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La présente invention est relative à des appareils électriques et plus particulièrement à des appareils perfectionnés pour la mesure de la ten- sion de percement ou de traversée d'un transistor.
Pour qu'un transistor puisse amplifier efficacement des courants al- ternatifs à haute fréquence, il est nécessaire qu'il ait une faible largeur de base, par exemple de l'ordre de 0,00007 à 0,00014 pouce, de telle sorte que le temps de transit des porteurs minoritaires injectés circulant de l'élément d'é- metteur au collecteur du transistor soit faible. Toutefois,'un transistor ayant une telle faible largeur de base a généralement aussi une faible tension de percement. Cette dernière tension est la plus faible valeur de polarisation in- verse qui, lorsqu'elle est appliquée entre le collecteur et la base (ou entre l'émetteur et la base) du transistor, produit dans son élément de base une zone de charge d'espace qui s'étend entre les éléments de collecteur et d'émetteur.
La condition dans laquelle la zone précitée de charge d'espace s'étend sur l'en- tièreté de l'élément de base, entre les éléments d'émetteur et de collecteur, est dénommée percement ou traversée.
Pendant la période où le transistor se trouve en état de percement ou de traversée, il ne fonctionne pas avec son mode normal de diffusion de porteurs minoritaires, mais au contraire il fonctionne avec des caractéristiques d'impé- dance et d'amplification tellement modifiées qu'il devient impropre ou inactif dans des circuits établis pour des transistors fonctionnant de la façon cou- rante. Parce que, dans les circuits courants à transistors, l'élément de collec- teur fonctionne en général avec une tension de polarisation inverse appliquée, la tension de percement ou de traversée est un paramètre important limitant la tension maximum de collecteur qui peut être appliquée au transistor en tenant compte du mode de fonctionnement normal du transistor.
Etant donné que la tension de percement ou de traversée varie direc- tement proportionnellement au carré de la largeur de la base du transistor, l'on a d'abord cru que des séries de transistors ayant pratiquement la même tension de percement ou de traversée pouvaient être produites simplement en formant des régions de base de largeurs pratiquement égales dans des séries de corps semi- conducteurs ayant approximativement la même densité d'impuretés caractéristiques.
Toutefois, la tension de percement d'un transistor est proportionnelle non seu- lement au carré de la largeur de la base, mais aussi aux inverses respectifs de la résistivité de masse de la matière semi-conductrice et de la mobilité des porteurs minoritaires dans celle-ci, et les valeurs de ces deux dernières quantités peut varier fortement même pour des différences extrêmement faibles dans la structure cristalline de lots différents de la matière semi-conductrice. Par con- séquent, même lorsque les largeurs de base de transistors successifs sont main- tenues dans des limites de tolérance extrêmement étroites, la valeur de leurs tensions de percement ou de traversée peut malgré tout varier dans une large gam- me de valeurs à cause des variations inévitables de la nature de la matière cris- talline.
Etant donné que, dans de nombreuses applications, il est essentiel que la tension de percement ou de traversée soit pratiquement égale à une valeur fi- xe prédéterminée, il a jusqu'à présent été nécessaire de rejeter fréquemment, au cours de la fabrication, un nombre important des transistors ainsi fabriqués parce que leurs tensions de percement ou de traversée tombent en dehors des étroites limites de tolérances admissibles pour ce paramètre. Le coût d'une telle méthode est évident.
Pour. éviter cette perte indésirable de temps et de matières et les frais élevés en résultant, il s'est révélé désirable dans certaines circonstances de contrôler les épaisseurs des bases de transistors successifs de façon à pro- duire des éléments ayant pratiquement la tension de percement désirée. Par exem- ple, un procédé pour obtenir ce résultat dans la fabrication de transistors à barrière de surface consiste à enregistrer ou à déceler d'une autre façon les valeurs des tensions de percement de transistors successifs et à ajuster périodi- quement, soit automatiquement, soit manuellement, l'épaisseur à laquelle l'appa-
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reil de gravure usine les galettes semi-conductrices, de façon à compenser des écarts systématiques des tensions de percement successives par rapport à la va- leur désirée.
Pour atteindre ce but dans un agencement d'assemblage pour la produc- tion en série de transistors, il est nécessaire que l'on dispose d'un appareil de mesure de la tension de percement qui puisse être manipulé aisément par un opérateur relativement peu expert et qui procure des lectures qui sont directes, sans ambiguïtés, précises et aisément enregistrées par un voltmètre enregistreur.
Il est en outre désirable que l'appareil soit de construction simple de façon à être relativement exempt de pannes ainsi que peu coûteux. Jusqu'à présent, tou- tefois, aucun appareil possédant ces caractéristiques désirables n'a été dispo- nible. Au contraire et à titre d'exemple, un appareil typique de la technique antérieure pour la mesure de la tension de percement d'un transistor comprend un générateur de balayage qui est connecté de façon à appliquer entre le collec- teur et la base du transistor une tension de polarisation inverse, dont la va- leur est périodiquement balayée sur une gamme de valeurs comportant la tension de percement. Un tel appareil comprend en outre un oscilloscope à rayons catho- diques ayant des impédances d'entrée élevées pour les circuits de déviation ho- rizontal et vertical, respectivement.
Le circuit de déviation horizontal de l'os- cilloscope est connecté entre le collecteur et la base du transistor, tandis que son circuit de déviation vertical est connecté entre l'émetteur et la base. Il était considéré essentiel dans la technique antérieure que le circuit émetteur- base soit maintenu pratiquement en circuit ouvert. Dans ces conditions, une trace est produite sur l'écran de l'oscilloscope, cette trace étant pratiquement hori- zontale jusqu'à ce que la tension de balayage appliquée entre les éléments de collecteur et de base atteigne la tension de percement; la trace oscilloscopique dévie alors de l'horizontale pratiquement linéairement lorsque la tension de balayage continue de plus en plus à dépasser la tension de percement.
En consé- quence, le point où'la trace dévie de l'horizontale indique la tension de perce- ment du transistor.
Cet appareil, bien que procurant en fait une mesure de la tension de percement, souffre de divers désavantages. Tout d'abord, il est coûteux. Plus précisément, il comprend un oscilloscope à rayons cathodiques coûteux qui doit avoir des impédances d'entrée élevées, en particulier dans le circuit de dévia- tion vertical. En outre, il comprend un générateur de balayage, qui peut être coûteux. En plus, l'échelle horizontale de l'oscilloscope doit être calibrée avec précision afin d'être utilisable pour cette mesure. A ce point de vue, à moins d'utiliser un oscilloscope avec un écran de grand diamètre, il est diffi- cile de le calibres et d'y lire des tensions avec une bonne précision.
En outre, même lorsqu'on utilise un oscilloscope à grand écran, la position du point de rupture dans'la caractéristique représentée, point caractéristique de la tension de percement, est fréquemment quelque peu arrondie et par conséquent ambigüe et il en résulte que la précision de la mesure est souvent insuffisamment bonne pour l'utilisation en production commerciale. En plus, l'image oscillographique n'est pas pratique pour établir un enregistrement permanent des mesures des ten- sions de percement d'éléments successifs et par conséquent n'est pas appropriée pour l'utilisation dans l'indication de tendances systématiques des tensions de percement des éléments successifs.
Par conséquent, un but de la présente invention est de procurer un appareil destiné à mesurer avec précision une quantité fonction de la tension de percement d'un transistor qui y est connecté.
Un autre but est de procurer un appareil qui produit une lecture di- recte et précise de la tension de percement d'un transistor qui y est connecté.
Encore un autre but est de procurer un appareil de mesure de tension de percement qui ne nécessite aucun circuit d'oscilloscope ou de balayage coû- teux.
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Un autre but est de procurer un appareil de mesure de tension de per- cement qui peut être utilisé avec succès par des opérateurs techniquement non avertis travaillant dans une chaîne d'assemblage.
Encore un autre but est de procurer un appareil de mesure de tension de percement dont la sortie peut être fournie aisément à un voltmètre enregis- treur, de telle sorte que les lectures de la tension de percement de transistors successifs peuvent aisément être inscrites sur un seul enregistrement.
Un but supplémentaire est de procurer un appareil de mesure de ten- sion de percement qui peut être aisément adapté pour son incorporation dans une ligne d'assemblage mécanisée pour la production en série de transistors.
Tous les buts ci-avant de la présente invention sont atteints en uti- lisant un nouvel appareil pour la mesure d'une quantité fonction de la tension de percement d'un transistor, qui comprend une masse de matière semi-conductrice et des premiers et seconds éléments redresseurs placés sur ladite masse. Cet ap- pareil comporte des moyens pour l'application, entre le premier élément redres- seur et le corps semi-conducteur, une tension de polarisation inverse ayant une amplitude supérieure à la tension de percement du transistor. Il comprend en ou- tre des moyens résistants destinés à fournir au second élément redresseur un po- tentiel ayant une valeur située dans une gamme limitée par le potentiel du corps semi-conducteur et le comprenant et par un second potentiel de polarité telle que le second élément redresseur soit polarisé dans le sens de conduction.
Fina- lement, pour indiquer l'amplitude de la valeur fonction de la tension de perce- ment, l'on prévoit des moyens de mesure de tension dont une borne est connectée audit second élément redresseur et l'autre borne est alimentée par des moyens appropriés avec un potentiel qui est une fonction connue de celui dudit premier élément redresseur.
Dans certaines formes de réalisation préférées, les moyens résistants comprennent une résistance et une source de tension connectées en série entre ledit second élément redresseur et le corps semi-conducteur, la source de ten- sion ayant une polarité telle que ledit second élément redresseur soit polarisé dans le sens de conduction, tandis que dans l'autre forme de réalisation préfé- rée, ces moyens comprennent simplement la résistance connectée entre ledit se- cond élément et le corps. Toutefois, lorsqu'on désire mesurer avec précision la valeur effective de la tension de percement par rapport à une quantité fonction de celle-ci mais qui n'y est pas égale, ladite autre borne des moyens de mesure de tension est connectée directement audit premier élément redresseur du transis- tor.
Lorsqu'au contraire, l'on désire mesurer une tension qui est fonction de la tension de percement mais qui n'y est pas égale, par exemple lorsqu'on désire mesurer la variation de la tension de percement du transistor à partir d'une va- leur prédéterminée, ladite autre borne des moyens de mesure de tension est ali- ,entée avec une tension différant d'une quantité prédéterminée de la tension appliquée audit premier élément redresseur.
Dans toutes les formes préférées de l'appareil suivant la présente in- vention, les moyens de mesure de tension ont une impédance dépassant notablement la résistance des moyens résistants ainsi que l'impédance du corps semi-conduc- teur entre lesdits premiers et seconds éléments redresseurs et prend la forme particulière d'un voltmètre enregistreur. En utilisant un voltmètre enregistreur, un enregistrement précis des tensions de percement de transistors essayés succes- sivement est obtenu. En conséquence, comme indiqué ci-avant, l'opérateur de la ligne d'assemblage peut immédiatement détecter, en examinant cet enregistrement, des variations inadmissibles des tensions de percement des transistors successifs dans la ligne et ajuster en conséquence l'appareil déterminant la largeur de la base afin de compenser de telles variations.
En pratique, cette technique a ré- duit à une valeur pratiquement insignifiante le nombre de transistors considérés comme rebut parce que les tensions de percement se trouvent en dehors de la gam- me admise.
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D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une vue partiellement schématique et partiellement en section d'une forme de réalisation préférée de l'appareil suivant l'invention.
Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de deux autres formes de réalisation de l'appareil suivant l'invention.
L'on se réfèrera d'abord à la figure 1,dans laquelle est représenté schématiquement un appareil de mesure de tension de percement comportant la pré- sente invention. Cette forme de réalisation sera décrite particulièrement en fonction de son utilisation pour la mesure des tensions de percement de transis- tors à barrière de surface. Toutefois, il doit être entendu qu'elle peut aussi être utilisée pour mesurer les tensions de percement ou de traversée de bien d'autres types de transistors.
Ainsi, la figure 1 représente un transistor à barrière de surface 10, partiellement fabriqué, dont la tension de percement ou de traversée doit être déterminée. Ce transistor comporte une galette 12 de germanium de type n qui peut par exemple avoir une résistivité de masse d'environ 0,8 ohm par centimètre, une durée de porteurs minoritaires dépassant 50 microsecondes, une longueur et une largeur de 0,10 pouce et 0,05 pouce, respectivement, et une épaisseur sur la plus grande partie de sa surface d'environ 0,003 pouce. Le transistor 10 comporte en outre des électrodes d'émetteur et de collecteur 14 et 16, respectivement, qui peuvent être faites en indium et être placées dans des évidements coaxiaux 18 et 20, respectivement.
D'une façon typique, l'épaisseur de la matière semi-conduc- trice subsistant entre les évidements opposés est de 0,00012 pouce. Le transis- tor 10 comprend en outre une patte de base en nickel 22 fixée à la galette 12 par des moyens établissant un contact pratiquement ohmique avec celle-ci, par exemple à l'aide d'une soudure constituée principalement d'étain. En outre, le transistor 10 comporte une structure de montage 24 qui comporte une tige en verre cylindrique 26 dans laquelle sont incorporés trois fils en cuivre nickelé 28, 30 et 32, respectivement, placés parallèlement dans le même plan par rapport à l'axe de la tige. La galette 12 est reliée électriquement au fil 30 de position cen- trale de la structure 24 par soudure de la patte de base 22 au fil 30.
Les fils périphériques 28 et 32 sont, au cours d'une étape ultérieure de la fabrication du transistor, connectés électriquement, respectivement, à l'électrode d'émetteur 14 et à l'électrode de collecteur 16, par des fils fins (non représentés).
Pour mesurer la tension de percement du transistor 10, il est néces- saire d'établir des contacts électriques à faible résistance, respectivement, avec l'électrode d'émetteur 14 et l'électrode de collecteur 16 de ce transistor.
En outre, afin que l'appareil de mesure de tension de percement puisse être utile dans une ligne d'assemblage pour la production en série de transistors, à grande vitesse, il est nécessaire qu'un travailleur non spécialisé soit à même à la fois d'établir et de brider rapidement ces contacts électriques à faible résistance sans possibilité d'endommagement du transistor. Il doit être entendu que le tran- sistor peut en fait être très aisément endommagé parce que, comme indiqué ci- avant, l'épaisseur de la matière semi-conductrice entre ces électrodes d'émetteur et de collecteur est fréquemment inférieure à 0,0001 pouce et est aisément brisée par un coup ou une force quelconque d'amplitude appréciable.
Ainsi, pour éviter de rompre le corps de transistor fragile, le contact électrique vers les électro- des d'émetteur et de collecteur doit être effectué d'une façon telle que seule la quantité minimum de chocs et de forces mécaniques nécessaires pour assurer une connexion à faible résistance soit appliquée.
Un appareil de mise en contact remplissant toutes ces conditions sévè- res est représenté à la figure 1 et comporte un sous-assemblage de contact d'émet- teur 34, un sous-assemblage de contact de collecteur 36 et un gabarit de place-
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ment de transistor 38, tous ces éléments étant placés rigidement les uns par rap- port aux autres. Les sous-assemblages de contact d'émetteur et de contact de col- lecteur 34 et 36, respectivement, ont une structure pratiquement identique, de telle sorte qu'il n'est nécessaire d'en décrire qu'un seul de façon détaillée.
Comme représenté au dessin, le gabarit de mise en place de transistor 38 peut comporter une enveloppe métallique cylindrique, représentée en coupe en 40, enveloppe qui sur la plus grande partie de sà longueur a un diamètre interne pratiquement égal au diamètre externe de la tige de verre 26 du transistor 10 et dont une extrémité, 42, présente un diamètre interne réduit qui est légèrement supérieur à la distance existant entre les fils de tige périphériques 28 et 32, respectivement.
Lorsque la tension de percement d'un transistor partiellement as- semblé tel que le transistor 10 doit être mesurée, le transistor partiellement assemblé est introduit dans le gabarit 38 d'une façon telle que la galette de germanium 12 s'étende dans l'ouverture de l'extrémité 42 et la surface de la tige de verre 26 adjacente à la galette 12 vienne s'appuyer sur cette extrémité.
Le sous-assemblage de contact d'émetteur 34, qui offre un contact élec- trique de position précise et à faible résistance avec l'émetteur 14 du transis- tor 10, tout en exerçant une force et un choc minimum , comporte une sonde de contact 44E, qui présente une pointe aiguë à une extrémité, c'est-à-dire l'extré- mité qui doit établir le contact avec l'émetteur 14 et qui est enroulée en forme de ressort hélicoidal à l'autre extrémité. D'une façon caractéristique, la sonde 44E peut être faite en acier inoxydable ou en tungstène.
Pour guider la pointe de la sonde 44E avec précision vers l'électrode d'émetteur 14 du transistor 10 lorsque ce dernier est placé dans le gabarit 38, comme représenté, un tube de verre 46E est prévu avec un passage interne qui est légèrement plus grand seulement que le diamètre de la sonde 44E. Le tube 46E est placé rigidement par rapport au gabarit 38, d'une façon telle que l'axe longitu- dinal de son passage interne soit pratiquement perpendiculaire aux surfaces de la galette 12 et passe pratiquement par le centre de l'électrode d'émetteur 14.
Pour appuyer la pointe de la sonde 44E contre l'électrode d'émetteur 14 après que le transistor 10 a été placé de façon appropriée dans le gabarit 38 et pour déconnec- ter ultérieurement la sonde 44E de l'émetteur 14 après la mesure de la tension de percement, l'on a prévu un appareillage d'actionnement électromagnétique analo- gue à un relais. Cet appareillage comporte une bobine 48E avec des bornes 50E et 52E, respectivement, et qui est placée de façon fixe par rapport au tube 46E et une paire de pivots dont l'un est représenté en 54E et autour desquels une arma- ture 56E, faite d'un métal hautement perméable tel que du fer doux, est forcée à pivoter.
Il comprend en plus un support de sonde 58E qui peut être fait en acier inoxydable et comporte un-raccord 60E présentant un trou d'un diamètre à peine supérieur au diamètre de la sonde 44E et qui reçoit une vis de blocage 62E afin de fixer la sonde 44E au support de sonde 58E. L'appareillage comprend en outre des vis en fer 64E et 66E respectivement, qui servent à fixer le support de sonde 58E à l'armature 56E et des vis de butée 68E et 70E, respectivement, qui sont vissées dans des équerres 72E et 74E, respectivement, et qui servent à établir les limites du déplacement suivant un arc de l'armature 56E et du support de sonde 58E autour du pivot 54E.
Les équerres 72E et 74E sont fixes par rapport au pivot 54E et à la bobine 48E et l'équerre 72E comporte une vis de blocage 76E chassée dans ladite équerre et à l'aide de laquelle l'on peut immobiliser la vis de butée 68E. Finalement, l'appareillage comprend un ressort de tension 78E, dont une extrémité est fixée à l'armature 56E et dont l'autre extrémité est fixée en un point fixe par:rapport au pivot 54E. Le ressort 78E sert à pousser le support de sonde 58E contre l'extrémité de la vis de butée 70E lorsque la bobine 48E n'est pas sous tension.
Comme indiqué précédemment, parce que la largeur de base du transistor 10 est si petite, la région de base du transistor est aisément endommagée par des chocs et des forces mécaniques d'une amplitude relativement importante. Par
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conséquent, pour réduire ces chocs et ces forces, la vis de réglage 68E est dis- posée en un endroit tel que, lorsque la bobine 48E est mise sous tension en pous- sant par conséquent l'armature 56E contre ladite vis de réglage 68E, la pointe de la sonde 44E se déplace juste assez pour établir un contact à faible résis- tance avec l'électrode d'émetteur 14. De plus, la partie de ressort de la sonde 44E sert à absorber une partie importante du choc d'impact, en réduisant par conséquent encore plus le danger d'endommagement du transistor.
En plus, la vis de réglage 70E, qui détermine la distance dont l'armature 56E est séparée de la bobine 48E lorsque cette dernière n'est pas sous tension, est réglée en une po- sition telle que quand la bobine 48E n'est pas sous tension, la sonde 44E soit suffisamment retirée par rapport à l'émetteur 14 pour que le transistor 10 puisse être aisément introduit dans le gabarit 38 ou en être retiré sans toucher la sonde 44E, mais non pas à une distance telle que ladite sonde 44E doive recevoir à un moment suffisant pour endommager le transistor 10 lorsque la bobine 48E est mise sous tension.
Le sous-assemblage de contact de collecteur 36 comprend un appareillage d'actionnement électromagnétique du type relais qui est pratiquement identique en construction à l'appareillage venant,d'être décrit pour le sous assemblage de contact d'émetteur 34. En conséquence, les éléments du sous-assemblage de contact de collecteur correspondant à ceux du sous-assemblage de contact d'émetteur sont désignés par les mêmes chiffres de référence, suivis de la lettre "C". Parce que les fonctions des éléments de l'assemblage de contact de collecteur 36 sont iden- tiques aux fonctions de leur équivalent dans le sous-assemblage de contact d'é- metteur 34, l'on ne les décrira pas plus en détail ci-après.
Pour mettre sous tension les bobines 48E et 480 des sous-assemblages de contact d'émetteur et de contact de collecteur 34 et 36, respectivement, une alimentation en courant continu 80 de type courant est prévue, avec des bornes de sortie 84 et 88 respectivement. La borne de sortie 84 est connectée directe- ment à la borne 520 de là bobine 48C, tandis que la borne de sortie 88 est con- nectée à la borne 52E de la bobine 48E, par l'intermédiaire d'un commutateur uni- polaire à deux positions 94. Pour fermer le circuit de mise sous tension de la bobine, la borne 50C de la bobine 48C est directement connectée à la borne 50E de la bobine 48E.
En reliant ainsi les bobines 48C et 48E en séries, le système de contact électromagnétique est établi de façon à obtenir une sécurité totale en cas de panne, en ce sens que si soit la bobine 48C, soit la bobine 48E présen- te une coupure, aucune de ces bobines ne pourra être mise sous tension et par conséquent ni la sonde 44C, ni la sonde 44E ne pourra être poussée seule contre l'électrode adjacente du transistor 10. Toutefois, normalement, lorsque le commu- tateur 94 est fermé, les bobines 48C et 48E sont mises sous tension simultané- ment et les armatures 560 et 56E sont poussées, respectivement, contre les vis de butée 680 et 68E. Par conséquent, les sondes 440 et 44E sont poussées, respec- tivement, contre l'électrode de collecteur 16 et l'électrode d'émetteur 14 du transistor 10.
Lorsque le commutateur 94 est ouvert, les bobines 48C, 48E sont simultanément mises en circuit et les ressorts de tension 780 et 78E repoussent les sondes 44C et 44E, respectivement, en les écartant des électrodes de collec- teur et d'émetteur 16 et 14 du transistor 10 et contre les vis de butée 70C et 70E, respectivement. Ce mouvement, en dégageant les sondes 440 et 44E du transis- tor 10, permet l'introduction libre du transistor dans le gabarit 38 et son en- lèvement.
Suivant l'invention, pour permettre une mesure précise et la lecture directe de la tension de percement du transistor 10, l'on a prévu un appareil qui applique entre l'électrode de collecteur 16 et le corps 12 du transistor 10, une tension de polarisation inverse dont l'amplitude dépasse nettement la tension de percement du transistor 10. En plus, un appareil est prévu pour appliquer entre l'électrode d'émetteur 14 et le corps 10, par l'intermédiaire d'une résistance 96 de valeur importante,, une faible tension de polarisation de conduction.
Chose im- @
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portante, pour indiquer la valeur de la tension de percement qui, dans ces condi- tions de polarisation, apparaît entre l'électrode d'émetteur 14 et l'électrode de collecteur 16, un voltmètre 98 est connecté entre le collecteur 16 et l'émet- teur 14. De préférence, le voltmètre 98 a une impédance nettement supérieure, par exemple dix fois plus grande ou plus, à la valeur de la résistance 96, ainsi que de la résistance dans les conditions de percement du corps semi-conducteur entre l'électrode d'émetteur 14 et l'électrode de collecteur 16, de telle sorte que le courant circulant entre les électrodes d'émetteur et de collecteur n'est pas dérivé de façon appréciable par le voltmètre 98.
Plus précisément et dans l'agencement particulier représenté à la fi- gure 1, la tension de polarisation inverse précitée supérieure à la tension de percement du transistor 10 est appliquée entre l'électrode de collecteur 16 et la galette 12 (qui, comme représentée, est connectée en un point se trouvant à un potentiel de référence par l'intermédiaire du fil 30) par une source qui com- prend une batterie 100 shuntée par un potentiomètre 102 avec un contact mobile 104. Le pôle positif de la batterie 100 est connecté en un point se trouvant au même potentiel de référence que la galette semi-conductrice 12, tandis que le contact mobile dudit potentiomètre 102 est connecté à la sonde 44C du sous assem- blage de contact de collecteur 36, par l'intermédiaire du pivot 54C, de l'arma- ture 560 et du support de sonde 58C.
Pour indiquer l'amplitude de la tension de polarisation inverse appliquée entre l'électrode de collecteur 16 et la galette 12 du transistor 10, un voltmètre 106 est connecté entre le contact mobile 104 et un point se trouvant au potentiel de référence.
Pour fournir un courant de polarisation de conduction à l'électrode d'émetteur 12 du transistor 10, l'on prévoit une seconde batterie 108, dont le pôle négatif est connecté directement en un point se trouvant au potentiel de ré- férence et dont le pôle positif est connecté à la sonde 44E par l'intermédiaire de la résistance 96, d'un microampèremètre 110, du pivot 54E, de l'armature 56E et du support de sonde 58E. De préférence, la résistance 96 a une valeur rela- tivement importante, par exemple de l'ordre de 1 à 5 mégohms.
Il est important, pour obtenir un enregistrement permanent de la valeur de la tension de percement du transistor 10 ainsi que des transistors successifs à essayer, que le voltmètre 98 soit de préférence un voltmètre enregistreur et soit connecté directement entre les pivots 54C et 54E, en permettant par consé- quent une connexion directe aux électrodes de collecteur et d'émetteur 16 et 14, respectivement, du transistor 10, par l'intermédiaire de l'armature 560 et 56E, du support de sonde 58C et 58E et des sondes de contact 440 et 44E, respective- ment .
Dans un cas typique, dans lequel le corps 12 du transistor 10 est con- stitué par du germanium monooristallin du type n ayant une résistivité de masse de l'ordre de 0,8 ohm par centimètre et une largeur de base de l'ordre de 0,00012 pouce, le transistor 10 a une tension de percement d'environ 10 volts.
Pour me- surer la tension de percement d'un tel transistor, les éléments et les tensions et courants appliqués peuvent avoir les valeurs suivantes:
EMI7.1
<tb> batterie <SEP> 100 <SEP> 22,5 <SEP> volts
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<tb> Potentiomètre <SEP> 102 <SEP> 25,000 <SEP> ohms
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<tb> Voltmètre <SEP> 106 <SEP> échelle <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> volts
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<tb> Batterie <SEP> 108 <SEP> 1,5 <SEP> volts
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<tb> Résistance <SEP> 96 <SEP> 2,2 <SEP> mégohms
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<tb> microampèremètre <SEP> 110 <SEP> échelle <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> microampères
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<tb> Voltmètre <SEP> 98 <SEP> échelle <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> volts,
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<tb> 60 <SEP> mégohms <SEP> de <SEP> résistan-
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<tb> ce <SEP> d'entrée
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<tb> tension <SEP> collecteur <SEP> à <SEP> base <SEP> 20 <SEP> volts
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<tb> Courant <SEP> émetteur <SEP> environ <SEP> 1 <SEP> microampère
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Il doit évidemment être antendu que ces valeurs sont données unique- ment à titre d'exemples et ne limitent en aucune façon la portée de la présente invention.
Dans ces conditions, chaque fois que les sondes 44E et 44C viennent en contact avec les électrodes d'émetteur et de collecteur 14 et 16, respective- ment, le voltmètre enregistreur à haute impédance 98 indique et enregistre avec grande précision la tension de percement du transistor 10 en cours d'essai, sans devoir faire appel aux oscilloscopes et générateurs de balayage nécessaires dans la technique antérieure. Par conséquent, l'appareil de la figure 1 se prête à l'utilisation dans un procédé simple et direct qui peut aisément être appliqué par un opérateur sans connaissances spéciales dans une ligne d'assemblage pour mesurer les tensions de percement d'une succession de transistors.
A ce sujet, une opération de ligne d'assemblage typique de l'agence- ment de la figure 1 est la suivante. A l'origine, le commutateur 94 est ouvert, en privant ainsi les bobines 48C et 48E de toute alimentation et amenant les son- des 44C et 44E à être retirées à l'intérieur du tube en verre 46C et 48E sous l'action des ressorts 78C et 78E. Ensuite, le transistor partiellement achevé 12 est introduit dans le gabarit 38 et une connexion électrique est établie entre le fil 30 et un point se trouvant au potentiel de référence. Le commutateur de commande 94 est alors fermé, mettant par conséquent sous tension les bobines 480 et 48E. Ceci a pour résultat que les sondes 44E et 44C sont poussées doucement en contact électrique à faible résistance avec les électrodes d'émetteur et de col- lecteur 14 et 16, respectivement.
En conséquence, les tensions de fonctionnement fournies respectivement à ces sondes sont appliquées aux électrodes avec lesquel- les le contact est établi. Par conséquent, la tension de percement du transistor est indiquée avec précision et enregistrée par le voltmètre enregistreur à haute impédance 98. Ensuite, le commutateur 94 est à nouveau ouvert ; transistor 10 est retiré du gabarit 38 ; un nouveau transistor y est introduit et l'opération est répétée.
En observant les amplitudes et les tendances de variations des ten- sions de percement mesurées successivement, telles qu'enregistrées par le volt- mètre à haute impédance 98, l'opérateur peut déterminer rapidement si chaque transistor fabriqué a une tension de percement tombant dans la gamme admise et si les tensions de percement des éléments successifs ont une tendance indésirable à atteindre une valeur se trouvant en dehors de la gamme admise. Si une telle ten- dance existe en fait, l'opérateur peut alors aisément la compenser en faisant va- rier dans le sens approprié l'épaisseur à laquelle les corps semi-conducteurs des transistors successifs sont gravés.
En utilisant une telle technique, il a été découvert qu'il est possi- ble d'obtenir, par exemple, un rendement de 90 % de transistors avec des tensions de percement se trouvant dans une gamme de 1,5 volts par rapport à la valeur dé- sirée de 8,5 volts, tandis que quand le même type de transistor était fabriqué sans cette étape de mesure de percement mais avec les mêmes tolérances, le rende- ment était seulement de 60 %. L'on déduit immédiatement de ces rendements très différents, l'utilité commerciale énorme de l'appareil suivant l'invention.
L'appareil de mesure de tension de percement de la figure 1 n'est qu'une des possibilités de réalisation de la présente invention, qui peut faire l'objet de nombreux circuits différents. Par exemple, deux agencements supplémen- taires de l'appareil suivant l'invention sont représentés aux figures 2 et 3 des dessins. Dans ces dernières figures, les sous assemblages de contact d'émetteur et de collecteur 34 et 36, respectivement, la source d'alimentation 80 pour les bobines 480 et 48E et le gabarit de placement du transistor 38 tous représentés à la figure 1, ont été omis dans un but de simplicité et seuls les schémas des circuits de mesure de tension de percement de l'invention sont représentés.
Tou- tefois, ces sous assemblages de contact sont de préférence également utilisés en combinaison avec les circuits de mesure nouveaux des figures 2, 3 afin d'éta- blir les connexions nécessaires avec les éléments du transistor à essayer. En con-
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séquence, les indices de référence appropriés de la figure 1 ont été utilisés pour désigner les points auxquels les éléments,des circuits des figures 2 et 3 sont connectés respectivement à la sonde de contact d'émetteur 44E, à la sonde de contact de collecteur 44C et au fil 30 de la figure 1.
En se référant plus particulièrement à l'agencement de la figure 2, l'on verra que ce dernier diffère de celui de la figure 1 sur deux points seule- ment, à savoir le fait que la batterie 108, connectée dans le circuit d'émetteur de la figure 1, a été éliminée et que la borne de la résistance 96 connectée à la figure 1 au pôle positif de la batterie 108 est connectée, dans l'agencement de la figure 2, directement à un point se trouvant au potentiel de référence.
A ce point de vue, il a été découvert que, dans le cas de la réalisation de la figure 1, aussi longtemps que la résistance 96 a une valeur nettement inférieure à la résistance d'entrée du voltmètre enregistreur 98, étant de préférence d'un dixième ou moins de cette résistance d'entrée, le voltmètre 98 indique directe- ment et avec précision la tension de percement du transistor 10,
La figure 3 représente une troisième forme de réalisation de la pré- sente invention qui est particulièrement utile lorsque la quantité à mesurer est une fonction, sans cependant lui être nécessairement égale, de la tension de per- cement du transistor. Une telle quantité peut, par exemple, être la déviation de la tension de percement du transistor par rapport à une tension prédéterminée.
Dans l'agencement représenté.à la figure 3, la structure destinée à fournir la tension de polarisation inverse supérieure à la tension de percement pour l'élec- trode de collecteur 16 et la structure destinée à fournir un courant de polarisa- tion de conduction à l'électrode d'émetteur 14 sont identiques, respectivement, aux structures correspondantes à la figure 1. Toutefois, 1'.appareil à la figure 3 comprend en plus un second potentiomètre 112 qui comporte un contact mobile 114 et est connecté en parallèle avec la batterie 100. Le contact mobile 114 est con- necté en série avec le voltmètre enregistreur 98, dont l'autre borne est connec- tée à la jonction du mieroampèremètre 110 et de la résistance 96, comme dans les formes de réalisation précédentes.
Pour mesurer la valeur de la tension appli- quée au voltmètre enregistreur 98 par le potentiomètre 112, un voltmètre 116 est connecté entre le bras mobile 114 et le corps semi-conducteur 12.
En fonctionnement, la position du contact mobile 114 peut être ajustée, avec l'aide du voltmètre 116, de telle sorte que son potentiel soit égal au po- tentiel de l'électrode de collecteur 16. Dans ces conditions, les potentiels ap- pliqués au voltmètre 98 sont les mêmes que ceux appliqués dans l'agencement de la figure 1 et la tension de percement effective est à nouveau indiquée par le volt- mètre 98. Toutefois, en changeant la position du contact mobile 114 à partir de la position précitée, le potentiel appliqué au voltmètre 98 peut être modifié d'une quantité connue à partir du potentiel de l'électrode de collecteur 16. Une telle variation amène le voltmètre enregistreur 98 à indiquer une tension qui diffère de cette tension de percement de cette quantité connue.
En conséquence, lorsqu'on désire mesurer la variation de la tension de percement du transistor en voie d'essai par rapport à une valeur optimum prédéterminée, il suffit d'ajus- ter le contact mobile 114 du potentiomètre 112 de telle sorte que son potentiel soit inférieur au potentiel de collecteur d'une quantité égale à ladite valeur prédéterminée.
Bien que chacun des trois circuits décrits ci-avant soient particuliè- rement adaptés à la mesure de tension de percement de transistors ayant des corps semi-conducteurs de type n, l'appareil suivant l'invention n'est en aucune façon limité à la mesure des tensions de percement de ces types de transistors seule- ment. Au contraire, l'appareil suivant l'invention peut être instantanément adap- té à la mesure de la tension de percement de transistors ayant des corps semi- conducteurs de type p,en inversant simplement la polarité de chaque batterie et appareil de mesure compris dans l'appareil. En outre, bien que dans les exemples particuliers ci-avant, le transistor ait été décrit comme ayant un corps de germa-
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nium, ce corps peut évidemment être fait en silicium ou en une autre matière semi- conductrice appropriée.
En outre, bien que le transistor dont la tension de percement doit être mesurée soit décrit particulièrement dans la description ci-avant comme étant un transistor du type à barrière de surface, il doit être entendu que l'ap- pareil suivant l'invention est également capable de mesurer les tensions de per- cement d'autres genres de transistors, par exemple des transistors à jonction par alliage et à jonction par croissance qui comporte en tant qu'élément d'émet- teur et de collecteur, des première et seconde jonctions redresseuses placées sur des surfaces opposées d'un corps semi-conducteur.
De plus, bien que le voltmètre 98 ait été représenté dans chaque exem- ple comme étant un voltmètre enregistreur, il ne doit évidemment pas être abso- lument du type enregistreur mais peut au contraire être un voltmètre à indication par aiguille ou un voltmètre utilisant n'importe quelle autre forme d'indication qui convient pour l'application particulière envisagée. En outre, bien que dans les formes de réalisation préférées la tension de polarisation inverse appliquée entre l'électrode de collecteur et le corps semi-conducteur ait une valeur prati- quement constante, il n'est pas essentiel que cette tension soit ainsi constante.
Par exemple, la tension de polarisation inverse peut prendre la forme d'impul- sions unidirectionnelles ayant une amplitude maximum dépassant nettement la ten- sion de percement du transistor. Une telle tension pulsatoire peut être fournie par un appareil simple (non représenté) qui, par exemple, peut comprendre une source de tension alternative dont l'amplitude dépasse la tension de percement du transistor à essayer et un redresseur et une résistance connectés en série l'un avec l'autre et shuntant ladite source. Une tension unidirectionnelle appro- priée est alors produite aux bornes de la résistance. Lorsqu'une telle tension pulsatoire est utilisée comme tension de collecteur à base ou d'émetteur à base, le voltmètre enregistreur sera de préférence un instrument à lecture de crête à crête .
En outre, bien que dans chacune des réalisations ci-avant, la tension de polarisation inverse supérieure à la tension de percement soit appliquée en- tre l'électrode de collecteur et le corps semi-conducteur, cette tension de pola- risation inverse peut aussi être appliquée entre l'électrode d'émetteur et le corps. Dans un tel cas, l'électrode de collecteur du transistor est, suivant l'in- vention, soit alimentée avec un faible courant de polarisation de conduction par l'intermédiaire de moyens résistants, soit connectée par ces moyens directement à l'électrode de base du transistor.
Avec un tel agencement, le voltmètre enregis- treur peut être connecté directement entre les électrodes d'émetteur et de collec- teur, comme représenté aux figures 1 et 2, ou il peut être connecté en série avec l'électrode de collecteur et une source de tension ayant une amplitude qui est en relation connue par rapport à celle appliquée à l'électrode d'émetteur, de la façon représentée pour la figure 3.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.
REVENDICATIONS.
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The present invention relates to electrical devices and more particularly to improved devices for measuring the piercing or passing voltage of a transistor.
In order for a transistor to be able to effectively amplify high frequency alternating currents, it is necessary that it have a small base width, for example in the range of 0.00007 to 0.00014 inches, so that the transit time of the injected minority carriers circulating from the emitter element to the collector of the transistor is low. However, a transistor having such a small base width generally also has a low piercing voltage. This latter voltage is the lowest value of reverse bias which, when applied between the collector and the base (or between the emitter and the base) of the transistor, produces in its base element a charge zone d 'space that extends between the collector and emitter elements.
The condition in which the aforesaid space charge zone extends over the entire base member, between the emitter and collector members, is referred to as a piercing or crossing.
During the period when the transistor is in a piercing or crossing state, it does not operate with its normal mode of diffusion of minority carriers, but on the contrary it operates with impedance and amplification characteristics so modified that it becomes unsuitable or inactive in circuits established for transistors in current operation. Because, in common transistor circuits, the collector element generally operates with a reverse bias voltage applied, the piercing or traversing voltage is an important parameter limiting the maximum collector voltage that can be applied to the voltage. transistor taking into account the normal operating mode of the transistor.
Since the pierce or crossover voltage varies directly in proportion to the square of the width of the base of the transistor, it was first believed that series of transistors having practically the same piercing or crossing voltage could be produced simply by forming base regions of substantially equal width in series of semiconductor bodies having approximately the same density of characteristic impurities.
However, the piercing voltage of a transistor is proportional not only to the square of the width of the base, but also to the respective inverses of the mass resistivity of the semiconductor material and of the mobility of the minority carriers in it. Here, and the values of the latter two quantities can vary greatly even for extremely small differences in the crystal structure of different lots of the semiconductor material. Consequently, even when the base widths of successive transistors are kept within extremely narrow tolerance limits, the value of their piercing or crossing voltages can still vary over a wide range of values due to inevitable variations in the nature of the crystalline material.
Since in many applications it is essential that the pierce or lead-through tension be substantially equal to a predetermined fixed value, it has heretofore been necessary to reject frequently during manufacture a. large number of transistors thus manufactured because their piercing or through voltages fall outside the narrow limits of tolerances admissible for this parameter. The cost of such a method is obvious.
For. To avoid this undesirable waste of time and material and the resulting high expense, it has been found desirable in certain circumstances to control the thicknesses of the bases of successive transistors so as to produce elements having substantially the desired piercing voltage. For example, a method of obtaining this result in the fabrication of surface barrier transistors is to record or otherwise detect the values of the piercing voltages of successive transistors and to adjust periodically, either automatically, either manually, the thickness at which the device
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The etching machine machines the semiconductor wafers, so as to compensate for systematic deviations of the successive piercing voltages with respect to the desired value.
In order to achieve this aim in an assembly arrangement for the mass production of transistors, it is necessary to have a piercing voltage measuring apparatus which can be easily handled by a relatively inexperienced operator. and which provides readings that are straightforward, unambiguous, accurate and easily recorded by a recording voltmeter.
It is further desirable that the apparatus be of simple construction so as to be relatively trouble free as well as inexpensive. Heretofore, however, no apparatus having these desirable characteristics has been available. On the contrary and by way of example, a typical prior art apparatus for measuring the piercing voltage of a transistor comprises a sweep generator which is connected so as to apply between the collector and the base of the transistor. a reverse bias voltage, the value of which is periodically swept over a range of values including the piercing voltage. Such an apparatus further comprises a cathode ray oscilloscope having high input impedances for the horizontal and vertical deflection circuits, respectively.
The horizontal deflection circuit of the oscilloscope is connected between the collector and the base of the transistor, while its vertical deflection circuit is connected between the emitter and the base. It was considered essential in the prior art that the emitter-base circuit be kept substantially open circuit. Under these conditions, a trace is produced on the oscilloscope screen, this trace being substantially horizontal until the sweep voltage applied between the collector and base elements reaches the piercing voltage; the oscilloscopic trace then deviates from the horizontal practically linearly as the scanning voltage continues to exceed the piercing voltage more and more.
Consequently, the point where the trace deviates from the horizontal indicates the piercing voltage of the transistor.
This apparatus, although in fact providing a measure of the piercing tension, suffers from various disadvantages. First of all, it is expensive. Specifically, it includes an expensive cathode ray oscilloscope which must have high input impedances, especially in the vertical deflection circuit. In addition, it includes a sweep generator, which can be expensive. In addition, the horizontal scale of the oscilloscope must be calibrated accurately in order to be usable for this measurement. From this point of view, unless you use an oscilloscope with a large diameter screen, it is difficult to calibrate it and read voltages with good precision.
Further, even when using a large-screen oscilloscope, the position of the break point in the feature shown, the characteristic point of the piercing voltage, is frequently somewhat rounded and therefore ambiguous, and as a result the accuracy measurement is often insufficiently good for use in commercial production. In addition, the oscillographic image is not practical for establishing a permanent record of the measurements of the piercing voltages of successive elements and therefore is not suitable for use in the indication of systematic trends in voltages. piercing successive elements.
Therefore, an object of the present invention is to provide an apparatus for accurately measuring an amount dependent on the piercing voltage of a transistor connected thereto.
Another object is to provide an apparatus which produces a direct and accurate reading of the piercing voltage of a transistor connected thereto.
Yet another object is to provide a piercing voltage measuring apparatus which does not require any expensive oscilloscope or sweep circuitry.
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Another object is to provide a piercing tension meter which can be used successfully by technically unsophisticated operators working in an assembly line.
Yet another object is to provide a piercing voltage meter the output of which can be readily supplied to a recording voltmeter, so that the piercing voltage readings of successive transistors can easily be written to a single one. recording.
A further object is to provide a piercing voltage measuring apparatus which can be easily adapted for incorporation into a mechanized assembly line for the mass production of transistors.
All of the foregoing objects of the present invention are achieved by using a novel apparatus for measuring a quantity dependent on the piercing voltage of a transistor, which comprises a mass of semiconductor material and first and second. second rectifying elements placed on said mass. This apparatus comprises means for applying, between the first rectifier element and the semiconductor body, a reverse bias voltage having an amplitude greater than the piercing voltage of the transistor. It further comprises resistor means intended to supply to the second rectifier element a potential having a value situated in a range limited by the potential of the semiconductor body and comprising it and by a second potential of polarity such as the second. rectifier element is polarized in the direction of conduction.
Finally, to indicate the amplitude of the value as a function of the piercing voltage, voltage measuring means are provided, one terminal of which is connected to said second rectifier element and the other terminal is supplied by means. suitable with a potential which is a known function of that of said first rectifier element.
In some preferred embodiments, the resistor means comprises a resistor and a voltage source connected in series between said second rectifier element and the semiconductor body, the voltage source having a polarity such that said second rectifier element is biased. in the direction of conduction, while in the other preferred embodiment, these means simply comprise the resistor connected between said second element and the body. However, when it is desired to measure with precision the effective value of the piercing voltage with respect to a quantity which is a function of the latter but which is not equal thereto, said other terminal of the voltage measuring means is connected directly to said first rectifier element of the transistor.
When, on the contrary, one wishes to measure a voltage which is a function of the piercing voltage but which is not equal thereto, for example when one wishes to measure the variation of the piercing voltage of the transistor from a predetermined value, said other terminal of the voltage measuring means is supplied with a voltage differing by a predetermined quantity from the voltage applied to said first rectifier element.
In all preferred forms of apparatus according to the present invention, the voltage measuring means have an impedance significantly exceeding the resistance of the resistance means as well as the impedance of the semiconductor body between said first and second elements. rectifiers and takes the particular form of a recording voltmeter. Using a recording voltmeter, an accurate recording of the piercing voltages of successively tested transistors is obtained. Consequently, as indicated above, the operator of the assembly line can immediately detect, by examining this recording, unacceptable variations in the piercing voltages of successive transistors in the line and adjust the apparatus determining the width accordingly. of the base in order to compensate for such variations.
In practice, this technique has reduced to a practically insignificant value the number of transistors considered as waste because the piercing voltages are outside the permissible range.
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Other details and features of the invention will emerge from the description below, given by way of nonlimiting example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a partially schematic and partially sectional view of a preferred embodiment of the apparatus according to the invention.
Figures 2 and 3 are schematic views of two other embodiments of the apparatus according to the invention.
Reference will firstly be made to FIG. 1, in which there is schematically represented an apparatus for measuring piercing tension comprising the present invention. This embodiment will be described particularly with respect to its use for measuring the piercing voltages of surface barrier transistors. However, it should be understood that it can also be used to measure the piercing or crossing voltages of many other types of transistors.
Thus, Figure 1 shows a partially fabricated surface barrier transistor 10, the piercing or through voltage of which is to be determined. This transistor comprises an n-type germanium wafer 12 which may for example have a ground resistivity of about 0.8 ohm per centimeter, a minority carrier duration exceeding 50 microseconds, a length and a width of 0.10 inch and 0.05 inch, respectively, and a thickness over the greater part of its surface of about 0.003 inch. Transistor 10 further includes emitter and collector electrodes 14 and 16, respectively, which may be made of indium and be placed in coaxial recesses 18 and 20, respectively.
Typically, the thickness of the semi-conductive material remaining between the opposing recesses is 0.00012 inches. The transistor 10 further comprises a nickel base tab 22 attached to the wafer 12 by means establishing substantially ohmic contact therewith, for example by means of a solder consisting mainly of tin. Furthermore, the transistor 10 has a mounting structure 24 which has a cylindrical glass rod 26 in which are incorporated three nickel-plated copper wires 28, 30 and 32, respectively, placed parallel in the same plane with respect to the axis of the rod. The wafer 12 is electrically connected to the wire 30 in the central position of the structure 24 by welding the base tab 22 to the wire 30.
The peripheral wires 28 and 32 are, during a subsequent step in the manufacture of the transistor, electrically connected, respectively, to the emitter electrode 14 and to the collector electrode 16, by fine wires (not shown ).
To measure the piercing voltage of transistor 10, it is necessary to establish low resistance electrical contacts, respectively, with the emitter electrode 14 and the collector electrode 16 of this transistor.
Further, in order for the piercing voltage meter to be useful in an assembly line for the mass production of transistors, at high speed, it is necessary that a non-skilled worker be able to both quickly establish and clamp these low resistance electrical contacts without the possibility of damaging the transistor. It should be understood that the transistor can in fact be damaged very easily because, as stated above, the thickness of the semiconductor material between these emitter and collector electrodes is frequently less than 0.0001. thumb and is easily broken by a blow or force of any appreciable amplitude.
Thus, to avoid breaking the fragile transistor body, the electrical contact to the emitter and collector electrodes should be made in such a way that only the minimum amount of shock and mechanical forces necessary to ensure a connection. low resistance is applied.
A contacting apparatus meeting all of these stringent conditions is shown in Figure 1 and includes an emitter contact sub-assembly 34, a collector contact sub-assembly 36, and a place jig.
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transistor 38, all of these elements being placed rigidly with respect to one another. The emitter contact and manifold contact subassemblies 34 and 36, respectively, are substantially identical in structure, so that only one need to be described in detail.
As shown in the drawing, the transistor placement jig 38 may include a cylindrical metal casing, shown in section at 40, which casing over the greater part of its length has an internal diameter substantially equal to the external diameter of the rod. glass 26 of transistor 10 and one end of which, 42, has a reduced internal diameter which is slightly greater than the distance existing between the peripheral rod wires 28 and 32, respectively.
When the piercing voltage of a partially assembled transistor such as transistor 10 is to be measured, the partially assembled transistor is introduced into jig 38 in such a way that germanium wafer 12 extends into the opening. of the end 42 and the surface of the glass rod 26 adjacent to the wafer 12 comes to rest on this end.
The emitter contact sub-assembly 34, which provides precise positional, low-resistance electrical contact with emitter 14 of transistor 10, while exerting minimum force and shock, includes a contact 44E, which has a sharp point at one end, that is to say the end which is to make contact with the transmitter 14 and which is coiled in the form of a coil spring at the other end. Typically, probe 44E can be made of stainless steel or tungsten.
To guide the tip of probe 44E precisely to the emitter electrode 14 of transistor 10 when the latter is placed in jig 38, as shown, a glass tube 46E is provided with an internal passage which is slightly larger. only that the diameter of the probe 44E. Tube 46E is placed rigidly with respect to template 38, such that the longitudinal axis of its internal passage is substantially perpendicular to the surfaces of wafer 12 and passes substantially through the center of the emitter electrode. 14.
For pressing the tip of the probe 44E against the emitter electrode 14 after the transistor 10 has been suitably placed in the jig 38 and for subsequently disconnecting the probe 44E from the emitter 14 after the measurement of the piercing voltage, an electromagnetic actuation device similar to a relay has been provided. This apparatus comprises a coil 48E with terminals 50E and 52E, respectively, and which is placed in a fixed manner relative to the tube 46E and a pair of pivots, one of which is shown at 54E and around which an armature 56E, made. of a highly permeable metal such as soft iron, is forced to rotate.
It further includes a 58E probe holder which can be made of stainless steel and has a 60E fitting having a hole of a diameter only slightly larger than the diameter of the 44E probe and which receives a locking screw 62E to secure the 44E probe to 58E probe holder. The apparatus further comprises iron screws 64E and 66E respectively, which serve to secure the probe holder 58E to the frame 56E and stop screws 68E and 70E, respectively, which are screwed into brackets 72E and 74E, respectively, and which serve to establish the limits of the arcuate displacement of the frame 56E and the probe holder 58E around the pivot 54E.
The brackets 72E and 74E are fixed with respect to the pivot 54E and the coil 48E and the bracket 72E comprises a locking screw 76E driven into said bracket and with the aid of which one can immobilize the stop screw 68E. Finally, the apparatus comprises a tension spring 78E, one end of which is fixed to the frame 56E and the other end of which is fixed at a point fixed with respect to the pivot 54E. Spring 78E is used to push probe holder 58E against the end of stop screw 70E when coil 48E is not energized.
As stated earlier, because the base width of transistor 10 is so small, the base region of the transistor is easily damaged by shocks and mechanical forces of relatively large magnitude. Through
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Therefore, to reduce such shocks and forces, the set screw 68E is disposed at such a location that, when the coil 48E is energized thereby pushing the armature 56E against said set screw 68E, the tip of probe 44E moves just enough to make low resistance contact with emitter electrode 14. In addition, the spring portion of probe 44E serves to absorb a significant portion of the impact shock. , thereby further reducing the danger of damaging the transistor.
In addition, set screw 70E, which determines how far armature 56E is separated from coil 48E when the latter is not energized, is set to a position such that when coil 48E is not energized. not energized, the probe 44E is withdrawn sufficiently from the emitter 14 so that the transistor 10 can be easily inserted into the jig 38 or be removed without touching the probe 44E, but not at a distance such that said probe 44E must receive at a sufficient time to damage transistor 10 when coil 48E is energized.
The collector contact sub-assembly 36 comprises a relay-type electromagnetic actuation apparatus which is substantially identical in construction to the apparatus just described for the emitter contact sub-assembly 34. Accordingly, Elements of the manifold contact sub-assembly corresponding to those of the emitter contact sub-assembly are designated by the same reference numerals, followed by the letter "C". Because the functions of the elements of the manifold contact assembly 36 are identical to the functions of their counterparts in the transmitter contact subassembly 34, they will not be described in more detail below. after.
To energize the coils 48E and 480 of the emitter contact and collector contact sub-assemblies 34 and 36, respectively, a current-type direct current supply 80 is provided, with output terminals 84 and 88 respectively. . Output terminal 84 is connected directly to terminal 520 of coil 48C, while output terminal 88 is connected to terminal 52E of coil 48E, via a unipolar switch. two position 94. To close the coil energizing circuit, terminal 50C of coil 48C is directly connected to terminal 50E of coil 48E.
By thus connecting the coils 48C and 48E in series, the electromagnetic contact system is established in such a way as to obtain total safety in the event of a breakdown, in the sense that if either the coil 48C or the coil 48E has a cut, none of these coils can be energized and therefore neither probe 44C nor probe 44E can be pushed alone against the adjacent electrode of transistor 10. However, normally, when switch 94 is closed, the Coils 48C and 48E are energized simultaneously and the armatures 560 and 56E are pushed, respectively, against the stop screws 680 and 68E. Therefore, probes 440 and 44E are pushed, respectively, against collector electrode 16 and emitter electrode 14 of transistor 10.
When switch 94 is open, coils 48C, 48E are simultaneously energized and tension springs 780 and 78E push probes 44C and 44E, respectively, away from collector and emitter electrodes 16 and 14. of the transistor 10 and against the stop screws 70C and 70E, respectively. This movement, by freeing the probes 440 and 44E from the transistor 10, allows the free introduction of the transistor into the jig 38 and its removal.
According to the invention, to allow precise measurement and direct reading of the piercing voltage of transistor 10, an apparatus is provided which applies between the collector electrode 16 and the body 12 of transistor 10, a voltage of reverse bias, the amplitude of which clearly exceeds the piercing voltage of transistor 10. In addition, an apparatus is provided to apply between the emitter electrode 14 and the body 10, via a resistor 96 of significant value ,, a low conduction bias voltage.
Im- @ thing
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load bearing, to indicate the value of the piercing voltage which, under these polarization conditions, appears between the emitter electrode 14 and the collector electrode 16, a voltmeter 98 is connected between the collector 16 and the emitter 14. Preferably, the voltmeter 98 has an impedance significantly greater, for example ten times greater or more, than the value of resistor 96, as well as the resistance under the conditions of piercing of the semiconductor body between. the emitter electrode 14 and the collector electrode 16, so that the current flowing between the emitter and collector electrodes is not appreciably diverted by the voltmeter 98.
More precisely and in the particular arrangement shown in FIG. 1, the aforementioned reverse bias voltage greater than the piercing voltage of transistor 10 is applied between the collector electrode 16 and the wafer 12 (which, as shown, is connected at a point located at a reference potential via wire 30) by a source which comprises a battery 100 shunted by a potentiometer 102 with a movable contact 104. The positive pole of the battery 100 is connected. at a point located at the same reference potential as the semiconductor wafer 12, while the movable contact of said potentiometer 102 is connected to the probe 44C of the collector contact sub-assembly 36, via the pivot 54C , frame 560 and probe holder 58C.
To indicate the magnitude of the reverse bias voltage applied between the collector electrode 16 and the wafer 12 of the transistor 10, a voltmeter 106 is connected between the movable contact 104 and a point at the reference potential.
To supply a conduction bias current to the emitter electrode 12 of transistor 10, a second battery 108 is provided, the negative pole of which is connected directly to a point located at the reference potential and of which the positive pole is connected to probe 44E through resistor 96, microammeter 110, pivot 54E, armature 56E, and probe holder 58E. Preferably, resistor 96 has a relatively large value, for example on the order of 1 to 5 megohms.
It is important, in order to obtain a permanent record of the value of the piercing voltage of transistor 10 as well as of the successive transistors to be tested, that the voltmeter 98 is preferably a recording voltmeter and is connected directly between the pivots 54C and 54E, in therefore allowing direct connection to the collector and emitter electrodes 16 and 14, respectively, of transistor 10, through armature 560 and 56E, probe holder 58C and 58E, and contact probes 440 and 44E, respectively.
In a typical case, in which the body 12 of the transistor 10 is constituted by monooristalline germanium of type n having a ground resistivity of the order of 0.8 ohm per centimeter and a base width of the order of 0.00012 inch, transistor 10 has a piercing voltage of about 10 volts.
To measure the piercing voltage of such a transistor, the elements and the voltages and currents applied can have the following values:
EMI7.1
<tb> battery <SEP> 100 <SEP> 22.5 <SEP> volts
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<tb> Potentiometer <SEP> 102 <SEP> 25,000 <SEP> ohms
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<tb> Voltmeter <SEP> 106 <SEP> scale <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 25 <SEP> volts
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<tb> Battery <SEP> 108 <SEP> 1.5 <SEP> volts
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<tb> Resistance <SEP> 96 <SEP> 2.2 <SEP> megohms
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<tb> microammeter <SEP> 110 <SEP> scale <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 3 <SEP> microamperes
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<tb> Voltmeter <SEP> 98 <SEP> scale <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 25 <SEP> volts,
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<tb> 60 <SEP> megohms <SEP> of <SEP> resistor-
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<tb> this input <SEP>
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<tb> voltage <SEP> collector <SEP> to <SEP> base <SEP> 20 <SEP> volts
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<tb> Current <SEP> transmitter <SEP> approximately <SEP> 1 <SEP> microampere
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It should of course be understood that these values are given by way of example only and in no way limit the scope of the present invention.
Under these conditions, each time the probes 44E and 44C come into contact with the emitter and collector electrodes 14 and 16, respectively, the high impedance recording voltmeter 98 indicates and records with high accuracy the piercing voltage of the transistor 10 under test, without having to resort to the oscilloscopes and sweep generators required in the prior art. Therefore, the apparatus of Figure 1 lends itself to use in a simple and straightforward method which can easily be applied by an operator without special knowledge in an assembly line to measure the piercing voltages of a succession of transistors.
In this regard, a typical assembly line operation of the arrangement of Figure 1 is as follows. Originally, switch 94 is open, thus depriving coils 48C and 48E of all power and causing probes 44C and 44E to be withdrawn inside glass tube 46C and 48E under the action of springs 78C and 78E. Then, the partially completed transistor 12 is introduced into the jig 38 and an electrical connection is made between the wire 30 and a point at the reference potential. The control switch 94 is then closed, therefore energizing the coils 480 and 48E. This results in the probes 44E and 44C being gently pushed into low resistance electrical contact with the emitter and collector electrodes 14 and 16, respectively.
Accordingly, the operating voltages respectively supplied to these probes are applied to the electrodes with which contact is made. Therefore, the piercing voltage of the transistor is accurately indicated and recorded by the high impedance recording voltmeter 98. Then, the switch 94 is opened again; transistor 10 is removed from jig 38; a new transistor is introduced therein and the operation is repeated.
By observing the magnitudes and trends of changes in the successively measured piercing voltages, as recorded by the high impedance voltmeter 98, the operator can quickly determine if each transistor manufactured has a piercing voltage falling across the line. permitted range and whether the piercing voltages of successive elements have an undesirable tendency to reach a value outside the permitted range. If such a trend exists in fact, the operator can then easily compensate for it by varying in the appropriate direction the thickness at which the semiconductor bodies of the successive transistors are etched.
Using such a technique, it has been found that it is possible to obtain, for example, a 90% efficiency of transistors with piercing voltages in a range of 1.5 volts with respect to the voltage. the desired value of 8.5 volts, whereas when the same type of transistor was manufactured without this step of measuring the piercing but with the same tolerances, the efficiency was only 60%. From these very different yields, we can immediately deduce the enormous commercial utility of the apparatus according to the invention.
The piercing voltage measuring apparatus of FIG. 1 is only one of the possibilities of realization of the present invention, which can be the object of many different circuits. For example, two additional arrangements of the apparatus according to the invention are shown in Figures 2 and 3 of the drawings. In these latter figures, the emitter and collector contact subassemblies 34 and 36, respectively, the power source 80 for coils 480 and 48E, and the transistor placement jig 38 all shown in Figure 1, have has been omitted for the sake of simplicity and only the diagrams of the piercing voltage measurement circuits of the invention are shown.
However, these contact subassemblies are preferably also used in combination with the novel measuring circuits of Figures 2, 3 in order to establish the necessary connections with the elements of the transistor to be tested. In con-
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In sequence, the appropriate reference indices of Figure 1 have been used to designate the points at which the elements, of the circuits of Figures 2 and 3 are connected respectively to the emitter contact probe 44E, to the collector contact probe 44C and through 30 of Figure 1.
Referring more particularly to the arrangement of Figure 2, it will be seen that the latter differs from that of Figure 1 on two points only, namely the fact that the battery 108, connected in the circuit of emitter of Figure 1, has been eliminated and the terminal of resistor 96 connected in Figure 1 to the positive pole of battery 108 is connected, in the arrangement of Figure 2, directly to a point at the potential of reference.
From this point of view, it has been found that, in the case of the embodiment of Figure 1, as long as the resistor 96 has a value significantly lower than the input resistance of the recording voltmeter 98, preferably being a tenth or less of this input resistance, the voltmeter 98 indicates directly and precisely the piercing voltage of the transistor 10,
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention which is particularly useful when the quantity to be measured is a function, but not necessarily equal to it, of the piercing voltage of the transistor. Such a quantity may, for example, be the deviation of the piercing voltage of the transistor from a predetermined voltage.
In the arrangement shown in Figure 3, the structure for providing the reverse bias voltage greater than the piercing voltage for the collector electrode 16 and the structure for providing a conduction bias current. to the emitter electrode 14 are identical, respectively, to the corresponding structures in Figure 1. However, the apparatus in Figure 3 further comprises a second potentiometer 112 which has a movable contact 114 and is connected in parallel with it. battery 100. Movable contact 114 is connected in series with recording voltmeter 98, the other terminal of which is connected to the junction of mieroammeter 110 and resistor 96, as in previous embodiments.
To measure the value of the voltage applied to the recording voltmeter 98 by the potentiometer 112, a voltmeter 116 is connected between the movable arm 114 and the semiconductor body 12.
In operation, the position of the movable contact 114 can be adjusted, with the aid of the voltmeter 116, so that its potential is equal to the potential of the collector electrode 16. Under these conditions, the applied potentials. voltmeter 98 are the same as those applied in the arrangement of Figure 1 and the effective piercing voltage is again indicated by voltmeter 98. However, by changing the position of movable contact 114 from the aforementioned position , the potential applied to the voltmeter 98 can be changed by a known amount from the potential of the collector electrode 16. Such a variation causes the recording voltmeter 98 to indicate a voltage which differs from this piercing voltage by this known amount. .
Consequently, when it is desired to measure the variation of the piercing voltage of the transistor under test with respect to a predetermined optimum value, it suffices to adjust the movable contact 114 of the potentiometer 112 so that its potential or less than the collector potential by an amount equal to said predetermined value.
Although each of the three circuits described above are particularly suitable for measuring the piercing voltage of transistors having n-type semiconductor bodies, the apparatus according to the invention is in no way limited to the measure the piercing voltages of these types of transistors only. On the contrary, the apparatus according to the invention can be instantly adapted to the measurement of the piercing voltage of transistors having p-type semiconductor bodies, by simply reversing the polarity of each battery and measuring device included in it. the device. Further, although in the particular examples above, the transistor has been described as having a germinal body.
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nium, this body can of course be made of silicon or some other suitable semiconductor material.
Further, although the transistor whose piercing voltage is to be measured is described particularly in the above description as being a surface barrier type transistor, it should be understood that the apparatus according to the invention is also capable of measuring the piercing voltages of other kinds of transistors, for example alloy junction and growth junction transistors which have as emitter and collector elements first and second Straightening junctions placed on opposing surfaces of a semiconductor body.
In addition, although the voltmeter 98 has been shown in each example as a recording voltmeter, it obviously does not have to be absolutely of the recording type but can instead be a needle indicating voltmeter or a voltmeter using n any other form of indication which is suitable for the particular application envisaged. Further, although in the preferred embodiments the reverse bias voltage applied between the collector electrode and the semiconductor body has a substantially constant value, it is not essential that this voltage is thus constant.
For example, the reverse bias voltage can take the form of unidirectional pulses having a maximum amplitude significantly exceeding the piercing voltage of the transistor. Such a pulsating voltage can be supplied by a simple device (not shown) which, for example, can comprise an AC voltage source whose amplitude exceeds the piercing voltage of the transistor to be tested and a rectifier and a resistor connected in series l 'one with the other and bypassing said source. A suitable unidirectional voltage is then produced across the resistor. When such a pulsating voltage is used as a collector to base or emitter to base voltage, the recording voltmeter will preferably be a peak-to-peak reading instrument.
Further, although in each of the above embodiments the reverse bias voltage greater than the piercing voltage is applied between the collector electrode and the semiconductor body, this reverse bias voltage can also be applied between the collector electrode and the semiconductor body. be applied between the emitter electrode and the body. In such a case, the collector electrode of the transistor is, according to the invention, either supplied with a low conduction bias current by means of resistive means, or connected by these means directly to the electrode of conduction. base of the transistor.
With such an arrangement, the recording voltmeter can be connected directly between the emitter and collector electrodes, as shown in Figures 1 and 2, or it can be connected in series with the collector electrode and a source. of voltage having an amplitude which is in a known relation to that applied to the emitter electrode, as shown in Figure 3.
It should be understood that the present invention is in no way limited to the above embodiments and that many modifications can be made thereto without departing from the scope of the present patent.
CLAIMS.
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