DE1201477B - Schaltung zum Ermitteln des Spannungsabfalles an einem Pruefling mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie bei einem vorgegebenen konstanten Strom - Google Patents

Description

• Schaltung zum Ermitteln des Spannungsabfalles an einem Prüfling mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie bei einem vorgegebenen konstanten Strom Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Ermitteln des Spannungsabfalles, der bei einem vorgegebenen konstanten Strom an einem eine nichtlineare Stromspannungskennlinie aufweisenden Prüfling mit einem Widerstand größer als etwa 1 Giga-Ohm entsteht, bei der der Prüfling mit einem als Meßnormal dienenden Vergleichswiderstand in Reihe an einer Meßspannungsquelle liegt und die an dem Vergleichswiderstand abfallende Spannung nach Vergleich mit einer den Stromsollwert darstellenden Referenzspannung als Steuergröße für den konstanten Strom dient.
• Es ist bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden, mit einer ähnlich aufgebauten Schaltung den spezifischen elektrischen Widerstand eines stabförmigen Halbleiterkörpers zu messen. Dabei wird der Widerstand unmittelbar durch ein Meßgerät gemessen. Da es sich um relativ wenige Einzelmessungen handelt, kann dazu ein Spezialinstrument verwendet werden.
• Bei der Erfindung handelt es sich insbesondere um das Problem Prüflinge in großer Stückzahl vorwiegend automatisch zu messen und nach den Meßergebnissen auszusortieren. Dieses Problem tritt z. B. bei der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Dioden und Transistoren, auf.
• Halbleiterbauelemente weisen gewöhnlich nach ihrer Fertigstellung in ihren elektrischen Kenndaten Abweichungen auf. Um bei ihrer Verwendung bestimmte Wünsche bezüglich der Kenndaten berücksichtigen zu können, werden sie nach einem oder mehreren Werten sortiert. Halbleiterdioden werden z. B. gewöhnlich nach der Sperrspannung sortiert. Dazu muß die Sperrspannung aller Bauelemente bei konstantem Strom gemessen werden.
• Das Problem, das bei derartigen Messungen auftritt, besteht in dem geringen Sperrstrom, bei dem gemessen wird. Dieser liegt z. B. in der Größenordnung von 100 nA. Um eine brauchbare Messung zu erhalten, muß gefordert werden, daß der Stromverbrauch des Spannungsmeßgerätes wesentlich unter dem Sperrstrom liegt. Bei 100 nA Sperrstrom darf das Meßgerät z. B. nicht mehr als 1 nA verbrauchen. Da die zu messenden Spannungen häufig über 100 V liegen, muß der Eingangswiderstand des Spannungsmeßgerätes größer als 1011 Ohm sein. Normale Digitalvoltmeter, die zum automatischen Sortieren der Bauelemente geeignet sind, weisen jedoch meist einen Eingangswiderstand auf, der wesentlich unterhalb des obengenannten Wertes liegt.
• Die Erfindung gibt eine Schaltungsanordnung an, mit der es möglich ist, normale Digitalvoltmeter, Drehspulinstrumente oder andere spannungsgrenzwertempfindliche Anordnungen zum Messen von Spannungswerten bei sehr niedrigen Strömen zu verwenden. Dies wird, ausgehend von der eingangs näher beschriebenen Schaltung, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das den zu ermittelnden Spannungsabfall erfassende Meßgerät - im Sinne der Vermeidung einer Belastung des Prüflings - von der Differenz aus der Meßspannung und der Referenzspannung gespeist wird.
• Die weiteren Vorteile und Merkmale zur weiteren Ausgestaltung der Schaltung nach der Erfindung sowie deren Funktion sollen im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert werden.
• Die Schaltung besteht aus einem Prüfling Rx und einem Vergleichswiderstand Rm, die in Reihe an einer Meßspannungsquelle U liegen, einem Spannungsmeßgerät Rs, z. B. einem Digitalvoltmeter, einem Drehspulinstrument oder einem Röhrenvoltmeter, und einer Referenzspannungsquelle Uref.
• Zwischen dem Verbindungspunkt von Prüfling Rx und Vergleichswiderstand Rm sowie dem Verbindungspunkt von Spannungsmeßgerät Rs und Referenzspannungsquelle Uref liegt ein Verstärker V, der mit der Meßspannungsquelle U gekoppelt ist.
• Der Wert des Vergleichswiderstandes R, wird durch die Referenzspannungsquelle Uref und den gegebenen Meßstrom, bestimmt. An dem Widerstand Rrn entsteht ein Spannungsabfall Um = Im Rm. Wenn der Strom Im dem vorgegebenen Meßstrom 1o entspricht, haben die Punkte A und B gleiches Potential.
• Bei Abweichung des Stromes Im vom Meßstrom, entsteht zwischen den Punkten A und B, zwischen denen der Verstärker V liegt, eine Spannungsdifferenz J U = Um - Uref. Diese wird durch die Stromabweichung I 1m = 1o erzeugt. Die Spannungsabweichungen werden durch den Verstärker V verstärkt und zur Regelung der Meßspannungsquelle U ausgenutzt. In der Zeichnung ist das durch eine punktierte Verbindung des Verstärkers mit einem Pfeil durch die Meßspannungsquelle angedeutet.
• Der Vorteil der Schaltung nach der Erfindung besteht besonders darin, daß der Eingangswiderstand des Differenzverstärkers an der gemäß der Erfindung angegebenen Stelle wesentlich kleiner bemessen sein kann, als der Eingangswiderstand des Spannungsmeßgerätes bei einer direkten Messung am Prüfling sein müßte. Dies soll an Hand eines Beispiels näher erläutert werden: Grundsätzlich besteht die Forderung, daß der Strom durch den Verstärker klein gegenüber dem Meßstrom ist. Unter Berücksichtigung der eingangs gemachten Angaben (100pa Meßstrom und 1 nA Stromverbrauch des Meßgerätes) soll der Strom durch den Verstärker 10-21, betragen. Wenn man ferner annimmt, daß die Regelabweichung maximal 10~3Der beträgt, so wird die am Eingang des Verstärkers liegende Spannungsdifferenzd U = 10-3 Uref betragen, während der durch den Verstärker fließende Strom nicht größer als 10-2Im sein darf. Daraus ergibt sich die Ungleichung RD> Uref lO-1Rm.
• 10-21m Bei einer Referenzspannung Uref = 10 Volt und einem MeßstromI0 = 10-7A muß der Eingangswiderstand des Differenzverstärkers RD größer als 10-7 Ohm sein. Derartige Verstärker lassen sich noch verhältnismäßig gut herstellen.
• Der Eingangswiderstand des bei der Schaltung nach der Erfindung benutzten Spannungsmeßgerätes geht dagegen in die Meßgenauigkeit nicht ein, so daß ein handelsübliches Drehspulinstrument oder Digitalvoltmeter benutzt werden kann. Es ist auch möglich, eine spannungsgrenzwertempfindliche Anordnung an Stelle des Meßgerätes einzufügen oder mit diesem zu koppeln. Die Anordnung kann bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte eine Sortier- oder Anzeigevorrichtung steuern. Ebenso brauchen an die übrigen Baulemente für die Schaltung nach der Erfindung keine besonderen Forderungen bezüglich der Genauigkeit gestellt zu werden.
• Als Referenzspannungsquelle verwendet man zweckmäßig eine der üblichen Stabilisierungsschaltungen mit einer Zener-Diode, die an einer Hilfsspannungsquelle liegt.
• Der Vergleichswiderstand Rm kann ein Präzision widerstand sein, es genügt dazu jedoch auch eine der handelsüblichen Widerstandsarten, z. B. ein Metallschichtwiderstand. Um mit einer Schaltungsanordnung Prüflinge bei unterschiedlichen konstanten Strömen messen zu können, können in der Anordnung mehrere umschaltbare Vergleichswiderstände angebracht sein.
• An Stelle der Vergleichswiderstände kann man die Referenzspannung elektronisch umschalten. Beide Möglichkeiten können auch kombiniert werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Schaltung zum Ermitteln des Spannungsabfalles, der bei einem vorgegebenen konstanten Strom an einem eine nichtlineare Stromspannungskennlinie aufweisenden Prüfling mit einem Widerstand größer als etwa 1 Giga-Ohm entsteht, bei der der Prüfling mit einem als Meßnormal dienenden Vergleichswiderstand in Reihe an einer Meßspannungsquelle liegt und die an dem Vergleichswiderstand abfallende Spannung nach Vergleich mit einer den Stromsollwert darstellenden Referenzspannung als Steuergröße für den konstanten Strom dient, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das den zu ermittelnden Spannungsabfall erfassende Meßgerät (Rs) - im Sinne derVermeidung einer Belastungdes Prüflings (Rx) -von der Differenz aus der Meßspannung und der Referenzspannung gespeist wird.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzspannungsquelle in an sich bekannter Weise eine Zener-Diode dient.
3. 3. Schaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsmeßgerät ein Digitalvoltmeter oder ein Drehspulinstrument dient.
4. 4. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine in Abhängigkeit vom Meßwert gesteuerte Prüflingssortiervorrichtung.
5. 5. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichswiderstand (Rm) ein Metallschichtwiderstand dient.
6. 6. Schaltung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vergleichswiderstände, umschaltbar für verschiedene Meßströme, vorgesehen sind.
7. 7. Schaltung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Meßströme die Referenzspannung elektronisch umschaltbar ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Stöckl, Melchior; ))Elektrische Meßtechnik«, Verlagsanstalt G. B. Teubner, Stuttgart, 1956, S. 158 bis 167; R o t h f u s s, Helmut: )>Transistor-Meß-Praxis«, Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1961, S. 55 bis 58; »Rhode & Schwarz-Mitteilungen«, Nr. 4/1953, S. 195 und 196.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 172 370.