尽管半导体领域取得了突破性进展，但芯片制造商面临的主要问题是这些设备的过热。这个问题降低了它们的整体效率和外壳寿命，增加了成本并消耗了有限的资源。为了解决这个问题，正在开发创新和方法来检测这种过热并使半导体保持在其工作温度。

工作温度极大地影响半导体器件的性能和可靠性，因为温度是最常测量的环境变量。这是有道理的，因为电气、机械、化学和生物系统都会因温度而改变。因此，我们需要温度测量方法，为控制单元提供输入，维持系统的运行温度条件。

可以肯定地说，半导体器件的额定值会随着温度升高而降低。例如，晶体管的跨导可能会因温度升高而有所不同（取决于器件配置和工作条件）。图 1 显示了半导体的额定值与其温度之间的关系。

图 1 升级与温度

因此，本文解释了测量半导体器件温度的不同方法及其参数，并分享了对精度和空间和时间分辨率的见解。值得注意的是，大多数温度测量挑战都包括这些量的改进。

Ⅰ. 半导体设备温度的测量方法

一般来说，测量半导体器件温度的方法有三种，包括光学方法、物理接触方法和电学方法，每种方法都有各自的优点和缺点。

A) 光学方法：利用光学特性（例如发光、反射辐射、自然发射辐射或强制发射辐射）测量温度。例如，假设一束集中的光子聚焦在设备上的某个点。由于晶格光子能量的扩散是温度的函数，因此该束光子的一部分可能会因设备温度的变化而反射回来。
因此，我们可以简单地测量光子-光子相互作用的变化，并推断出位于入射光子束区域的被探测物体（温度计）的温度变化。

这种方法可以以非常高的空间分辨率测量物体的温度，并且无需接触。此外，由于时间响应延迟非常小，它还可以测量温度的快速变化。然而，这种方法成本高昂，并且要求目标物体可见。

Ⅱ. 了解不同的光学特性如何影响温度

如上所述，不同的光学特性会显著影响半导体器件的温度。这些特性中的每一个都取决于光谱以检测温度。

● 发光：发光是由于外部刺激（例如电磁电流或光子激发）而发射辐射。发射的辐射是由电子和空穴重新结合引起的，峰值能量发生在带隙能量间接带隙材料处。

等式 1

上式表明，带隙能量Eg与温度的平方成正比。

● 红外辐射：红外辐射是测量温度最常用的光学技术之一。总发射能量的 Stefan-Boltzmann 方程表示光谱发射率与温度之间的关系，如下所示

等式 2

其中 ε 是发射率，对于实际发射器，其范围在 0 到 1 之间。因此，通过使用此方程，我们可以通过测量总发射辐射来确定物体的温度。然而，红外辐射的主要问题是发射率，因为它会因材料而异，从而导致整体光谱发射率发生变化。因此，在考虑温度时，考虑这些变化非常重要。

图 2 显示了半导体器件的辐射如何随温度而变化。

B) 物理接触法：首先，这种方法依赖于设备与探测对象（通常是温度计）之间的实际物理接触。这种方法结合了使用热电偶的点接触或/和使用热敏磷和液晶的多层涂层。简而言之，我们发现单位时间内从一个设备到另一个设备的热能传输是影响温度测量的主要因素。
该方法的主要优点是具有非常高的空间分辨率，并且可以轻松生成温度图。但是，它需要设备物理上可接触的表面区域，因此无法测量封装芯片的温度。此外，热响应完全取决于探针（温度计）的响应。

Ⅲ.用于检测热能从一个设备转移到另一个设备的不同探测设备

探测设备在物理接触方法中起着重要作用，因为它们存在于设备主体上并直接测量温度。

● 扫描热探针：这些实际上是唯一能够在纳米级测量物体温度的热探针。这些原子力显微镜与热敏电阻或热电偶等温度敏感元件相结合，以测量温度。
这些探针由于尺寸极小，可提供最高的空间分辨率。图 3 显示了不同的微观表面以及如何放置热探针来检测温度。

图3 不同探测角度

● 热敏荧光粉：这种材料是一种掺杂稀土元素的荧光粉化合物陶瓷粉末，在紫外线照射下会发光。这种发光强度与温度有关，温度升高时会降低。

C) 电学方法：电学方法使用 PN 结正向电压、阈值电压、电阻和电流增益等电参数。由于这些参数随温度变化，我们可以轻松计算出器件的温度。该方法提供了实际温度分布的集中平均值。图 4 显示了实际物体和理想物体之间的温度分布差异

图4 实际物体的温度分布

该方法不需要与设备进行物理接触。但是它无法提供温度图，因为它指示特定区域的温度，例如，结温仅在结区域相同，而其他地方则不同。此外，该方法需要在测量温度之前进行校准。

Ⅳ. 回顾对温度测量有重大影响的不同电气参数 

● PN 结正向电压：PN 结的正向电压是测量半导体器件温度最常用的参数之一。图 5 显示了结电压随温度的变化。

图 5：结电压与温度

温度和正向电压之间的关系如下：

等式 3

这里， I pn 是流过栅极的电流，电子电荷 q 为 1.6·10-19 C，k 为玻尔兹曼常数，  Eg 为硅的能带隙，  Vpn 为正向电压。等式的左边约为 -2 mV/K，在 275 K 和 475 K 之间变化约 7%。它也被称为“校准常数”。

● 阈值电压：这是另一个用于测量半导体器件温度的类似电气参数。图 6(A) 和 6(B) 分别显示了功率 MOSFET 和集成电路MOSFET 的阈值电压温度变化与阈值电压温度导数之间的关系。

图6A&B阈值电压与温度

公式4

这里 V T 是阈值电压，ψB 是带隙中点到费米能级的距离，ε si 是硅的介电常数，COX 是本征栅极-沟道氧化物电容，  N A 是掺杂密度。该方程给出了阈值电压和温度之间的关系。

五、结论

可以简单总结一下，测量半导体器件温度的方法有多种，各有优缺点。工程师可以根据特定需求（例如温度图的要求、封装或未封装芯片的可用性、空间和时间分辨率水平）选择特定的测量方法。