺寸，并且会有更快的运行速度，和更大的功率。
Themajortemperaturemeasurement
challengesassociatedwiththeseadvancesinclude
improvementsinthespatialandtemporalresolutionofthe
measurements.主要的温度测量方法面临以下的问题，尺寸和瞬时测量的发展。
Theactof'measuring'thetemperatureisinrealitythe
measurementofsomephysicalphenomenawhichitselfis
affectedorchangedbytemperature.温度的测量实际上是测量一下与温度有关的物理量的变化。
Thephysicalphenomena
bywhichthetemperatureofadevice'makesitselfknown'aremanyandvaried,andthusawiderangeofmethodshavebeen
employedformeasuringandpredictingthetemperatureat
whichdevicesoperate.随着温度变化而变化的物理量是很多的，所以因此而产生的测量温度的方式也是很多的。
Forsemiconductordevices,theuseful
temperaturemeasurementmethodscanbedividedintothe
broad,genericcategoriesofelectricalmethods,optical
methods,andphysicallycontactingmethods.对于半导体器件，主要的温度测量方法可以分为以下主要三类：
电学方法，光学方法，物理参量关联方法。
Inthefirsttwo
categories,thetemperaturevariationofsomepropertyofthe
device（anelectricaloropticalproperty）isusedasa
thermometer.前两种办法中，器件一些特性随温度的变动被用为温度标准。
Inthethirdcategory,atemperaturetransducer
（suchasathermocouple）assumesthetemperatureofthe
devicethroughintimatecontact,anditisthetemperatureof
thetransducerthatisactuallymeasured.第三种方法，是用一个传感器直接测量。
Itistheintentheretobrieflyreviewanumberof
commonlyusedandusefulmethodsformeasuringdevice
temperature.这是对一些有用的测量温度方法的回顾。
Thephysicalbasisunderlyingthemeasurement
willbepresented,someindicationofaccuracyandspatialand
temporalresolutionwillbeprovided,andanyspecial
requirementsorprecautionsassociatedwitheach
measurementwillbediscussed.测量的物理原理会被呈现，瞬时的准确度，和精确度可以达到，一些必要的预防措施会被讨论。
2.GenericMethods
Therearemanydifferentwaystomeasurethe
temperatureswithinasemiconductordeviceorcircuit.测量半导体器件或电路温度的方法有很多种。
A
widevarietyofelectricalandopticalphenomenaassociated
withsemiconductormaterialsandthedevicesfabricatedfrom
themaretemperaturesensitiveandcanbeusedas
thermometers.与半导体材料有关的广泛变化的电学和光学现象都是热敏的，可以被用于测量温度。
Also,thereareavarietyoftemperature
transducersthatwhenincontactwiththedevicecanbeused
toindicatethetemperatureofthedevice.同时，有很多的和器件有关联温度传感器可以用于器件温度的检测。
Inthefollowing,
eachofthegenerictypeswillbedescribedbrieflybefore
lookinglateratmorespecificmethodsbelongingtoeachtype.下面，我们将简要的描述每一类测量方法。
2.1.Optical光学的测量方法
Tousetheopticalpropertiesasathermometer,either
naturallyemittedradiation,reflectedradiation,orstimulated
emittedradiationismeasured.将光学特性作为一个温度标准，自然的发射辐射，反射辐射，受激辐射都是被测量的项目。
Asanexample,anoptical
beam（ofphotons）isfocusedatapointonthedevice,andthe
incidentphotonswillinteractwiththedeviceintheregionof
thepointoffocus.当一条光束集中照射在器件表面，光子会与焦点的器件区域发生相互作用。
（Ifthereisnointeraction,thenthephotons
willtravelunimpededthroughtheobject,andtheobjectis
transparenttothephotons-asituationthatisrather
uninterestingforourdiscussion.）（如果不发生辐射，光子会直接通过介质，这种情况不是我们讨论的）Oneinteractionamong
severalthatmayoccuristhatsomefractionoftheincident
photonswillbereflected,orscatteredback,fromthesurface
（orfromathinsurfaceregion）oftheobject.一种相互作用是，一小部分光子会被反射，并且分散开。
Theactual
reflectionorscatteringresultsfromacomplicatedinteraction
betweentheincidentphotonsandthelatticephonons（and
maybetheelectrons）oftheobjectbeingprobed.我们会探测实际上的产生与光子和晶格相互作用的散射和反射。
The
distributioninenergyofthelatticephononsisastrongfunctionofthelocaltemperatureoftheobject,andthenet
resultofthephoton-phononinteractionisthattherelative
number,andmaybetheenergyandphaseofreflectedphotons
（withrespecttotheincidentphotons）,changeswith
temperatureoftheobject.晶格原子的能量分布是物质局部温度的强相互作用，可能是反射原子的的能量，随着物质的温度变化。
Clearly,ifthesechangesare
carefullymeasured,theymightbeusedtoinferthe
temperatureoftheprobedobjectintheregionofthepoint
beingprobed.很明显，如果这种变化被仔细测量，就能够用于物质局部温度的探测。
Opticalmethodscanbeconsideredtobenon-
contactinginthesensethatonlyphotonsinteractwiththe
device,andtheeffectonthedeviceoperationorits
temperatureduetotheinteractioncanusuallybeneglected.光学测量法可以认为是对器件本身没有任何影响的，应为只有光子与器件本身发生相互作用，影响甚微，可以忽略不计。
Spatialresolutionofopticalmethodsisdeterminedbythesize
oftheopticalprobeandtheregionoverwhichitinteractswith
thedevice.光学测量法的空间分辨率取决于光探测器的尺寸大小，和与之发生相互作用的半导体器件面积。
Thetimeresponseisdeterminedultimatelybythe
responsetimeoftheopticalphenomenatochangesin
temperature,butalsopracticallybyinstrumentationresponse.响应时间取决于光学现象的相应的时间，也取决于仪器的响应时间。
Advantagesofopticalmethodsincludethattheycanhave
veryhighspatialresolution,canoftenmeasurerapid
variationsintemperature,andarenon-contacting.光学测量法的优势是可以有很高的分辨率，并且可以测量很快的温度变化，而且对所测系统没有影响。
所以器件表面热谱图可以很容易的得出。
temperaturemapsofthesurfaceofadevicecanusuallybe
easilymadefromamatrixofmeasurements.Disadvantages
arethatonemusthaveopticalaccesstothedevice,something
notusuallypossibleifthedeviceispackaged,andthe
equipmentrequiredisoftenexpensiveanddifficulttouse.光学法的缺点是，光子必须到达期间表面，所以对于封装完成的器件不适用，而且光学测量法所需要的仪器设备很昂贵，这些都导致光学测量法存在很多的限制。
2.2.Electrical电学方法
Manyoftheelectricalpropertiesofsemiconductordevices
andcircuitscanbestrongfunctionsoftemperature.许多半导体器件的电学特性都是温度的函数。
junctionforwardvoltage,thresholdvoltage,leakagecurrent
andgain,tonamebutafew,areexamplesofelectrical
temperaturesensitiveparameters（TSP）.结正向电压阈值电压，漏电流，电导都是与温度有关的特性。
measurementofanyofthesequantitiescanalsobeusedto
inferthetemperatureofanoperatingsemiconductordevice
[5].对于这些物理量的测量可以用于检测器件的温度。
Therearefundamentalandconceptualdifferences,
though,betweentheseelectricalmeasurementsof
temperature,andthepreviouslydescribedopticalprobe
techniques.电学测量法和光学测量法有很多的不同之处。
Conceptuallyatleast,theopticalprobecanbe
madeverysmallandthusbeusedtoprobethetemperatureof
averysmall,welldefinedregionofthedevice.原则上，光学检测可以用在很小器件的区域上。
Apoint-by-
pointmapofthetemperatureatdifferentpositionsonthe
devicemightevenbemade.各个位置温度点的不同都能够精确的做出来。
Electricalmethods,though,bytheirverynature,are
lumped,oraveraging,methods.电学方法则不同。
Forinstance,theforward
voltageofapn-junctionataconstantcurrentisknowntovary
withtemperatureinapredictableway.例如，pn结电压随着温度会精确的变化。
Thus,theforward
voltagecanbeusedtoinferthetemperatureofthejunction
butnotnecessarilythetemperatureanywhereelseinthedevice.可以用来测量结电压，但是不能准确测量器件其他区域的电压。
Inmanyinstances,thedevicetemperatureisnearly
thesameeverywhere;therefore,thisisoflittleconsequence.很多情况下，器件温度是均匀的，因此还是有说明意义的。
However,inotherinstances,thisisnotthecase.然而，有些情况下，器件温度分布不均匀，各个区域温度很大不同。
Eventhe
junctiontemperaturemaynotbethesameeverywhereinthe
junction.即使是结温度也有很大不同。
Themodelusedtodeterminethevariationofthe
forwardvoltageofajunctionwithtemperatureshouldbe
considereda'lumped'modelinthatthedistributednatureof
theelectricalandthermalbehaviorofthejunctionislumped
intoamodelwithasingletemperature,singlevoltage,and
singlecurrentdensity.这个决定结电压随温度变化的模型，应该被认为是一个集总模型，在这个模型里，用单电压，单电流，单温度来表示器件电学和热量的行为。
Althoughelectricalmethodssacrificesomespecificityof
themeasuredtemperature,theiradvantageisthatnospecial
samplepreparationisrequiredbecauseallthenecessary
electricalconnect
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