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芯片内部温度测量方法汇总

已有 3244 次阅读| 2020-3-20 19:24 |个人分类:半导体技术|系统分类:芯片设计| 温度测量方法

来自Arman Vassighi, Manoj Sachdev编写的thermal and power management of integrated circuits 书的第六章内容

1.1.1 电学法测量温度当PN 结从零开始逐渐增大正向电压时，并不会立即导通，正向电流有一个逐渐增大的过程。当正向电压产生的外部电场大于PN结内建电场时，PN结正向导通，正向电流达到某一特定值时的电压为开启电压。

从中可以看出，Ipn保持不变时，阈值电压Vpn是温度T的函数。实际应用中，将Ipn设为定值，用过测量电流达到Ipn时Vpn的值即可根据函数关系求出PN结的温度值。

MOS管沟道界面层产生强反型的栅极电压称为阈值电压，而实际中则是在特定的源漏电压条件下，将使源漏电流逐渐增大到某一特定电流的栅极电压称为阈值电压。阈值电压是一个与温度有关的参数，通过测量晶体管的阈值电压间接测量器件的温度。由于阈值电压容易受到沟道掺杂浓度的影响，所以该方法测量温度的精度很容易受到工艺偏差的影响。

晶体管的电流增益(current gain)也是一个与温度相关的参数。在一些特殊器件，如异质结构双极晶体管(HBT)中[Ys2] ，电流的增益是温度的单调函数，通过测量电流的增益即可测量器件的温度。但大多数器件中，增益与温度是复杂的函数关系，用该参数测量温度会比较复杂。[Ys3]

由于材料的电阻率容易受到温度的影响，因此，通过测量电阻值变化可以间接测量器件和金属线的温度。该方法一般需要先求出待测物体的温度系数，再给待测体加载一定的电流，测量待测体两端电压差求出电阻，结合温度系数和电阻求出该待测体的温度。该方法可以测量芯片中金属线的温度，本文的测试结构设计主要采用这种方法。

1.1.2 光学法测量温度光与物质作用时会产生一些与温度相关的特性，比如反射光光子的特性与物体表面温度有关，红外辐射光的波长与物体温度有关等等。通过测量这些自然辐射、反射辐射或受激辐射所产生光束的特性来间接测量物体的温度。红外成像是常用的温度测量方法[Ys4] ，该方法利用自发红外辐射中的光谱特性对温度进行测量。根据斯特藩-玻尔兹曼方程(Stefan-Boltzmann equation)，光谱发射率(spectral emittance)W与温度T满足关系式其中σ=5.7×10-8Wm-2K-4，通过检测光谱发射率的大小即可算出物体的温度。由于芯片中材料的相对介电常数的值不断变化，每换一个区域测量需要采用不同的相对介电常数，这成为红外成像法的难点。拉曼法是利用光与物质作用产生的拉曼散射。光子与晶格散射时，会导致一个或多个声子的产生和湮灭。由于与声子发生散射，散射后光子的光谱受到物体温度的影响。根据入射光子和反射光子光谱的差异，即可测量物体的温度。如果入射光子和反射光子具有相同的波长，则反射光子的强度取决于反射面的温度。[Ys5] 利用入射光子和反射光子强度之差测量物体温度的方法称为反射法。反射法可以测量器件、金属互连和薄膜的温度。 1.1.3 物理接触法测量温度扫描热探针是物理接触法中用来测量微纳尺度温度的常用方法。通常在原子力显微镜的探针上加上温度敏感的元件，如热电偶或热敏电阻，通过探针与物体直接接触测量温度。这种温度测量方法能得到很高的温度分布分辨率。[Ys6]

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