DE1123770B

DE1123770B - Arrangement for measuring the service life of the carrier in semiconductor bodies

Info

Publication number: DE1123770B
Application number: DES71917A
Authority: DE
Inventors: Hans Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-01-03
Filing date: 1961-01-03
Publication date: 1962-02-15

Description

Anordnung zur Messung der Trägerlebensdauer in Halbleiterkörpern Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Trägerlebensdauer in Halbleiterkörpern, in der die Fotoleitfähigkeit des Halbleiterkörpers durch Lichtimpulse angeregt und somit ein durch diesen Halbleiterkörper geschickter Strom moduliert wird. Arrangement for measuring the carrier lifetime in semiconductor bodies The invention relates to an arrangement for measuring the carrier life in semiconductor bodies, in which the photoconductivity of the semiconductor body is caused by light pulses excited and thus modulates a current sent through this semiconductor body will.

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung, die gegenüber den bisher geläufigen den Vorzug hat, daß die Trägerlebensdauer nicht an Hand einer an dem Bildschirm eines Oszillographen gewonnenen Kurve besonders ermittelt werden muß, sondern vielmehr unmittelbar ihren entsprechenden Zeitwerten nach an einem Meßinstrument abgelesen werden kann. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zwischen zwei Anschlüssen des Halbleiterprüflings gemessene, durch einen über diese Prüfstrecke geschickten Strom erzeugte Wechselspannung, die sich entsprechend der Anregung der Fotoleitfähigkeit durch die Lichtimpulse und dem Abklingen der Ladungsträgerkonzentration im Halbleiterkörper ändert, über einen Verstärker mit einem verstärkten Wert zwei Brückenschaltungen zugeleitet wird, von denen die eine diese Wechselspannung mittels einer Spitzenwertgleichrichtung und die andere durch eine arithmetische Mittelwertbildung erfaßt und die von den beiden Brücken gelieferten Gleichspannungen einem Quotientenmesser zugeführt werden, dessen Skala unmittelbar in Werten der Trägerlebensdauer geeicht ist. Der durch den Halbleiterkörper geschickte Strom kann von einer Gleichspannungsquelle oder einer Wechselspannungsquelle geeigneter Frequenz, vorzugsweise Hochfrequenz, z. B. zwischen etwa 20 und 80 Megahertz geliefert werden. Bei Benutzung von Hochfrequenz können statt galvanischer Anschlüsse an dem Halbleiterstab auch kapazitive Anschlüsse benutzt werden. Ferner muß bei Benutzung von Hochfrequenz die Meßspannung naturgemäß vor dem Wechselspannungsverstärker demoduliert werden, so daß an dessen Eingang eine Spannung gleicher Kurvenform und Frequenz vorhanden ist wie bei Verwendung eines Gleichstromes. The aim of the invention is an arrangement that compared to the previously common has the merit that the carrier life is not based on one on the screen curve obtained from an oscilloscope must be determined, but rather read their corresponding time values immediately on a measuring instrument can be. This goal is achieved according to the invention in that the between two connections of the semiconductor device under test measured by one over this test section sent current generated alternating voltage, which changes according to the excitation of the Photoconductivity due to the light pulses and the decay of the charge carrier concentration changes in the semiconductor body, via an amplifier with an amplified value of two Bridge circuits is fed, one of which this alternating voltage by means of one peak value rectification and the other by arithmetic averaging and the DC voltages supplied by the two bridges to a quotient meter are supplied, the scale of which is directly calibrated in terms of the service life of the carrier is. The current sent through the semiconductor body can come from a DC voltage source or an alternating voltage source of suitable frequency, preferably high frequency, z. B. be delivered between about 20 and 80 megahertz. When using high frequency Instead of galvanic connections on the semiconductor rod, capacitive connections can also be used to be used. Furthermore, when using high frequency, the measuring voltage must naturally be demodulated in front of the AC voltage amplifier, so that at its input a voltage of the same waveform and frequency is present as when using of a direct current.

Zur näheren Erläuterung einer solchen Anordnung wird auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen. For a more detailed explanation of such an arrangement, reference is made to the exemplary embodiment Referring to Fig. 1 of the drawing.

In dieser bezeichnet 1 den Halbleiterkörper, an welchem die Messung der Trägerlebensdauer durchgeführt werden soll. Hierfür wird über diesen Halbleiterkörper mittels der Leitungen 2 von einer Spannungsquelle ein entsprechender Strom geschickt. In this, 1 designates the semiconductor body on which the measurement the carrier life is to be carried out. For this purpose, this semiconductor body A corresponding current is sent by means of the lines 2 from a voltage source.

Ferner wird der Halbleiterkörper 1 mit Lichtimpulsen beschickt, die durch das Lichtbündel 3 angedeutet sind. Die Anschlüsse 4 und 5 dienen zum Abgreifen der Spannungsänderungen, die durch die Impulse 3 und das Abklingen der Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterkörper 1 entstehen. Die modulierte Spannung zwischen den Klemmen 4 und 5 wird dem Eingang eines Wechselstromverstärkers 6 zugeleitet, der an seinen Ausgangsleitungen 7 und 8 eine entsprechende Ausgangsspannung liefert. Diese wird einmal der einen Diagonale einer Brückenschaltung 9 zugeführt, die in zwei Zweigen die Gleichrichter 10 bzw. 11 und in den beiden anderen Zweigen die Kondensatoren 12 und 13 enthält. Ferner wird die an den Klemmen7 und 8 auftretende Spannung einer zweiten Brückenschaltung 14 zugeführt, die aus den Gleichrichtern 15 bis 18 besteht. Die Ausgangsdiagonale der Brücke 9 ist über die beiden Leitungen 19 und 20 mit zwei Anschlüssen des Quotientenmessers 21 verbunden. Die Brückenschaltung 14 ist über die beiden Leitungen 22 und 23 an zwei andere Anschlüsse des Quotientenmessers 21 angeschlossen. Dieser Quotientenmesser ist an seiner Skala, was nicht besonders angedeutet ist, unmittelbar in Werten der Trägerlebensdauer geeicht, so daß diese als Meßwert an dem Instrument abgelesen werden kann.Furthermore, the semiconductor body 1 is charged with light pulses which are indicated by the light beam 3. Connections 4 and 5 are used for tapping the Voltage changes caused by the pulses 3 and the decay of the charge carrier concentration arise in the semiconductor body 1. The modulated voltage between the terminals 4 and 5 is fed to the input of an AC amplifier 6, which is connected to his Output lines 7 and 8 provide a corresponding output voltage. This will once fed to one diagonal of a bridge circuit 9, which is divided into two branches the rectifiers 10 and 11 and the capacitors in the other two branches 12 and 13 contains. Furthermore, the voltage appearing at terminals 7 and 8 becomes a second bridge circuit 14, which consists of the rectifiers 15-18. The output diagonal of the bridge 9 is over the two lines 19 and 20 with two Connections of the quotient meter 21 connected. The bridge circuit 14 is over the two lines 22 and 23 to two other connections of the quotient meter 21 connected. This quotient meter is on its scale, which is not special is indicated, directly calibrated in values of the carrier life, so that this can be read as a measured value on the instrument.

Durch die an den Ausgangsklemmen des Verstärkers 6 entstehende Spannung wird in der einen Halbwelle über den Gleichrichter 10 der Kondensator 12 aufgeladen und durch die andere Halbwelle der Kondensator 13 über den Gleichrichter 11. Auf diese Weise entsteht an den Enden der Reihenschaltung der Kondensatoren 12 und 13 als Summe der beiden Ladespannungen der Kondensatoren 12 und 13 der gleichgerichtete Spitzenwert der Ausgangs spannung von 6. Due to the voltage generated at the output terminals of the amplifier 6 the capacitor 12 is charged in one half-cycle via the rectifier 10 and through the other half cycle of the capacitor 13 via the rectifier 11. Auf this is created at the ends of the series connection of capacitors 12 and 13 as the sum of the two charging voltages of capacitors 12 and 13 the rectified peak value of the output voltage of 6.

Die Brückenanordnungl4 liefert im Sinne einer normalen Gleichrichterbrückenschaltung die an den Ausgangsklemmen 7 und 8 des Wechselstromverstärkers 6 auftretende Spannung in Form ihres arithmetischen Mittelwerts an der Ausgangsdiagonale mit den Leitungen 22 und 23. The bridge arrangement 14 delivers in the sense of a normal rectifier bridge circuit the voltage appearing at the output terminals 7 and 8 of the AC amplifier 6 in the form of their arithmetic mean on the output diagonal with the lines 22 and 23.

Es wird also eine Größe gemessen, die proportional dem Verhältnis aus dem mittels der Brücke9 gemessenen Spitzenspannungswert und dem mittels der Brücke 14 gemessenen arithmetischen Mittelwert der Ausgangs spannung 6 ist. Die Begründung hierfür wird unten noch näher abgeleitet. So a quantity is measured that is proportional to the ratio from the peak voltage value measured by means of the bridge9 and that by means of the Bridge 14 measured arithmetic mean value of the output voltage 6 is. the The reason for this is derived in more detail below.

In Fig. 2 ist noch ein Kurvenschaubild für die Erläuterung der Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Anordnung wiedergegeben. In dem Schaubild ist die jeweils am Ausgang des Wechselstromverstärkers 6 zwischen seinen Leitungen 7 und 8 auftretende Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit wiedergegeben. Dieses Schaubild veranschaulicht drei SpannungsimpulseI bis III, welche zwischen den Anschlußklemmen 4 und 5 des Halbleiterkörpers als Spannungsabfall durch den über die Leitungen 2 fließenden Strom dann erzeugt werden, wenn der Halbleiterkörper 1 an der Strecke zwischen den Anschlüssen 4 und 5 jeweils mit einem Impuls des Lichtbündels 3 beschickt wird. Nach jedem dieser Lichtimpulse, in dessen Verlauf der Halbleiterkörper durch das einfallende Licht zu einer gesteigerten Trägerpaarbildung angeregt wurde, klingt die Ladungsträgerkonzentration wieder ab; es sinkt also die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers. Demzufolge sinkt auch der zwischen den Anschlüssen 4 und 5 bestehende Spannungsabfall gemäß einer e-Funktion ab, wie es durch die Kurven a bis c angedeutet ist. Mittels der Brückenanordnung9 wird jeweils der Spitzenwert Us entsprechend der Größe der Impulse gemessen. Mittels der Brücke 14 wird der Mittelwert aus den Spannungszeitflächen erfaßt, welche jeweils durch die linke Flanke jedes der Impulse I bis III, die entsprechende der abfallenden Kurven a bis c und die Abszissenachse des Koordinatensystems begrenzt sind. In Fig. 2 is another graph for explaining the mode of operation reproduced an arrangement according to the invention. In the diagram is each occurring at the output of the AC amplifier 6 between its lines 7 and 8 Voltage U shown as a function of time. This diagram illustrates three voltage pulses I to III, which between the terminals 4 and 5 of the Semiconductor body as a voltage drop through the flowing over the lines 2 Current can be generated when the semiconductor body 1 on the route between the Connections 4 and 5 are each charged with a pulse of the light beam 3. After each of these light pulses, in the course of which the semiconductor body passes through the incident light was stimulated to an increased carrier pair formation, sounds the charge carrier concentration decreases again; so it decreases the conductivity of the semiconductor body. As a result, the voltage drop existing between terminals 4 and 5 also decreases according to an exponential function, as indicated by curves a to c. Means the bridge arrangement9 is the peak value Us in accordance with the size of the Pulses measured. The mean value of the stress-time areas is obtained by means of the bridge 14 detected which, respectively, by the left flank of each of the pulses I to III, the corresponding of the descending curves a to c and the abscissa axis of the coordinate system are.

Es folgt nun die obenerwähnte Ableitung des Quotienten UM. The above-mentioned derivation of the quotient UM now follows.

Us Der arithmetische Mittelwert UM der Ausgangsspannung des Wechselspannungsverstärkers ist nach der Fig. 2, wenn mit Q1 diejenige Spannungszeiffiäche bezeichnet wird, welche durch den auf den Halbleiterstab auftreffenden Lichtimpuls erzeugt wird, deren Zeitdauer T1 und deren Höhe Us ist, und mit Q2 diejenige Spannungszeitfläche bezeichnet wird, welche durch das Abklingen der Ladungsträger im Halbleiterstab bestimmt ist während der Zeitdauer T2 mit einem zeitlichen Verlauf der Spannung entsprechend der gezeigten e-Kurve UM - Q1t Q2 T T1+T2 In dieser sind In dem Bereich T2 gilt u = U5 e ", wobei T die zu messende Trägerlebensdauer und t ein Zeitmoment im Zeitraum T2 sind.Us The arithmetic mean value UM of the output voltage of the AC voltage amplifier is according to FIG. 2, when Q1 denotes that voltage area which is generated by the light pulse striking the semiconductor rod, the duration of which is T1 and the height of Us, and Q2 denotes that voltage area which is determined by the decay of the charge carriers in the semiconductor rod during the time period T2 with a time profile of the voltage corresponding to the shown e-curve UM - Q1t Q2 T T1 + T2 In this In the area T2, u = U5 e "applies, where T is the carrier service life to be measured and t is a moment in time in the time period T2.

Es folgt damit für Damit wird der arithmetische Mittelwert der Spannung und der Quotient In dieser Gleichung sind alle Größen bis auf T durch das Meßgerät bestimmt; die Anzeige ist also nur von der Trägerlebensdauer T als der einzigen Variablen funktionsmäßig abhängig, so daß eine entsprechende Eichung der Skala des Quotientenmeßwerkes benutzt werden kann.It thus follows for This becomes the arithmetic mean of the voltage and the quotient In this equation, all quantities except for T are determined by the measuring device; the display is therefore only functionally dependent on the carrier life T as the only variable, so that a corresponding calibration of the scale of the quotient measuring mechanism can be used.

Der Vollständigkeit halber wird bemerkt, daß bei Benutzung der Anordnung nach der Erfindung nach dem Kurvenschaubild der Fig. 2 die Zeit T2 zweckmäßig groß gegenüber der Trägerlebensdauer ist, und zwar T2 gleich etwa 3 bis 6 ist. Ferner soll zweckmäßig T2 etwa gleich 100 bis 1000 T1 sein. For the sake of completeness, it is noted that when using the arrangement according to the invention according to the graph of FIG. 2, the time T2 is expediently large versus carrier life, namely, T2 equals about 3 to 6. Further expediently T2 should be approximately equal to 100 to 1000 T1.

Es kann zweckmäßig sein, die Ausgangsspannung der Spitzenwertbrücke dem Quotientenmesser über einen Gleichstromverstärker zuzuführen, um dadurch eine genaue Anzeige auch bei kurzen Lichtimpulsen zu gewährleisten. It can be useful to adjust the output voltage of the peak value bridge the quotient meter via a direct current amplifier to thereby a to ensure accurate display even with short light pulses.

PATENTANSPROCHE: 1. Anordnung zur Messung der Trägerlebensdauer in Halbleiterkörpern mit Hilfe der Anregung seiner Fotoleitfähigkeit durch Lichtimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer Prüfstrecke des stromdurchflossenen Halbleiterkörpers entstehende Wechselspannung, über einen Verstärker mit einem verstärkten Wert zweiBrückenschaltungen zugeleitet wird, von denen die eine diese Wechselspannung mittels einer Spitzenwertgleichrichtung und die andere durch eine arithmetische Mittelwertbildung erfaßt und die von den beiden Brücken gelieferten Gleichspannungen einem Quotientenmesser zugeführt werden, dessen Skala unmittelbar in Werten der Trägerlebensdauer geeicht ist. PATENT CLAIM: 1. Arrangement for measuring the carrier life in Semiconductor bodies with the help of the stimulation of its photoconductivity by light pulses, characterized in that on a test section of the current-carrying semiconductor body resulting AC voltage, two bridge circuits via an amplifier with an amplified value is fed, one of which this alternating voltage by means of a peak value rectification and the other detected by arithmetic averaging and that of the DC voltages supplied to both bridges are fed to a quotient meter, whose scale is directly calibrated in values of the carrier service life.

Claims

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the peak rectification a bridge circuit is used in which in the two between the endpoints the parallel branches lying on the diagonal of the entrance each have a series connection of one Rectifier and a capacitance with opposite polarity of the rectifier is arranged in the two parallel branches, and that the rectified peak value at taken from the endpoints of the bridge exit diagonal.

3. Arrangement according to claim, characterized in that as a bridge for recording the arithmetic mean value of the alternating voltage, a single-phase Rectifier bridge circuit is used, whose DC poles to the quotient meter are connected.

4. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that that the of the of the Peak value bridge voltage supplied to the quotient meter is fed through an amplifier.

References considered: U.S. Patent No. 2,790 952; "Zeitschrift fürPhysik", Vol. XI, 1959, H. 9, p.351/352; Book by W. Crawford Dunlap, "An Introduction to Semiconductors," New York, 1957, pp. 201/202; "Transistor Technology ", Vol. I, pp. 274 to 28cis