DE1464914B2

DE1464914B2 - Schaltungsanordnung mit direktanzeige des messwertes zum wahlweisen messen der lawinendurchbruchsspannung und der sperrschichtberuehrung bei halbleiterelementen

Info

Publication number: DE1464914B2
Application number: DE19641464914
Authority: DE
Inventors: Miklos Dipl Ing Budapest Kocsis
Original assignee: Egyesult Izzolampa es Villamossagi Reszvenytarsasag, Budapest
Priority date: 1964-01-06
Filing date: 1964-12-17
Publication date: 1971-04-22
Also published as: DE1464914A1; AT261059B; GB1099542A

Description

nungen, bei denen sich z. B. bei einem Transistor die io Basis und Emitter (U_CER),

Kollektorsperrschicht bis zum Emitter hin ausdehnt. F i g. 5 Kennlinie der Spannungen nach den F i g. 1,

Über Durchbruchskennlinien und über das Zu- 3 und 4,

F i g. 6 eine Schaltung zum Messen der Spannung zwischen Kollektor und Emitter bei kurzgeschlosse-

standekommeri des Sperrschichtberührungsdurchbruches gibt die Fachliteratur, z. B. »NTZ«, 1962,

Heft 8, S. 387 bis 393, und »Elektronische Rund- 15 ner Basis-Emitter-Strecke (U_CES), schau«, Nr. 5/1962, S. 221 und 222, nähere Auskunft. F i g. 7 eine Schaltung zum Messen der Sperr

schichtberührungsspannung,

Zum Messen der Lawinendurchbruchsspannung
gibt es verschiedene Schaltungen. So zeigt die genannte Zeitschrift »NTZ« eine Anordnung mit einem
Oszillographen zum Aufnehmen von Kennlinien, die 20
aber nicht unmittelbar absolute Meßwerte anzeigt.
Eine andere Schaltungsanordnung besitzt den Nachteil, daß es sich beim Meßergebnis nicht eindeutig
erkennen läßt, ob es von der Sperrschichtberührungsspannung oder von der Lawinendurchbruchsspannung 25 beispiels.
stammt (USA.-Patentschrift 2 917 710). Eine weitere In Verbindung

Anordnung benutzt ebenfalls einen Oszillographen. Auch dort ist eine unmittelbare Messung nicht möglich, weil eine Vergleichsspannung von Hand eingestellt werden muß.

Bei Messungen, bei denen Betriebsspannungen an das Meßobjekt gelegt werden, ist es bekannt, kurze Spannungsimpulse zu verwenden, um das Meßobjekt nicht unnötig zu erwärmen. Hierzu wird ein Impuls-

F i g. 8 die Kennlinie der Spannung nach F i g. 7

(U_EB),

F i g. 9 das Blockschaltbild der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 10 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, und Fig. 11 das Schaltbild eines anderen Ausführungs-

mit der Lawinendurchschlagerscheinung bei den Transistoren können vier Spannungen gemessen werden, und zwar:

1. Wenn I_E = 0 ist, ergibt die Lawinendurch-30 bruchsspannung, oder kurz »Durchbruchsspannung«, der Kollektorbasisstrecke des zu messenden Transistors 1 die Spannung U_CBo. Die hierzu verwendete Meßschaltung ist in der F i g. 1 zu sehen. Die Kollektorspannung kann auch bei Erhöhung der Spangenerator benutzt,.,.der kurze, sich wiederholende 35 nung U₀ nicht höher sein als die Lawinendurch-Impulse liefert. - bruchsspannung. Die Messung der Lawinendurch-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bruchsspannungen ist in der Praxis jedoch nicht Schaltungsanordnung anzugeben, mit der bei Direkt- einfach, da der Kollektorstrom (s. Fig. 2) auch anzeige des Meßwertes wahlweise die Lawinendurch- schon bei einer um 20 bis 40 V niedrigeren Spanbruchsspannung und die Sperrschichtberührungs- 40 nung als U_CB ₀ im Vergleich zum Wert der niedrigen spannung gemessen werden können. Dies soll mit Spannung bedeutend ansteigt. Hilfe eines Impulsgenerators, dessen Ausgang an
dem zu messenden Element liegt, und eines Umschalters geschehen. Die Erfindung besteht darin, daß
der Ausgang des Impulsgenerators an der Meßanord- 45
nung liegt und eine Regelschaltung vorgesehen ist, wobei g_b der spezifische Widerstand der Basisschicht die die Amplitude des Impulsgenerators beeinflußt in Ohm/cm ist. und bei Messung der Lawinendurchbruchsspannung
mit ihrem Eingang über eine Rückkopplung an den

Ausgang des Impulsgenerators gelegt wird, während 50 bruchsspannung werden also die Messungen immer bei der Messung der Sperrschichtberührungsspannung bei der gleichen Stromstärke durchgeführt, die Regelschaltung an der freien Elektrode des zu Die bei dieser Schaltung zu messenden Spannungen

prüfenden Elementes liegt. - liegen im allgemeinen im Bereich von 60 bis 300 V.

Zweckmäßig wird dem Eingang der Regelschal- 2. Die Messung der Spannung U_CEo ist nach der

tung eine Gleichrichteranordnung vorgeschaltet .wer- 55 Schaltung in Fig. 3 durchzuführen. U_CEo kann aus den. Zum Messen der Lawinendurchbruchsspannung U_CBo folgendermaßen berechnet werden:

kann ferner der Gleichrichter anordnung eine Trans- . ³

formatoranordnung als Rückkopplungspfad vorge- C/_C£o = U_CBo ]/l —a₀,

schaltet werden.

Die Anordnung nach der Erfindung soll besonders 60 wobei a₀ der Wert des Gleichstromverstärkungsfakbei der Serienfertigung von Transistoren Verwendung tors auf die Schaltung mit geerdeter Basis bezogen ist. finden, wo die gemessenen Werte unmittelbar an Die zu messenden Spannungen liegen im Bereich

einem Meßinstrument abgelesen werden müssen. von 25 bis 45 V.

Beide Messungen können unmittelbar aufeinander 3. Die zur Messung der Spannung U_CER dienende

folgen, wobei lediglich ein Umschalter betätigt wer- 65 Schaltung zeigt F i g. 3. Die zu messende Spannung den muß. muß bei R = 00 mit U_CE ₀ übereinstimmen. Die zu

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeich- den erwähnten drei Fällen gehörenden Kollektornungen. In diesen ist strom-Kollektorspannung-Kennlinien zeigt F i g. 5.

Der Wert von U_CBo kann folgendermaßen berechnet werden:

Vc_ß0 = 88-f?_öo.⁶⁴(V),

O/

Diese Gleichung bezieht sich auf einen Kollektorstrom von 100 mA. Bei der Messung der Durch-

4. Die Messung der Spannung U_CES erfolgt nach der in F i g. 6 dargestellten Schaltung. Diese Spannung stellt den zu R = 0 gehörenden Grenzfall U_CER dar.

Falls die Sperrschichtberührungsspannung (U _pt) (punchthrough) oder kurz »Berührungsspannung« kleiner als U_CES ist, kann diese Spannung mit dieser Schaltung gemessen werden, was jedoch zu Irrtümern führen kann. Bei einer solchen Messung der Berüh-

Bei diesem Ausführungsbeispiel verwandelt der Impulsgenerator 2 die eintreffenden sinusförmigen Signale — zweckmäßig von 50 bis 100 Hz — in Impulse von 50 bis 100 Hz und gibt an den zu messen-5 den Transistor 1 eine entsprechende Leistung. Der maximal abgegebene Strom beträgt hierbei 100 imA. Die Spannung der Impulsamplitude des Impulsgenerators 2 kann durch Änderung der Speisespannung der Endstufe eingestellt werden. Diese Aufgabe rungsspannung wird erst U_CBo gemessen, wobei die α ο wird von der Regelschaltung 3 ausgeführt, die die Emitterklemme abgeschaltet wird und nach dem Ab- Spannungsamplitude mit einer Gleichspannung von lesen der Spannung wieder angelegt wird. einigen zehntel Volt regelt.

Wenn U_pt kleiner als U_CBq ist, dann sinkt der vom Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspan-

Voltmeter angezeigte Wert auf U_pt. Man kann so nungen wird der Strom durch den zu messenden auch das Absinken der Spannung feststellen, wenn 15 Transistor 1 bzw. die Diode fließend über den Meß- Upt = U_CB ₀ ist, da diese Spannung beim Kurz- widerstand 4 geleitet. Die erhaltene Spannung wird schließen der Emitter- und Basisklemmen die auf die durch eine Gleichrichteranordnung 5 gleichgerichtet Schaltung nach F i g. 6 bezogene Lawinendurch- und dann an den Eingang der Regelschaltung 3 gebruchsspannung U_CES ist. Diese Spannung ist jedoch legt. Auf diese Weise kann gegebenenfalls mit Hilfe immer niedriger (etwa um 5 bis 15 V) als U_CBo. Da- 20 einer Rückkopplung erreicht werden, daß die Meßbei kann es vorkommen, daß die Berührungsspan- anordnung immer die zum durch den Meßwiderstand nung mit U_CES verwechselt wird, was einen großen
Fehler darstellt.

Deswegen wird die Schaltung nach F i g. 7 bei der genauen Messung der Berührungsspannung bei der Einrichtung nach der Erfindung verwendet. Wenn an den Kollektorbasisübergang eine Vorspannung in t/j-Sperrichtung gelegt wird, kann die Breite der entleerten Schicht aus der Formel

festgelegten Kollektorstrom gehörende Lawinendurchbruchsspannung mißt. Die Messung der Spannungsamplitude erfolgt an der Meßordnung 6.

Bei der Messung der Berührungsspannung wird die Spannung U_EB zurückgekoppelt.

Die Messung kann auf zweierlei Weise durchgeführt werden:

errechnet werden.

Wenn der Rand der entleerten Schicht den Emitterübergang erreicht, geraten der Kollektor und der Emitter in dynamischen Kurzschluß miteinander. Dann ist

a) Die Amplitude des Impulses hat am Anfang der Messung bzw. im Moment der Einschaltung des zu messenden Elementes den Maximalwert und sinkt infolge der Rückkopplung bzw. der Regelung auf den gemessenen Wert ab, der vom Transistor oder von der Diode bestimmt wird.

b) Der Impulsgenerator liefert am Anfang der Messung bzw. im Moment der Einschaltung des zu messenden Elementes von Null beginnend Impulse mit steigenden Amplituden, die infolge der Rückkopplung bzw. Regelung bis zum vom Transistor oder von der Diode bestimmten Wert ansteigen.

wobei U_pt die sogenannte Berührungsspannung und W_m die minimale Basisdicke ist.

Solange U_c U_pt ist, ist U_EB dem sogenannten Diffusionspotential von einigen zehntel Volt gleich. Dieser Wert kann durch die Oberflächenübergänge

noch ein wenig erhöht werden, er bleibt jedoch bei 45 Fig. 10 zeigt Fig. 11, in der die in Fig. 10 in guten Transistoren im allgemeinen unter 1 V. Blockform dargestellten Einheiten durch gestrichelte

Wenn U_c größer wird als die Berührungsspannung, steigt U_EB plötzlich an. Der zum Knickpunkt der Funktion nach F i g. 8 gehörende Abszissenwert stellt

Ein ausführlicheres Schaltbild des Beispiels nach

Umrahmungen angedeutet sind.

Die zu den Transistoren F₁ und F₂ gehörende

Stufe ist die Differenzierschaltung. Die Transistorstufe V₃ dient als Phasenumkehrstufe und zur Regelung der Endstufe. Die Transistoren F₄ und F₅ der

die Sperrschichtberührungsspannung U_pt dar.

Die Schaltungsanordnung wird an Hand der in

den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbej- Endstuf e werden mit Hilf e einer Spannung von + 9 V

spiele erläutert. während der Pausen zwischen den Impulsen in

Die Regelung des Generators, der die zu den Sperrichtung vorgespannt, wodurch sich die Wärme-Messungen notwendigen Impulse liefert, erfolgt mit 55 Stabilität bedeutend verbessert und gleichzeitig die Hilfe der Stromimpulse, die bei der Messung von Schaltzeiten verkürzt werden. Die Diode D₁ schneidet Lawinendurchbruchsspannungen in dem zu messen- die Schwingungen negativer Polarität ab. Die Diode D₂ den Transistor bzw. durch die Diode fließen bzw. und der Kondensator C₁ dienen zur Gleichrichtung, mit Hilfe der Spannungsimpulse, die bei der Messung Der Tranformator T₁ liefert Spannungsimpulse mit der Berührungsspannung zwischen der freien Klemme 60 entsprechend großer Amplitude, des zu messenden Transistors, z. B. des Emitters, Der die Transistoren F₆ und F₇ enthaltende Dif- und der Klemme der Basis hervorgerufen werden. ferentialverstärker hält die Stufe F₇ in Sperrstellung,

Im Kreis 7 des zu messenden Elementes liegt hier- bis deren Basisspannung kleiner als die Basisspan-

bei einerseits der Ausgang des Impulsgenerators 2 nung des Transistors 6 ist und etwa —0,2V beträgt, und andererseits die Meßanordnung 6 für die Impuls- 65 Die Regelschaltung 3 regelt mit Hilfe der Transisto-

amplitude und die Regelschaltung 3. Ferner ist der ren F₈ und F₉ die Speisespannung der Endstufe.

Ausgang der Regelschaltung 3 mit dem Impuls- Wenn die Basisspannung des Transistors F₇

generator 2 verbunden. —0,27 V beträgt, öffnet dieser vollkommen und der

Transistor F₉ sperrt. Die Spannung am Punkt B₁ wird zu Null.

Die Gleichrichteranordnung 5 liefert die Spannung für den Differentialverstärker.

Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen ist der Schalter .K₁ in abgeschaltetem Zustand. Infolge der Wirkung des über den Meßwiderstand 4 (15 Ohm) fließenden Stroms — er kann höchstens 100 mA betragen — erhält man Spannungsimpulse mit der Amplitude von —1,5 V. Der Transistor T₂ dient nur zur Phasenumkehr, da zur Regelung Impulse mit negativer Polarität benötigt werden. Die Regelimpulse werden an die Emitter-Folgerstufen F₁₀ und F₁₁ gegeben, die einen Strom von 50 bis 70 mA abgeben. Die Gleichrichung erfolgt mit der Diode D₃.

Die Diode D₄ begrenzt die Amplitude der an den Eingang der Stufe F₁₁ gelangenden Impulse auf 1,5 V. Bei der Messung der Berührungsspannung kann es vorkommen, daß eine Spannung von über 200 V im Einschaltmoment des Transistors 1 am Emitter auftritt. Diese kann einerseits zu Beschädigungen der Anordnung führen und verursacht andererseits Schwingungen im zurückgekoppelten System. Da diese die Messung verlangsamen, müssen sie vermieden werden. Hierzu dienen die an den Emitter des Differentialverstärkers und an den Kollektor geschalteten Kondensatoren C₂ und C₃.

Bei der Messung der Berührungsspannung ist der Schalter K₁ einzuschalten. Bei geringerer Berührungsspannung als die Lawinendurchbruchsspannung und bei geerdeter Basis wirkt die Spannung am Emitter des Systems so lange zurück, wie die Berührung gerade erfolgt. Die Amplitude der Emitterspannung beträgt etwa 1,5 V.

Die Dioden D₅ und D₆ lassen den Kollektorstrom bei der Messung der Berührungsspannung auch dann nicht größer als bei der Messung der Lawinendurchbruchsspannungen werden, wenn die Berührungsspannung des zu messenden Transistors höher als U_CBo ist.

Zur Impulsamplitudenmessung kann ein Standardgerät M₁ für 100 μΑ verwendet werden. Da der auf die Impulse bezogene Füllfaktor etwa V450 beträgt, fließt ein Spitzenstrom von etwa 45 mA über die Diode D₇. Der Eingangsstrom beträgt etwa 3 mA und kann somit vernachlässigt werden.

Der Schalter K₂ dient zum Abschalten der Kollektorspannung bei der Entnahme des zu messenden Transistors 1 aus dem Einspannelement und damit zum Beseitigen einer Berührungsgefahr. Die einzelnen Bauelemente des Ausführungsbeispiels sind so berechnet, daß bei Impulsen mit geringerer Amplitude als 1 bis 1,2 V am Eingang der Regelschaltung 3 die vom Impulsgenerator 2 gelieferte Spannung etwa V beträgt.

Bei der Messung der Lawinendurchbruchs- und Berührungsspannung gelangen Spannungsimpulse von 1,5 V und negativer Polarität an den Eingang der Gleichrichteranordnung 5, welche die Ausgangsspannung des Impulsgenerators 2 auf den entsprechenden Wert herabsetzen.

Der Meßfehler beträgt höchstens ±5% und zur Messung kann eine Spannung von höchstens 300 V verwendet werden. Die Speisespannung von 26 V ist zu stabilisieren, die beiden Speisegeräte für 9 V können ohne Stabilisierung arbeiten.

Bei der Messung von Lawinendurchbruchsspannungen werden die entsprechenden Ausgänge des zu messenden Transistors 1 an die Klemme B und K des Transistoreinspannelementes gelegt, während bei der Messung der Berührungsspannung der zu messende Transistor 1 auf die in der F i g. 11 dargestellten Weise angeschlossen wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit Direktanzeige des Meßwertes zum wahlweisen Messen der Lawinen-• durchbruchsspannung und der Sperrschichtberührungsspannung bei Halbleiterelementen, insbesondere Transistoren und Dioden, mit Hilfe eines Impulsgenerators, dessen Ausgang an dem zu messenden Element liegt, und eines Umschalters zur Wahl der Art der Messung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Impulsgenerators (2) an der Meßanordnung (6) liegt und eine Regelschaltung (3) vorgesehen ist, die die Amplitude des Impulsgenerators beeinflußt und bei Messung der Lawinendurchbruchsspannung mit ihrem Eingang über eine Rückkopplung (T₂,4) an den Ausgang des Impulsgenerators gelegt wird, während bei Messung der Sperrschichtberührungsspannung die Regelschaltung (3) an der freien Elektrode des zu prüfenden Elementes (1) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang der Regelschaltung (3) eine Gleichrichteranordnung (5) vorgeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Lawinendurchbruchsspannung eine Transformatüranordnung (T₂) der im Rückkopplungspfad liegenden Gleichrichteranordnung (5) vorgeschaltet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen