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Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers
aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke Halbleiteranordnungen,
wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl., werden bereits in großem Maße
in der Elektrotechnik angewendet. Ihr Grundkörper besteht meistens aus Germanium,
Silizium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe
des Periodischen Systems. Für ihre Herstellung benötigt man größere Mengen dieser
Halbleitermaterialien von extrem hohem Reinheitsgrad. Es sind bereits verschiedene
Gewinnungs- und Bearbeitungsverfahren entwickelt worden, durch die diese Forderung
weitgehend erfüllt wird. So läßt sich z. B. ein durch Ziehen aus der Schmelze oder
auf eine andere Art gewonnener Halbleiterstab durch sogenanntes Zonenschmelzen in
erwünschtem und benötigtem Maße reinigen. Dabei läßt man beispielsweise vermittels
einer Induktionsspule den Stab an einer Stelle schmelzen und dann diese Schmelzzone
mehrfach iiber die gesamte Stablänge wandern, wobei die Verunreinigungen beseitigt
werden.
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Es ist nun erwünscht, bei diesen oder ähnlichen Verfahren eine Kontrolle
darüber auszuüben, inwieweit das Ziel bereits erreicht wurde. Bei Halbleiterstoffen
ist dies am einfachsten durch eine Widerstandsmessung zu bewerkstelligen, da mit
zunehmendem Reinheitsgrad der spezifische Widerstand des Materials zunimmt. Auch
für andere Zwecke ist es erwünscht, ein einfaches Verfahren zur Widerstandsbestimmung
von Halbleiterkörpern zu besitzen.
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Bisher wurde die Widerstandsmessung mit Hilfe von Gleichstrom durchgeführt.
Der beispielsweise stabförmige Halbleiterkörper wurde an seinen beiden Enden mit
Kontakten für die Stromzufuhr versehen, an diese Kontalue eine Gleichspannung angelegt
und dann mit Hilfe von Meßschneiden und einem Spannungsmesser der Spannungsabfall
in den einzelnen Stababschnitten festgestellt. Dieses Verfahren hat verschiedene
Nachteile. Zunächst einmal wurde durch die Kontaktierung der Stabenden (vermittels
Lötung) eine Verunreinigung dieser Stellen herbeigeführt. Außerdem war es für gute
Kontaktgabe der Meßschneiden erforderlich, die Staboberfläche an den Aufsetzstellen
aufzurauhen. Dabei ist eine Verunreinigung durch das Arbeitsmittel (Schmirgel, Sinterkorund,
Ätzlösung) praktisch nicht zu vermeiden, was wiederum zu einer Verschlechterung
der Eigenschaften des Halbleiters führen kann.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des elektrischen
Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische
Zwecke mit Hilfe der Hochfrequenz-Resonanzmethode, bei der die bei Resonanz eines
Schwingkreises bestehenden Strom- bzw. Spannungsverhältnisse als Maß für den Widerstand
dienen, unter kapazitiver
Ankopplung des Körpers an mindestens zwei Stellen an den
Schwingkreis. Erfindungsgemäß wird der Schwingkreis mit einer nur wenig unter seiner
Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Ankopplungskapazität
des Körpers zur Resonanz gebracht. Man kann beispielsweise zur Durchführung des
Verfahrens eine Einrichtung vorsehen, die zur kapazitiven Ankopplung von stabförmigen
Körpern gabelförmige, im gegebenen Abstand voneinander in der Längsachse des Stabes
angeordnete Anschlußstücke besitzt, wobei der Abstand vom Stab bei mindestens einem
Anschlußstück einstellbar ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besitzt
drei dieser gabelförmigen Anschlußstücke, von denen die beiden äußeren an den einen
geerdeten Pol des Schwingkreises angeschlossen sind und den Stab in vorgegebenem
Abstand aufnehmen, während das innere Anschlußstück an den anderen Pol des Schwingkreises
angeschlossen und in seinem Abstand von dem Stab einstellbar ist, beispielsweise
mit Hilfe eines Exzenters oder einer Schraube.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
einer Materie bekanntgeworden, bei welchem die zu untersuchende Materie einem oder
mehreren Belägen derart gegenübergestellt ist, daß der Verschiebungsstrom überwiegend
durch ein konstantes Dielektrikum und der Leitungsstrom durch die zu untersuchende
Materie verläuft. Der komplexe Wechselstromwiderstand dieser Meßanordnung kann mit
Hilfe der Resonanzmethode bestimmt werden. Die zu untersuchende Materie (Gas, Flüssigkeit)
wird in nicht angreifbare Nichtleiter eingebettet oder in diesen geführt, die gleichzeitig
das Dielektrikum gegenüber den Belägen bilden.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Schwingkreises, der mit
einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch
Veränderung der Koppelkapazität zur Resonanz gebracht wird, ergibt sich eine besonders
leichte Einstellbarkeit der Meßeinrichtung. Die bei Halbleiterstäben häufig vorkommenden
Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können das Meßergebnis nicht beeinflussen, da
sie durch den Abgleich mit Hilfe der veränderbaren Koppelkapazität ausgeschaltet
werden. Hierin ist ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen.
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An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert
werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 2 zeigt ein gabelförmiges Anschlußstück, und Fig. 3 zeigt eine Eichkurve.
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Fig. 1 enthält einen Schwingkreis, bestehend aus einem Kondensator
2 konstanter Kapazität und einer Spule 3. Ein Meßgerät 4 dient zur Ermittlung der
Höhe der Schwingkreisspannung. Eine weitere, mit der Spule 3 induktiv gekoppelte
Spule 5 besitzt einen Hochfrequenzanschluß 6. über diese Spule 5 wird der aus der
Spule 3 und dem Kondensator 2 bestehende .Schwingkreis mit einer etwas unter seiner
Resonanzfrequenz liegenden Frequenz fo erregt. Der Schwingkreis ist mit einem Pol
7 geerdet. An diesen geerdeten Pol 7 sind zwei gabelförmige Anschlußstücke 8 galvanisch
angeschlossen, die starr auf einem isolierenden Träger 9 montiert sind. Ein weiteres
gabelförmiges Anschlußstück 10 ist an den anderen Pol des Schwingkreises angeschlossen.
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Der Halbleiterstab 11, dessen Widerstand bestimmt werden soll, wird
mit geringem Abstand in die Anschluß stücke 8 eingelegt. Der geringe Abstand wird
am besten durch eine dünne Kunststoffolie gesichert, in die der Halbleiterstab eingewickelt
wird. Sie dient zugleich als Schutz gegen Verunreinigungen. Zwischen den beiden
Anschlußstücken 8 wird das Anschlußstück 10 angeordnet, dessen Abstand von dem Halbleiterstab
li mit Hilfe einer Schraube 12 einstellbar ist, die in dem Träger 9 geführt wird.
Die Einstellung des Abstandes kann auch mit Hilfe eines Exzenters erfolgen.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist nun folgende:
Durch das Einlegen eines Stabes 11 in die Anschluß stücke 8 wird dem festen Kondensator
2 eine zweite kleine Kåpåzität parallel geschaltet. Diese Kapazität ist durch Verändern
des Abstandes zwischen dem Anschluß stück 10 und dem Stab 11 veränderbar.
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Hierdurch kann die Gesamtkapazität des Schwingkreises so eingestellt
werden, daß er in Resonanz mit der Frequenz f0 kommt. Dies führt zu einem Maximum
des Zeigerausschlages des Meßgerätes 4, aus dessen Größe sich auf die Dämpfung des
Schwingkreises schließen läßt.
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Legt man beispielsweise einen massiven Kupferstab (Widerstand R 0)
in die Anschlußstücke ein, so erhält man ein absolutes Maximum des Zeigerausschlages,
da die Dämpfung praktisch nur aus dem Widerstand der Spule 3 besteht. Die dielektrischen
Verluste der festen Kapazität 2 können bei dieser Betrachtung unberücksichtigt bleiben.
Dagegen zeigt das Maximum bei anderen Widerstandswerten des Stabes 11 einen kleineren
Wert. So läßt sich mit Hilfe von bekannten Widerstandswerten eine Eichkurve aufstellen,
wie sie Fig. 3 zeigt. Mit größer werdendem spezifischen Widerstand Q eines Stabes
von gegebenem
Durchmesser d nimmt der Wert der Resonanzamplitude des Schwingkreises
ab. Mit Hilfe einer derartigen Eichkurve läßt sich dann leicht der Widerstandswert
eines Halbleiterstabes bestimmen; man braucht dazu nämlich nur durch Veränderung
der Koppelkapazität des Stabes den Schwingkreis in Resonanz zu bringen (Maximum
des Ausschlages am Meßgerät 4) und kann dann aus der Eichkurve mit Hilfe des Meßwertes
den spezifischen Widerstand entnehmen.
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Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt vor allem darin, daß
die Oberflächenbeschaffenheit der Halbleiterstäbe, deren Widerstand bestimmt werden
soll, überhaupt keine Rolle spielt. Unregelmäßigkeiten, wie Vertiefungen und Erhöhungen,
Rauhigkeit und Knollen, machen sich nicht bemerkbar, da die Koppelkapazität durch
Einstellung der Resonanz konstant eingestellt wird und praktisch nur die Dämpfung
gemessen wird.
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Die Abmessungen der einzelnen Teile müssen natürlich zueinander in
zweckmäßigem Verhältnis stehen. So wird man beispielsweise den Abstand a der Anschlußstücke
8 (s. Fig. 1) voneinander so klein wie möglich halten, um den Widerstand von Stababschnitten
von möglichst kurzer Länge bestimmen zu können. Man kann dann die einzelnen Halbleiterstäbe,
die meistens über die Stablänge kein gleichmäßiges Widerstands verhalten zeigen,
schrittweise abtasten. Die Größe des Abstandes a ist nach unten natürlich dadurch
begrenzt, daß keine störende Koppelung zwischen dem Anschlußstück 10 und den Anschluß
stücken 8 auftreten darf.
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Der Abstand der Teile 8 und 10 voneinander muß also möglichst um
ein bis zwei Größenordnungen größer gehalten werden als der Abstand zwischen dem
Stab und den Anschlußstücken 8. Die Koppelkapazität zwischen Stab und Anschlußstücken
hängt natürlich in großem Maße von der Anpassung des Radius r (Fig. 2) der Anschlußstücke
an den Durchmesser der Stäbe ab, wie auch von der Breite b der Abstandsstücke.
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Geeignete Werte sind bei spielsweise bei einem Stab von etwa 12 mm
¢ a = 30 mm, r = 7 mm, b = 9 mm.
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Zur Erreichung einer guten Empfindlichkeit der Meßanordnung muß bei
gegebener Koppelkapazität die Arbeitsfrequenz 8 dem zu erwartenden Stabwiderstandsbereich
angepaßt werden. Bei einem spezifischen tNiderstand in der Größenordnung von 1000
Ohm cm verwendet man bei einer Meßanordnung gemäß dem vorangehenden Beispiel beispielsweise
eine Frequenz 0 von 20 MHz.
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Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen des Gegenstandes
der Erfindung minglich. Die im Beispiel beschriebene Einrichtung hat aber insbesondere
noch den Vorteil der leichten Bedienbarkeit.
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Dadurch, daß die beiden äußeren Anschlußstücke 8 an dem geerdeten
Pol des Schwingkreises liegen, ergibt sich eine starke Abschirmung der Stabenden
von dem mittleren Anschluß stück 10, das Potential gegen Erde hat. Die Stabenden
können also mit der Hand berührt oder in geerdete Halterung eingespannt werden,
wie dies beispielsweise bei Einrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen der Fall
ist. Damit sind auch Messungen innerhalb einer solchen Zonenziehapparatur an einem
dort eingesetzten Stabe nzöglich.