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Verfahren und Einrichtung zur Messung der Durchbruchsspannungen (z.
B. Lawinendurchbruchsspannungen) von Dioden und Transistoren und der Berührungsspannung
von Transistoren.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung
der Durchbruchsspannungen (z. B. Lawinendurchbruchsspannungen) von Transistoren,
bzw. Dioden und der Berührungsspannung von Transistoren durch automatisch einstellende,
unmittelbare Ablesung der zu messenden Werte mit Hilfe der Impulsmethode
Die
Prüfung der Zuverlässigkeit der Lebensdauer von Halbleitern auf Grund der Messung
der Durchbruchs-und Berührungsspannungen war bis jetzt nicht bekannt.
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Dieser physikalische Zusammenhang wurde in der Fachliteratur im Artikel
Influence of non uniform basewiS h on transistor f ailurees"Proceding IEEE-Vol.51.No.1,
1963, Page 229, oder KOCSIS: "Zusammenhang zwischen inhomogener 3asisdicke und Zerstörung
des legierten Transistors", Tungsram Techn.
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Mitteilungen No. 8 Jan. 1963S behandelt.
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Die Erfindung verfolgt dcn Zweck, auf Grund der bcschriebenen Erkenntnis
ein solches Ver ahren und eine solche Einrichtung vorzuschlagen, das und die ermöglicht,
die hinsichtlich der Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Halbleitergeräte wichtigen
Qualitätsmerkmale bei der industriomässigen Herstellung der Halbleitergeräte mit
einem einfachen Messvcrfahren bestimmt werden.
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Man verwendet zur Messung der Durchbruchsspannungen von Transistoren
und Dioden gewöhnlich die Impulsmethode ; bei dicser Mcthode werdin im allgemeinen
Impulse der Breite von 10-50/usec und der Frequenz von 50-100 Hz an die Klemmen
der zu prüfenden Geräte gegeben. Mit dieser Methode will man erreichen, dass die
durchschnittliche Disspation niedrig bleibt, also die schädliche Erwärmung des zu
prüfenden Gerätes vermieden wird.
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Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Messung von Durchbruchsspannungen
(z.B. Lawinendurchbruchsspannungen
) von Transistoren und Dioden
und zur Messung von Berührungsspannung von Transistoren mit Impulamethode. Die Erfindung
liegt darin, dass die Regelung des, die zu den erwähnten Messungen notwendigen Impulse
lieferndcn Generators bei der Messung der Lawinendurchburchsspannungen mit cinem,
infolge der Wirkung der Messimpulse rückkoppelnden Stromkreis, wobei mit vom tuber
den zu messenden Transistor bzw. über die Diode fliessendon Strom hervorrufenden
Impulsen, bei der Messung der Berührungsspannung mit Hilfe der zwischen dom frcien
Ausgang des zu messenden Transistors und zwischen dem Ausgang der Basis infolge
der Mossimpulse entstehenden Spannungsimpulse erfolgt, wodurch die Amplitude der
Messimpulse auf den, vom zu messenden Transistor oder von der zu messenden Diode
bestimmten Wert eingestellt wird, welcher Wert dann mit einem entsprechenden Gerät
gemessen wird.
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Die zur Durchführung des crfindungsgomässen Verfahrens dicnende Einrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass an das zu messende lomont einerseits der Ausgang
des die Messimpulse liefernden Impulsgenerators, andererseits der zur Messung der
Impulsamplitude geeignete Stromkreis und der Eingang des Roglerstromkreises angeschlossen
ist, der Ausgang des Roglerstromkreises an die Reglerklemme des Impulsgencrators
angeschlossen ist, weiterhin, dasc der Impulsgcncrator einen geerdeten Messwiderstand
hat.
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Um die Erfindung leichter zu verstehen, werden die bei der Messung
von Lawinendurchbruchs-und Berührungsspannung üblichen Messchaltungen, dann das
Verfahren nach der Erfindung, bzw. der Aufbau und die Funktion der zur Durchführung
des Verfahrens dienenden Einrichtung im Zusammenhang cincs Ausführungsbeispiels
mit Hilfe der Abbildungen erklart. Von den Abbildungen zeig' Fig. 1 die zur Messung
der Spannung BVCBo verwendete Schaltung, Fig. 2 das Diagramm der Aenderung der Spannung
BVCBo, Fig. 3 die zur Messung der Spannung BVCEO verwehdete Schaltung, Fig. 4 die
zur Messung der Spannung BVCER verwendete Schaltung, Fig. 5 das Diagramm der Spannungen
BVCBo, BVCEo und BVCER, Fig. 6 die zur Messung der Spannung BV verwendete Schaltung,
Fig. 7 die zur Messung der Berührungsspannung, Fig. 8 das Diagramm der Spannung
Up Fig. 9 das allgemeine Blockschema der Einrichtung nach der Erfindung, Fig. 10
das Blockschema einer als Beispiel angeführten Ausfiihrungsform der Messeinrichtung
nach der Erfindung, Fig. 11 den Schaltplan eines Ausführungsbeispiels dieser Messeinrichtung.
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Wie es bekannt ist, kann eine Spannung von vier verschiedenen Werten
in Verbindung mit der Lawinendurchschlagerscheinung bei den Transistoren gemessen
werden undzwar : 1)-In dem Falle, wenn IE = 0 ist, ergibt die Lawinendurohbruchsspannurg
der Kollektorbasisdiode des zu messenden Transistors 1 die Sp. nnung BVCBo. Die
hierzu verwendete Messschaltung ist in der Fig. 1 zu sehen.
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Die Kollektorspannung kann auch bei Erhöhung der Spannung U nicht
höher sein, als die Lawinendurchbruchsspannung. Die Messung der Lawinendurchbruchsspannungen
ist in der Praxis edtch nicht einfach, da der Kollektorstrom (siehe Fig. 2) auch
schon bei einer um 20-40 V niedrigeren Spannung als BVCBo im Vergleich zum Wert
der niedrigen Spannung bedeutend ansteigt.
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Der Wert von BYCBo kann folgendermassen berechnet werden : 'BOBo-88..b°'M.
wobei g b der spezifische Widerstand der Basisschicht in Ohm cm ist.
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Die Gleichung bezieht dich auf einen Kollektorstrcm von 100 mA. Bei
der Messung der Durchbruchsspannung geht man also dann richtig vor, w3nn die Messungen
immer bei der gleichen Stromstärke durchgeführt werden.
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Die bei dieser Schaltung zu messenden Spannungen
sind
im allgemeinen im Bereich von 60-300 V.
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. 2)-Die Messung der Spannung BVCE@ ist nach der Schaltung in Fig.
3 durchzufuhren. BVCEo kannansonsten aus BVCBo folgendermassen berechnet werden.'
wobei der Wert des Gleichstromverstärkungsfaktors auf die Schaltung mit geerdeter
Basis bezogen ist.
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Die zu messenden Spannungen sind im Bereich von 25-45 V.
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3)-Die zur Messung der @pannung BVCER dienende Schaltung ist in Fig.
3 zu sehen. Die zu messende Spannung muss bei R = # mit BVCEo übereinstimmen. Die
Kennlinien der zu den erwähnten drei Fällen gehörenden Kollektorstrom-Kollektorspannung
stellt Fig. 5 dar.
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4) - @ie Messung der Spannung BVCms erfolgt nach der in Fig. 6 dargestellten
Schaltung. Diese Spannung stellt ansonsten den zu R = 0 gehörenden Grenzfall BVCER
dar.
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Es ist wichtig zu bemerken, falls die Beriihrungespannung (Vpt) (punch-through)
kleiner als BVCES ist, dann kann die Berührungsspannung mit dieser Schaltung gemessen
werden. Diese ieise der Messung der Berührungsspannung kann jedoch zu Irrtümarn
fuhren. Bei der Messung der Berührungsspannung auf diese iveise wird erst BVCBo
derart gemessen, dass die E'mitterklemcle abgeschaltet wird, dann nach dem Ablesen
der Spannung wieder zurückgeschaltet wird.
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Wenn Vpt kleincr als BVCBo ist, dann sinkt der vom Voltmeter angezeigte
Wert auf Vpt. In der Tatsache kann man auch dann das Absinken der Spannung feststellen,
wenn Vpt = BVCBo ist, da die beim Kurzschliessen der Emitter-und Basisklemmen auf
die Schaltung nach Fig. 6 bezogene Lawinendurchbruchsspannung BVCES ist. Diese Spannung
ist jedoch immer niedriger (etwa um 5-15 Y) als BVCBo. Bei dieser Messung kann es
also vorkommen, dass die Berührungsspannung - mit BVCES verwechselt - mit einem
grossen Fehler gemessen wird.
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Deswegen wurde die, bzw. das in Fig. 7 dargestellte Schaltung bzw.
Prinzip bei der genauen Messung der Berührungsspannung bei der Einrichtung nach
der Erfindung verwendet. Auf den Kollektorbasisübergang eine Vorapannung mit t Uc-Sperrichtung
geschaltet, kann die Breite der entleerten Schicht aus der Formel
errechnot warben.
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In dem Falle, wenn der Rand der entleerten Schicht den Emitterübergang
erreicht, geraten der Kollektor und der Emitter in dynamischen Kurzschluss miteinander.
Dann ist
wobei Vpt die sogenannte Berührungsspannung und Wm die minimale Basisdicke ist.
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Solange Uc Vpt ist, solange ist X B dem sogenannten Diffusionspctential
von einigen Zehntel V gleich. Dieser Wert kann durch die Oborflächenübergänge noch
ein wenig erhöht werden, er bleibt jedoch bei guten Transistoren im allgemeinen
unter 1 V.
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Wenn Uc grösser wird als die Berührungsspannung, so steigt UEB plötzlich
an. Der zum Knickpunkt der Kunkticn nach Fig. 8 gehörende Abszissenwert stellt die
Beriihrungsspannung V dar.
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Das Verfahren und die Einrichtung nach unserer Erfindung fuhrt die
schon beschriebenen Messungen mit der Impulsmethode durch. Das Messprinzip wird
an Hand des in Fig. 9 zu sehenden Blockschemas, bzw. mit Hilfe des Blockschemas
der-in Fig. 10 dargestellten, als Beispiel angeführten Ausführungsform erklärt.
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Das Verfahren beruht darauf, dass die Regelung des, die zu den Messungen
notwendigen Impulse herstellenden Generators, mit Hilfe der durch diese Impulse
in dem zu messenden Transistor, bzw. durch den, durch die Diode fliessenden Strom
hervorgerufenen Impulse , (bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen), bzw.
mit Hilfe der durch diese Impulse zwischen der frein Klemme des zu messenden Transistors
(im Beispiel der Emitter) und zwischen der Klemme der Basis hervorgerufenen Spannungsimpulse
(bei der Messung der Beriihrungsspannung) erfolgt.
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Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung hat einen
solchen Aufbau, dass in den Stromkreis
7 des zu messenden Momentes
einerseits der Ausgang des die Measimpulse gebenden Impulsgenerators 2, andererseits
der zur Messung der Impulsamplitude geeignete Stromkreis 6 und der Reglerstromkreis
3 angeschlossen sind und der Ausgang des Reglerstromkreises mit dem entsprechenden
Punkt des Impulsgenerators 2 verbunden ist.
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Bei der als Beispiel erwähnten Ausführungsform verwandelt der Impulsgenerator
2 die eintreffeaden sinuslinienförmigen Signale-zweckmassig von 50-100 Hz-in Impulse
von 50-100 Hz und gibt dem zu messenden Transistor 1 eine entsprechende Leistung
ab. Der als Maximum abgegebene Strom beträgt in unserem Beispiel 100 mA. Die Spannung
der Impulsamplitude des Impulsgenerators 2 kann durch Aenderung der Speisespannung
der Endstufe geregelt werden. Diese Aufgabe wird vom Reglerstromkreis 3 versehen,
der ermöglicht, die Spannungsamplitude mit Gleichspannung von einigen Zehntel Volt
zu regeln.
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. Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen wird der durch
den zu messenden Transistor 1 bzw. durch die Diode fliessende Strom über den Messwiderstand
4 geleitet. Die erhaltene Spannung wird durch Einschaltung von Gleichrichter-Stromkreisstufen
gleichgerichtet, dann wird die so erhaltene Gleichspannung an den gAng des Reglerstromkrcises
3 geschaltet.
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Auf diese eise-mit Hilfe der Rückkopplung-kann erreich werden, dass
das Mcssystcm immer dic zum durch
den Messwiderstand festgelegten
Kollektrostrom gehöronde Lawinendurchbruchsspannung messen wird. Die Messung der
Spannungsamplitude wird vom Stromkrois 6 durchgeführt.
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Bei der Messung der Berührungsspannung wird die Spannung UEB zurückgekoppelt.
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Hinsichtlich der Schaltungstechnik kann die Messung auf zweierlei
Weise durchgeführt werden: a) Die Amplitude des Impulses hat am Anfang der Messung
bzw. im Moment der Einschaltung des zu messenden Elementes, den Maximumwert und
sie sinkt infolge der Rückkopplung, bzw. der Rcgelung auf den gemessenen Wert ab
(auf den vom Transistor oder von der Diode bestimmten'Wert). b) Der Impulsgencrator
liefert am Anfang der Messung bzw. im Moment der Einschaltung des zu mossenden Elementes
von Null beginnend Impulse mit st4igenden Amplituden, die infolge der iRückkopplung,
bzw.
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Regelung bis zum vom Transistor oder von der Diode bestimmten Wert
ansteigen.
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Der Aufbau einer als Beispiel angeführten Ausführungsform der zur
Durchfiihrung des Verfahrens nach der Erfindung dienenden Einrichtung und deren
Funktion wird ausführlich an Hand des Schaltplanes mit den Bezeichnungen von Fig.
11 wie folgt erklärt: In der Zeichnung wurden die im Blockschema der Fig. 10 verwendeton
Einheiten bzw. Stromkreise mit
Strichlinien begrenzt. Die zu den
Transistoren V1 und V2 gehörende Stufe ist die Diffcrenzierschaltung. Die Transistorstufe
V3 dient als Phasenumkehrstufe und liefert sur Regelung der Endstufe eine entsprechende
Leistung. Die Transistoren V4 und V5 der Endstufe worden mit Hilfe einer Spannung
von +9 V während der Paueen zwischen den Impulsen in Sperrichtung vorgespannt, dadurch
verbessert sich die Wärmestabilitat bedeutend, gleichzeitig sinken die Schaltzeiten.
Die Diode D1 hat die Aufgabe, die Schwingungen negativer Polarität abzuschneiden.
Die Diode D2 und der Kondensator Cl verrichten die Gleichrichtung. Der Transformator
T1 dient zur Herstellung der Spannungsimpulse mit entsprechend grosser Amplitude.
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Der die Transistoren V6 und Vn enthaltende Differentialverstärker
crmöglicht, die Stufe V bis dahin in Sporrotcllung zu halten, bis deren Basisspannung
kleiner ist, als die Basiaspannung des Transistors 6. Diese beträgt etwa-0, 2 V.
Der Rogl rstromkrois regelt mit Hilfe der Transistoren V8 und V9 die Speisespannung
der Endstufe.
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Wenn die Basisspannung von V7 -0,27 V beträgt, 8££net der Transistor
vollkommen und V9 sperrt ab, also wird die am Punkt B1 herrschende Spannung mit
guter Näherung zu Null.
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Zur Betätigung des Differentialverstärkers wird Gleichspannung benötigt,
die von der Gleichrichterstufe 5 geliefert wird.
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Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen ist der Schalter
K1 in abgeschaltetem Zustand.
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Infolge der Wirkung des über den Messwiderstand R = 15 Ohm fliessenden
Stromes-er kann höchstens 100 mA betragen-erhält man Spannungsimpulse mit der Amplitude
von-1, 5 V. Der Transistor T2 dient nur als Phagenumkehrer, zur Regelung werdcn
nämlich Impulse mit negativer Polarität benötigt.
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Die Reglerimpulse werden an die dem Emitter-Polger Stufen V10 und
Vll gegeben, die in der Lage sind, auch einen Strom von 50-70 mA abzugeben. Die
Gleichrichtung erfolgt mit der Diode D3 Die Diode D4 begrenzt die Amplitude der
an den Fingang der Stufe Vll gelangenden Impulse auf 1,5 V.
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Bei der Messung der Berührungsspannung kann es nämlich vorkommen,
dass eine Spa mung von über 200 V im Moment der Einschaltung des Transistors l am
Emitter entsteht. Diese kann einerseits schädlich auf die Str/omkreise wirken, anderorseits
verursacht sie im surückgekeppelten System Schwingungen. Diese letztere verlangsamt
die Messung und deswegen ist es zu vermeiden. Um die Schwingungen zu vermeiden,
wurden die an den Emitter des Differentialverstärkers und an den Kollektor geschalteten
Kondensatoren C2 und C3 verwendet.
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Bei der : essung der Berührungsspannung ist der Schalter K1 cinzuschalten.
In dcm Falle, wenn die Berührungsspannung kleiner ist, als dic Lawincndurchbruchsspannung
dcr Schaltung mit geerdeter Basis :
BVCBo, steuert die Spannung
am Emitter des System solange zurück, solange die Berührung gerade erfolgt. Die
Amplitude der Emitterspannung beträgt etwa 1, 5 V.
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Die Dioden D5 und D6 ermöglichen, dass der Kollektorstrom bei der
Messung der Berührungsspannung auch dann nicht grosseur wird als bei der Messung
der Lawinendurchbruchsspannungen, wenn die Berührungsspannung des zu messenden Transistors
höher ist als BVCBo.
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Im Stromkreis des Impulsamplitudenmessers wurde ein Standardgerät
M1 mit 100 µA verwendet. Da der auf die Impulse bezogene Füllfaktor etwa 1/450 betragt,
fliesst ein Spitzcnstrom von etwa 45 mA über die Diode D7. Mit Hilfe des Transformators
kann es erreicht werden, dass der vom Eingang während der Dauer der Impulse verbrauchte
Strom etwa 3 mA beträgt.
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Dieser kann im Vergleich zu 100 mA schon vernachlässigt werden.
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Der Schalter K hat die Aufgabe, dass er bei der Entnahme des zu messenden
Transistors 1 aus dem Einspannelement die Kollektorspannung abgeschaltet und damit
die Gefahr eines Stromachlages beseitigt.
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Die einzelnen Bauelemente der als Beispiel angefuhrten Einrichtung
sind so berechnet, dass wenn Impulse mit einer Amplitude von weniger als 1-1g V
an den Eingang des Reglerstromkreises 3 gelangcn, dic vom Impulsgenerator 2 gelieferte
Spannung etwa 350 V beträgt.
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Bei der Messung der Lawinendurchbruchs- und Berührungsspannung gelangen
Spannungsimpulse von 1,5 V und negativcr Polarität an den Eingang des Gleichrichterstromkreises
5, welche die Ausgangsspannung des Impu@sgenerators 2 auf den entsprechenden Wert
herabsetzen.
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Der Messfehler der als Beispiel erklärten Ausfiihrungsform des Gerätes
beträgt höchstens -5% und es kann zur Messung einer Spannung von höchstens 300 V
verwendet werden. Die zur Speisung der Stromkreise benötigte Spannung von 26 V ist
zu stabilisieren, die beiden Speisegeräto von 9 V können ohne Stabilisierung sein.
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Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen sind die entsprechenden
Ausgänge des zu messenden Transistors 1 an die Klemmen B und K des Transistoroinspannelemcntes
anzuschliessen, während bei der Messung der Beruhrungsspannung der zu messende Transistor
1 auf die in der Fig. 11 dargestellte Weise angeschlossen wird.