DE2037089C3 - Verfahren zur Bestimmung der Trägerlebensdauer in Halbleiter-Bauelementscheiben mit mindestens drei Zonen abwechselnden Leitungstyps - Google Patents

Description

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Die elektrischen Eigenschaften vieler Arten von lbleiterbauelementen hängen wesentlich von der tgerlebensdauer im Inneren der Halbleiterscheibe Zu solchen Bauelementen zjthlen insbesondere undiert-legierte Siliziumthyristoren, die aus n-leidem Ausgangsmaterial hergestellt werden. Beim Ferjngsprozeß derartiger Thyristoren fallen zunächst undierte pnp-Scheiben an. Es ist dann erforderlich, die Trägerlebensdauer in diesen pnp-Scheiben zu bestimmen, denn es ist dann zu entscheiden, ob oder inwieweit die Trägerlebensdauer in den folgenden Arbeitsgängen noch zu verändern ist, damit sie beim fertigen bauelement in einem gewünschten Bereich lieg!.

Es ist bekannt, die Trägerlebensdauer in pnp-Scheiben auf die folgende Weise zu bestimmen. Man entnimmt einer Fertigungscharge von pnp-Scheiben einige Proben, stellt aus diesen Proben durcn Abtragen einer p-Zone Testdioden mit nur einem pn-Übergang her und mißt daran die Lebensdauer nach der Injektions-Extraküons-Methode von Kingston (»Proc IRE«, 42 [1954], S. 829 bis 834) oder mit Hilfe der sogenannten Injektionsfolgespannung (»Proc. IRE«, 43 [1955], S. 447 bis 483).

Die Herstellung solcher Testdioden erfordert jedoch viel Zeit, so daß auf das Bestimmungsergebiis ziemlich lange gewartet werden muß, was den MuU der Fertigung behindert. Nachteilig bei diesem Verfahren ist auch, daß aus den Probescheiben keine Thyristoren mehr hergestellt werden können.

Bekannt ist ferner ein Bestimmungs\erfahren, das an Exemplaren einer Transistorstruktur mit Emitter-, Kollektor- und Basisanschluß vorgenommen wird und bei dem die Trägerlebensdauer aus der Alpha-Grenzfrequenz oder durch die Drei-Schicht-Photoleitfähigkeitsmethode bestimmt wird. (»Int. J. Electronics«, 24 [1968], S. 301 bis 316). Auch bei diesem Verfahren müssen, selbst wenn die Exemplare bereits die Transistorstruktur aufweisen, einzelne Zonen zumindest teilweise abgetragen werden.

Die Erfindung lehrt ein Verfahren zur Bestimmung der Trägerlebensdauer in Halbleiter-Bauelementscheiben, insbesondere Silizium-Bauelementscheiben, durch das die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden. Das erfinciiungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf Bauelementscht.bcn mit mindestens drei Zonen abwechselnden Lei'.ungstyps, einschließlich einer hochohmigen inneren Zone, die im folgenden als hochohmige Basiszone bezeichnet ist, bei denen an zwei an je einer Hauptseite der Bauelementscheiben angebrachte, die Hauptseite ganz oder nur zum Teil bedeckende Elektroden eine Gleichspannung mit solcher Polarität angelegt ist, daß von allen pn-{)bergängen der Scheiben nur ein die hochohmige Basiszone begrenzender pn-Ubergäng in der Sperrichtung gepolt ist.

Die Erfindung besteht darin, daß die Bauelementscheiben nach einer Randätzbehandlung zwischen zwei Nontaktieirelektroden eingespannt werden, wobei jede Kontaktelektrode eine Hauptseite ganz oder teilweise bedeckt, daß die so kontaktierten Bauelementscheiben gegen Licht geschützt auf einer Temperatur zwischen SO und 16O⁰C gehalten und an eine Gleichspannung solcher Polarität gelegt werden, daß nur ein pn-Übergüing, und zwar ein die hochohmige Basiszone begrenzender, in Sperrichtung gepolt wird und daßdiese Gleichspannung, nachdem itie etwa 1 ms lang konstant gehalten wurde, von einem Zeitpunkt an exponentiell mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung 100 ms auf Null vermindert wird und der zeitliche Verlauf des durch diese Gleichspannung hervorgerufenen Stromes gemessen wird, und daß die Länge des Zeitabschnittes zwischen dem Zeitpunkt, von dem an die Gleichspannung abfällt, und dem Zeitpunkt des Stromminimums — genannt die Ausschwingzeit — als Vergleichsgröße für die Trfigerlebensdauer verwendet wird, wobei jeweils von einem an Bauelementscheiben

des gleichen Typs vorermittelten Zusammenhang zwischen der Ausschwingzeit und der aus dem zeitlichen Verlauf der Injektionsfolgespannung in bekannter Weise gemessenen Trägerlebensdauer Gebrauch gemacht wird.

Bei diesem Verfahren ist nur wenig Arbeit zur Vorbereitung der Bauejefljentscheiben zur Messung erforderlich, denn es ist nur der Band dieser Scheiben abzuätzen, damit sie eine Spannung von etwa 100 Volt gut sperren. Es wird ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens darin gesehen, daß es zerstörungsfrei ist, daß die zur Bestimmung der Trägerlebensdauer verwendeten Scheiben zu Bauelementen weiterverarbeitet werden können und daß das Verfahren einfach durchzuführen ist.

Schwierigkeiten bei der Anwendung dieses Verfahrens auf Silizium-Bauelementscheiben treten dann auf, wenn die Trägerlebensdauer kurz ist und insbesondere dann, wenn bei einem Teil der Scheiben die kurze Trägerlebensdauer durch zusätzliche Golddiffusion verursacht worden ist, während sich bei dem anderen ao Teil der Scheiben die kurze Trägellebensdauer bei der Eindiffusion von Akzeptoren und/oder Dinatoren ergeben hat. Bei immer gleicher Temperatur zeigen die golddiffundierten Scheiben entweder zu lange Ausschiedenen Scheiben stark unterschiedlich sein kann. Es wurde auch festgestellt, daß bei einer größeren Anzahl von Bauelementscheiben eines Typs die obere Grenze des Temperaturbereiches, in welchem eineAusschwingzeit meßbar ist, von Scheibe zu Scheibe zwar verschieden hoch liegt, aber doch nur um wenige Grad Celsius streut. Es ist daher möglich, eine einheitliche Temperatur festzulegen, die möglichst hoch, aber nicht so hoch liegt, daß eine Ausschwingzeit nicht gemessen ο werden kann.

Nachfolgend wird zunächst die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel an Hand der F i g. 1 bis 7 erläutert. Anschließend folgt eine Darstellung, mit der das Auftreten des erwähnten Stromminimums theoretisch zu erklären versucht wird.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung, mit welcher die Ausschwingzeit gemessen werden kann, sowie je ein Diagramm des an einer Scheibenprobe eingeprägten Spannungsverlaufes und de·. Stromverlaufes;

F i g. 2 zeigt ein Diagramm des Zusammenhanges zwischen der Ausschwingzeit tmd der Trägerlebensdauer;

F i g. 3 zeigt eine Bauelementscheibe mit ps„p-Struktur und veranschaulicht an Hand von drei

schwingzeiten, oder es tritt im Stromverlauf überhaupt 25 Diagrammen a) bis c) den LeiiungsmechanismuE in der kein Minimum auf. Scheibe bei konstanter und abfallender Gleichspan-

Diese Schwierigkeiten können nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch vermieden werden, daß bei Bauelementscheiben eines gleichen Typs, in denen eine kurze Trägerlebensdauer zu erwarten ist, die Zeitkonstante der abfallenden Gleichspannung für jede Scheibe bei jeweils gleichem Konstantwert der Gleichspannung und bei jeweils gleicher Temperatur so eingestellt wird, daß die Scheibe im Stromminimum stromfrei wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ist auch bei anwendungsfertigen, eingehäusten Bauelementscheiben anwendbar, wobei die Gleichspannung über die aus dem Gehäuse herausgebildeten Anschlußvorrichtungen an die Scheiben gelegt wird.

Der Erfindungsgedanke ist durch die experimentelle Beobachtung entstanden, daß bei einer gegebenen diffundierten Silizium-Bauelementscheibe mit pnp-Struktur, an deren beiden äuCeren Zonen eine zunächst bei einem fest eingestellten Wert konstant bleibende und danach mit einer ebenfalls fest eingestellten Zeitkonstante exponentiell abfallenden Gleichspannung gelegt wird, es von der Temperatur der Scheibe abhängt, ob und in welcher Zeit nach dem Beginn des Abfallens

der Spannung der Strom ein Minimum durchläuft und _5G des Stromverlaufes angeschlossen. Die eingespannte daß diese Zeit bei einer in diesem Temperaturbereich je- Scheibe 1 befindet sich in einem abgeschlossenen Geweils gleichen Temperatur von der Trägerlebensdauer
abhängt. Bei zu niedriger Temperatur, z. B. bei
3C⁰C, ist diese Zeit sehr kurz, bei zu hoher Temperatur
hingegen, beispielsweise bei 15O⁰C, tritt kein Minimum ₅₅ der zeitliche Verlauf u(t) der an der Scheibe während auf. An Hand von Untersuchungen, bei denen die des Meßvorg°nges angelegten Gleichspannung uad der Trägerlebensdauer in Bauelementscheiben mit pnp- Verlauf des dabei durch die Scheibe fließenden Stro-Struktur nach einer der obengenannten bekannten mes /(/) dargestellt. Die Spannung u(t) wird unit Hilfe Methode bestimmt und mit jeweils gemessenen Aus- eines Rechteck-Generators und eines ÄC-Gliedes erschwingzeiten verglichen wurden, konnte für Bauele- j₀ zeugt (in F i g. 1 nicht dargestellt). Die Dauer des Rechtmentscheiben jeweils eines Typs ein monoton zuneh- eckgenerator-Impulses beträgt z. B. 2 ms und die inender linearer Zusammenhang zwischen der Aus- Folgefrequenz z. B. 40 Hz. Im Verlauf eines Rechtschwingzeit und der Trägerlebensdauer nachgewiesen eckßenerator-Impulses steigt u(t) zunächst von Nullmit werden. Unter Bauelementscheiben eines Typs sind der Zeitkonstante t_a auf den Wert u an (in F i g. 1 nicht solche Scheiben zu vertierten, die in ihren äußeren Ab- _6j dargestellt). Dabei liegt die durch das ÄC-Glied be·

nung an der Scheibe;

F i g 4 zeigt ein Diagramm a) des zeitlichen Verlaufes des Gesamtüberschusse., an Elektronen im ί,ι-Neutralgebiet der Bauelemenlscheibe sowie zwei Diagramme b) und c) von zeitlichen Stromdichteverläufen in der Bauelementscheibe;

F i g. 5 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen des theoretisch ermittelten Zusammenhanges zwischen der Ausschwingzeit und der Trägerlebensdauer mit dem betreffenden experimentell ermittelten Zusammenhang;

F i g. 6 und F i g. 7 zeigen Scheiben mit/Wn/w-Struktur, an denen durch Messung der Ausschwingzeit auf die Trägerlebensdauer geschlossen werden kann, wenn in der angegebenen Weise Elektroden angebracht sind und die angelegte Gleichspannung die angegebene Polarität hat.

Nach F i g. 1 ist eine zwischen zwei Kontaktierelektroden 2 und 3 eingespannte Si-Bauelementscheibe 1 mit pnp-Struktui in einem aus einer Gleichspannungsquelle 4 und einem StrommeßwidcTstand 5 bestehenden Stromkreis angeordnet. Am Strommeßwiderstand 5 ist eine Vorrichtung zur Registrierung

faß S, das die Bauelementscheibe 1 gegen Lichteinfall abschirmt und das auf einer gewünschten Temperatur # gehalten wird. In F i g. 1 ist neben dieser Anordnung

messungen sowie in der Geometrie und in der Leitfähigkeitsdotierung der einzelnen Zonen praktisch einheitlich sind, während die Trägerlebensdauer in den verstimmte Zeitkonstante l_a in der Größenordnung 100μ* und ist somit klein gegenüber der Dauer des Rechteckgenerator-Impulses, so daß die Spannung u(l) be-

reits 1 ms vor dem Ende des Rechteckgcnerator-lmputses den Wert u erreicht. Am Ende des Rechteckgenerator-Impulses (Zeitpunkt t₀) beginnt die Gleichspannung u{t) mit der Zeitkonstante l_a abzufallen. Der Strom /(/) wird mit Hilfe des Meßwiderstandes S und S mit Hilfe eines Oszillographen, der in F i g. 1 nicht dargestellt ist, gemessen. /(O ist vor dem Zeitpunkt t₀ etwa 1 ms lang konstant, fällt nach dem Zeitpunkt t„ stark ab, durchläuft im Zeitpunkt /_mt» ein Minimum, steigt dann wieder an und fällt schließlich auf Null ab.

Der Zeitabschnitt zwischen den Zeitpunkten I₀ und tmtn wird als die »Ausschwingzeit« Ias bezeichnet, die, wie aus dem Diagramm der F i g. 2 hervorgeht, als Vergleichsgröße für die zu bestimmende Trägerlebensdauer τ herangezogen werden kann. Der im Diagramm der F i g. 2 dargestellte Zusammenhang (as ~ /(t>) ist für Si-Scheiben eines bestimmten Typs, die einen Durchmesser von 30 mm, eine η-leitende Mittelzone mit einer Dicke von etwa 380 μΐη sowie einen spezifischen Widerstand von etwa 1400hm cmund diffun- ao dierte p-leitende Zonen mit einer Dicke von etwa 100 μπι sowie einer Gallium-Oberflächenkonzentration von etwa 5-10^iecm ³ aufweisen, ermittelt werden. Die Ausschwingzeit t.is wurde bei einer Spannung mit einem Konstantwert .v - 50 Volt, die mit einer Zeitkonstante t_a = 100 μιη abfällt, und bei einer Temperatur 0 125 gemessen. Die n-Vergleichswerte wurden an Diodenscheiben mit pnp'-Struktur, die aus den pnp-Scheiben durch Abtragen einer p-Zone und Einlegieren einer Sb-haltigen Au-Folie in die freigelegte n-Mittelzone hergestellt wurden, nach bekannten Injektions-Extraktions-Methode von Kingston mit einem Durchlaßstrom von 5 mA und einem Rückstrom von 1 mA, ebenfalls bei einer Temperatur von 125^CC, bestimmt. Die einzelnen Meßpunkte sind in das Diagramm der F i g. 2 eingetragen. Es hat sich gezeigt, daß bei Dreizonenscheiben mit anderen als die vorangehend angegebenen Eigenschaften und bei denen die Trägerlebensdauer nicht zu klein war. ein ganz ähnlicher annähernd linearer Zusammenhang zwischen tAs und τ» besteht.

Das Auftreten eines Minimums des Stromverlaufes Ht) und die Abhängigkeit der Ausschwingzeit von der Trägerlebensdauer bei fester Zeitkonstante t_a der abfallenden Spannung u(t) kann theoretisch gedeutet werden. Für die theoretische Deutung wird auf die F i g. 3,4 und 5 Bezug genommen. Die in F i g. 3 dargestellte Scheibe 1 hat die Zonenfolge pi, J_n, p2 (ps„p-Slruktur). Dabei bedeuten ρ 1 und pt die äußeren p-leitenden Zonen, s„ bedeutet η-leitende Mittelzone oder hochohmige Basiszone, wobei die Beziehung S_n andeuten soll, daß die Donatorkonzentration in der n-leitenden Mittelzone klein ist gegenüber der mittleren Akzeptorkonzentration der äußeren p-Zonen. Es sind derartige Scheiben mit ps_Bp-Struktur experimentell untersucht worden. Die in den F i g. 3.4 und 5 und im weiteren Text verwendeten Bezeichnungen haben folgende Bedeutung:

χ Ortskoordinatc. S₀

d Dicke der j»-Zone (hochohmige Basiszone),

r₀ bzw. lit) Ort des rechten Randes des s„-Neutralgebistes, zugleich Dicke des s,i-Neutraigebietes*), 6g

'i/) Ort des linken Randes des p2-Neutralgebietes (elektrisch neutraler Teil der Zone p2)*l

R Raumladungszone des pn-Übergangs J₂

[/·„<.ν<r'o bzw. lit)<x<r (O],
Jn-Neutral-

gcbiet elektrisch neutraler Teil der 5_B-Zone

[0 ^ ν g r„ bzw. 0 g χ g /it)],
u₀, n(O Dicke der Raumladungszone R*),
f Zeitkonstante,
/„ Zeitkonstante des Abfalls der Spannung

"{ti

/.i.s Ausschwingzeit,
Beginn des exponentiellen Abfalls der

Spannung u(t),
τ Lebensdauer der Ladungsträger im

Sn-Neutraigebiet,
τ* Lebensdauer der Ladungsträger, gemessen

nach Kingston,
it, ρ Elektronenkonzentration, Löcherkonzen-

tration,

/!„, p₀ Eleklronen-Gleichgewichtskonzentration, Löcher-Gleichgewichtskonzentration
(thermisches Gleichgewicht) im i_n-Ncutralgebiet,

Ih, ·/' Elektronen-Uberschußkonzentration,
Löcher-Überschußkonzentration
(im Sn-Neutralgebiet ist η = η - n₀,

P P - Po)_: α örtlicher Mittelwert v_On π im j„-Neulral-

gebiet,
itn Donatorkonzentration im j«-Neutralge-

biet,

iiR Konzentration der Rekombinationszentren in der /Wn/J-Scheibe,
v(0 definiert dutch Gleichung (13),
z₀, r(0 Gesamtüberschuß an Elektronen im s„-

Neutralgebiet*),
/ Strom in der /tf_n/r)-Scheibe,
je, ip Elektronenstromdichte, Löcherstromdichte, Trägerstromdichte (j~j„ f./_P), /»ir, ipr Elektronenstromdichte, Löcherstromdichte an der Stelle r₀ bzw. r(/),
/.wiif Trägerstromdichte in den Neutralgebieten

der /JSnp-Scheibe.

/V Verschiebtingsstromdichte bei abfaUrnrii-r Spannung h(0.

JRfAt) Generationsstromdichte*),

η Spannung an der />s„/j-Scheibe (Gleichspannung),
j? Wert von.» vor dem exponentiellen Abfall

von μ,
C_n, Cp Einfangkoeffizient für Elektronen,

Löcher des Rekombinationszentrums,
Dp Löcherdiffusionskonstante,
E elektrische Feldstärke,
F Fläche der /Jinp-Scheibe

(Querschnitt parallel zu den pn-Übergängen),
/„ J₂ pn-Übergänge,

q elektrische Elementarladung,
Γ Emitterwirksarnkeit von J₁,
Ff₀ Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials,
H Temperatur der /Wnp-Scheibe.

*) Der Index 0 bezieht sich auf den stationären Zustand (Endphase des Zeitabschnittes, wo /r = ti ist): der zeitabhängige Ausdruck gilt für den Zeitabschnitt (ι > /„). in welchem die Spannung η it) abfällt.

Durch die an der /«„/»-Struktur liegende vorgegebene plementar zuy_n, so daß / längs der pj„/>-Scheibe orts-

ileichspaniiuiig nil) wird der pn-übergang J₁ in unabhängig ist. Im s_n-Neutralgebiet stellt bei einer

)urchiaßrichtung und der pn-übergang J₂ in Sperr- Temperatur zwischen 50 und 16O⁰C die Löcherstrom-

ichtung gepolt. Es kann von den folgenden verein- dichte j_p einen beträchtlichen Antei! der Trägerstrom-

ichenden Voraussetzungen ausgegangen werden. 5 dichte/dar, obwohl im j_n-Neutralgebiet ρ überall klein

1. Der j·. Durchlaßrichtung gepolte pn-übergang J₁ gegenüber n ist. .... hat di«! Emitterwirksamkeit /',_ 1, d. h., durch _r ^lm stationären Zustand ist das ^-Neutralgeb.et als den linken Rand (.v ^ 0) des S_n-Neutralgebietes ganzes ^bc^^llet. ^e'ⁿ Überschußgebiet d. h es .st treten nur Löcher ein Gesamtuberschuß an Elektronen und der Gesamt-

2. An der Raumludungszone R des sperrenden ^Io ^⁵⁰J¹¹¹J ^{an Löch}f^r" größeres Null. Der Gesamtpn-Übcrgung« Λ liegt die gcamte vorgegebene Überschuß z„ an Elektronen im ^Neutralgebiet im Spannung IAt) stationären Zustand ist definiert durch die Beziehung b) In R sind die Elektroncnkon/entration η _Γ()

und die Löcherkonzentration ρ gleich Null, abge- , _ f/\_n^_x n\

sehen von zwei sehr dünnen Grenzschichten, '^{5 i0} J ·

einer linken und einer rechten Grenzschicht, in °

denen η und ρ stetig und monoton auf die Werte _{Es läßt sich 2e}j_geni j_aß

in den angrenzenden Neutralgebieten übergehen.

3. a) Im Sn-Neutralgebiet ist der Löcherstrom ein ^zo ⁼ τGh₀ (2) reiner Diffusionsslrom. ^I0 .. _ _ ...,„,..,

b) Am rechten Rand des 5„-Neulralgebietes, d. h. 8'^·. ^Der GesamtuberschuB an Lochern im j„-Neutral-

an der Stelle r, bzw. r(i), ist ρ - 0. |f'^{et Ist in}J^mer ß^lclch ,Jem Gesamtuberschuß an

4. Die Rekombinalions-Generationsprozesse im *„- ^U*¹™,"!"¹ Y^ne" ^imJ"-^^MTf^etjsl wegen des Neutralgebiet können durch eine Lebensdauer be- Neutralcharakters und wegen der als klein vorausgeschrieben werden, die unabhängig von η, ρ und χ ²* setzten Konzentration #ι_Λ der Rekombinationszentren ist; die Generationsprozesse in R können durch die KocheruberschußKonzentration Ap immer und eine Generationsrate G beschrieben werden. ⁿ£^{ht nu}/ >m stationären Zustand gleich der Elektronen-

Uberschußkonzentration A n.

Es sei nun die Endphase des Zeitabschnittes betrach- Wenn nun die Gleichspannung u(t) an der Scheibe

let, in dem nach dem Spannungs-Zeit-Diagramm der 30 abfällt (/ > I₀), verringert sich die Dicke von w{t) der

F i g. 1 die Gleichspannungi/(/) konstant ist [u(t) ü]. Raumladungszone R, da n(i)eine monotone Funktion

Bei genügend langer Dauer des Zeitabschnittes kon- der an R liegenden Spannung i/(r) ist. F i g. 3 gilt für

stanter Gleichspan ηung kann angenommen werden,daß einen bestimmten Zeitpunkt / > r₀, und es ist darin die

am Ende dieses Zeitabschnittes in der/w_n/>-Scheibe ein Raumladungszone R schraffiert dargestellt, ferner ist

stationärer Zustand herrscht, der folgendermaßen 35 mit gedehnter .v-Koordinate der örtliche Verlauf von

beschrieben werden kann. j (Diagramm b) ind der von j_n sowie der von j_p

In das s_n-Neutralgebiet treten von rechts her Elek- (Diagramm c) dargestellt. Im Inneren von R isty grö-

tronen ein, die in R durch thermische Generation ent- ßer als in den Neutralgebieten. Das kann folgentier-

stehen und durch das positive (d.h. nach rechts ge- maßen begründet werden; In der schrumpfenden

richtete) elektrische Feld £ in Λ zum i„-Neutralgebiet 40 Raumladungszone R fließt ein negativer Verschie-

getrieben werden. Die in das in-Neutralgebiet eingetre- bungsstrom, weil in der Raumladungszone R die elek-

tenen Elektronen rekombiniereri dort sämtlich wegen trische Feldstärke Estetig abnimmt. Es läßt sich zeigen,

der Voraussetzung /' = 1 unter Ziffer 1. Von links her daß die Verschiebungsstromdichte j_c, allgemein defi-

werden Löcher über J₁ in das s_n-NeutraIgebiet inji- niert durch die Beziehung ziert, von welchen ein Teil dort rekombiniert und der 45

andere Teil durch die Raumladungszone R, worin er j_e _ _εΕο " . (3)

durch thermische Generation vermehrt wird, in das 8/

p2-Neutralgebiet fließt. Dieser Leitungsmechanismus . „ . , . „ ..

entspricht dem in F i g. 3, Diagramm a), dargestellten ¹^ iⁿ.^{neren von R} unabhängig von χ ist und daß die

örtlichen Verlauf in der Scheiße der Elektronenstrom- 50 '' ^ezienunß

dichte J_n, der Löcherstromdichte j_p und der Träger- . _ . _ εε₀ du

stromdichte j =j_n +jp. Im ,i?2-Neutralgebiet ist j_n Jc-Jc(O = —— ' ~j W

praktisch Null, weil η im p2-Neutralgebiet vernach- ^v '

lässigbar klein ist. gilt. Da die Summe aus der Trägerstromdichtey unt

In R steigt y"n nach links hin bis auf einen Wert 55 der Verschiebungsstromdichte j_e längs der pi_np-Struk

JRGo ^an· I^m Sn-Neutralgebiet steigt j_n zunächst weiter tür ortsunabhängig ist und in R j_e negativ ist, wahrem

an, denn an der Stille r₀ ist nach der Voraussetzung in den Neutralgebieten j_e vernachlässigbar gering ist

unter Zi.Ter 3 b ρ — 0 und wegen des neutralen Charak- mußy in R größer sein als in den Neutralgebieten. Fer

ters des j_n-Neutralgebietes η gleich der Donatorkon- ner haty an allen Stellen, die einem Neutralgebiet ange

zentralion no- Im rechten Teil des Jn-Neutralgebietes 60 hören, insbesondere an der Stelle r(t), einen nur von de

liegen daher η und ρ unter Ihre.i Gleichgewichtswerten Zeit abhängigen WertyVenKO· £>^εΓ Übergang der Trä

/ic p₀, und es ist dahsr im rechten Teil des s_n-Neutral- gerstromdichte j vom Wertyji_ettt(i) in den Ncutralge

geoietes die Generation von Ladungsträgern stärker als bieten auf einen um den Betrag |/t(r)| höheren Wert ir

die Rekombination. Weiter links im $„-Neutralgebiet Inneren von R vollzieht sich wie es im Diagramm a

liegen umgekehrt η, ρ über It₀, p„, so daß die Rekombi- 65 der F i g. 3 vereinfachend durch Stufen dargestellt lsi

nation überwiegt. Daher fällt J_n nach links hin schließ- in der linken und rechter! Grenzschicht von R. Ac

IL-h ab und an der Stelle χ = 0 (linker Rand des J_n-NeU- F i g. 3 (Diagramm c) geht die Zusammensetzung de

tralßebietes) ist y» = 0 wegen Γ — \.j_p verläuft korn- Trägerstiromdichte j aus den Komponenten j_n und j

hervor, j» ist im pl-Neutralgebiet nahezu Null und nimmt dann in R bis zu einem Wert /«r/U) zu, welcher wegen der schmaler gewordenen Raumladungszone R kleiner ist als der stationäre Wert jna₀· Für die »Generationsstro!tldichte«y_rf.{') gilt die Beziehung

In der sehr dünnen linken Grenzschicht von Λ, die sich unmittelbar an den rechten Rand r(i) des Jn-Neutralgebietes anschließt, fällt /„ nach links um den Betrag I.M0: ^ab. Daher ist die Elektroncnstromdichte an der Stelle r(/)um den Betrag IyV(Z)I kleiner als //.-,.-(Z).Da yV(z) negativ ist, gilt

i»At) -- intAt) ♦ ./VO). (6)

Der steile Abfall von j„ in der linken Grenzschicht von /?, der im Diagramm c) der F i g. 3 durch eine Stufe der Höhe \j_t\ vereinfacht dargestellt ist, bewirkt das »Anschütten« von Elektronen in der linken Grenzschicht von R. Ein derartiges »Anschütten« \on Plcktronen ist zwangläufig mit dem Schrumpfen von R verbunden. Denn beim Schrumpfen von R bewegt sich die Stelle r(t), an der die Konzentration η der Elektronen wegen des Neutralcharakters des Neutralgcbietes gleich der Donatorkonzentration «o ist, nach rechts in ein Gebiet hinein, das vorher im Innern von R lag, worin η 0 war. Die Löcherstromdichte j_p hat an der Stelle /-(Z) einen Wert /V(O, für den nach den Voraussetzungen unter Ziffer 3 die Beziehung

ipr(t) = -qD_p

_r(„

Längs der linken Grenzschicht von R zeigt j_p keinen Anstieg oder Abfall, was im Diagramm c) der F i g. 3 durch eine Stufe darzustellen wäre. Denn nach den Voraussetzungen unter Ziffer 2 b und 3 b ist sowohl an der Stelle i'_K)) als auch im Inneren von R ρ - 0, und es ist die Bewegung der Stelle r(i) nicht mit dem »Anschütten* von Löchern verbunden. In der Raumladungszope R nimmt j_p nach rechts hin durch Generation zu, und fällt dann in der rechten Grenzschicht von R nach rechts um den gleichen Betrag Ui(OI ab wie/n in der linken Grenzschicht von R nach links abfällt. Der steile Abfall von j_p in der rechten Grenzschicht von R, der im Diagramm c) der F i g. 3 durch eine Stufe dargestellt ist, bewirkt das »Anschütten« von Löchern in dieser rechten Grenzschicht, das zwangläufig mit der Bewegung der Stelle r*{z), des linken Randes des p2-Neutralgebietes nach links verbunden ist.

Der in den äußeren Zuleitungen fließende Strom /(/) ist proportional der Stromdichte jxeuAO in den Neutralgebieten der /w_Bp-Struktur; es gilt die Beziehung

/(Z) = F'jseudt). (8)

Da die Stelle i\t) noch zum Ja-Neutralgebiet zu rechnen ist, gilt im besonderen

Mit Hilfe der Gleichungen (9) und (4) bis (7) kann /(Z) zumindest näherungsweise berechnet werden, wenn die Schaltungsparameter fi, ta, ferner die Temperature und geometrische sowie physikalische Parameter der /«»^-Struktur, z. B. τ, G und /iß vorgegeben werden.

Bei den nun folgenden Betrachtungen wird der Einflußder beiden Parameter τ und Guntersucht, wobei alle

ίο

anderen Parameter als konstant angenommen werden Es wird das Verhalten verschiedener Scheiben, die sich nur in der Trägerlcrensdauerr und G voneinandei unterscheiden (Scheibe eines Typs), theoretisch untersucht. Dabei wird angenommen, daß die verschiedenen Scheiben Rekombinationszentren nur einer Art enthalte», deren Konzentration /in von Scheibe zu Scheibe verschieden sein kann. Die Art des Rekombinations-Zentrums ist dabei charaktetisiert durch das Verhältnis

ίο des Einfangkocffizienten c „ für Elektronen bezüglich des r.infanckoeffmenten c_p für Löcher und durch die Lage des hnergieniveaus im verbotenen Band. Dann läßt such zeigen, daß das Produkt τ G für alle Scheiben einen einheitlichen Wert hat. der unter anderem von fl und der Art des Rekoinbinationszcnlrums abhängt, so daß, wenn τ vorgegeben wird, gleichzeitig auch G kon^t.T vorgegeben ist. /ielderfolgendcnBetrachtungen ist die Bestimmung von i(r) während des Abfalls der Spannung u(t) und ferner, wenn in der Kurve /(ζ) ein Minimum auftritt, auch die Bestimmung von Zis in Abhängigkeit \on der vorgegebenen Lebensdauer τ.

Ein Einblick in den !Einfluß \on τ auf den Leilungsmechanismus ergibt sich aus der Betrachtung der

niektroncr.stromdichte J_nAt) an der Stelle /(O (F i g. 3, Diagramme). Je größer τ ist. desto kleiner ist G und desto kleiner ist nach Gleichung (5) die Generalionsstromdichtc /7,-,,(Z). Dagegen hat τ keinen Einfluß auf die Verschiebungsslrorndichte /V(Z). Da /At I negativ ist,

wird

!,,At) intAt) jAt)

bei genügend hohem τ negativ. Das bedeutet, daß am rechten Rand des 5„-N'eutralgebietes die Elektronen

nach rechts (in positiver v-Richtung) fließen, d. h. in derselben Richtung wie der rechte Rand des i„-Neutralgebietes. Das kann folgendermaßen interpretiert werden: Bei genügend hohem τ stammt ein Teil der Elektronen, die in der linken Grenzschicht von R angc-

schüttet werden müssen, aus dem Jn-Neutralgebict, denn es fließen aus dem Innern von R wegen der niedrigeren Gen.erationsrate G zuwenig Elektronen zur linken Grenzschicht von Ä. Das Schrumpfen der Raumladungs/onc bewirkt daher, daß die mittlere Elektronenkonzentration «(/) in dem sich ausdehnenden y„-Neutralgebiet abnimmt, weil wegen der Voraussetzung Γ - ί unter Ziffer 1 aus der Zone ρ 1 keine Elektronen in das J„-Neutralgebiet nachfließen können. Diesem mit der Größe von τ stärker werdenden

Effekt überlagern sich Rekombinations- und Generationsprozesse im J„-Ne«tralgebiet. Ein Überblick über den Verlauf von ή(ζ) ergibt sich durch Berechnung des Gesamtüberschusses an Elektronen :(t) nach (1)

■v¹-"¹·

(10)

In Fig. 4, Diagramm a) ist der berechnete Verlauf

_K ™.ⁿ I^ ^f"^{r ver}schiedcne vorgegebene τ-Werte gezeigt.

Die fur dieses und für die weiteren Diagramme der

Fig. 4 vorgegebenen Werte der Fcitparameter von

.si-Bauelementscheiben entsprechen weitgehend den

Parameterwerten bei den experimentellen Unter-

suchungen, deren Ergebnisse in Fig. 2 dargestellt

S₅ sind Diese vorgegebenen Werte sind: « = 50 V,

-♦ r u ^"^nmaterial sei Silicium, und es zusatzhch vereinfachend angenommen, daß die

11 12

pn-wbergänge abrupt sind; ferner werden einfache Setzungen unter Ziffer 1 und 2a sind dann nicht mehr

Annahmen über die Art des Rekombinaiionszentrums erfüllt.

gemacht, nämlich daß c„ ~ c_p ist und daß das Energie- Im folgenden wird wie bisher angenommen, daß I)

niveau in der Mitte des verbotenen Bandes liegt. Die hoch genug ist. Da im Sn-Neutralgebiet An — Ap isl,

Funktion z(t) ist im stationären Zustand (/ < t₀) 5 gibt die Funktion 2(0 auch Aufschluß über die AnzaTil

durch die Gleichung (2) gegeben und ist von τ unab- der Löcher im Jn-Neutralgebiet als Funktion der Zeit,

hängig, da τ G konstant ist. Wenn die Spannung u(i) Wegen ρ = Ap 4 p₀ und wegen Gleichung (10) und

abfällt U > I₀), wird z(t) bei genügend hohem t negativ (13) gilt nämlich

und nimmt anschließend gegen Null zu. _r(f)

Wegen to fnd··- -(t\ — vdi (\5)

^r('> 0

"^{(/) =} 7(0 i"^{dX (ll) was besa}g¹' ^{daß die} Anzahl der Löcher im j„-Neutral-

ό gebiet proportional [z(t) - y(t)] ist. Aus Gleichung (15)

_jl_t ^₃ 15 und aus F i g. 4, Diagramm a) ergib! sich zunächst ein

' grober Überblick über den zeitlichen Verlauf von

/j == 1/j + n₀ j_pr< zumindest wenn das vorgegeben«: r so hoch ist, daß

J₅₁ das Minimum von z(t) nur wenig über der j^/)-Kurve

liegt./_pr(/)ist zusammen mity_nr(0'ⁿ P ' g-4, Diagramm

_z(t) »ο b) für einen bestimmten vorgegebenen Wert dargestellt.

μ(O = -- 'Ό· (12) Wenn z{l) ein genügend tiefes Minimum durchläuft,

^r* ' dann sind in dem betreffenden Zeitpunkt nur wenig

Löcher im Jn-Neutralgebiet, es können daher nur wenig

Negatives r(0 bedeutet demnach, daß die mittlere Löcher anch R abfließen, und j_pr ist klein, wenn in

Elektronenkonzcntration im i„-Neutralgebiet niedriger as einem späteren Zeitpunkt r(0 und die Anzahl der

ist als im thermischen Gleichgewicht, so daß darin die Löcher im s„-Neutralgebiet wieder zumimmt, nimmt

Generation von Ladungsträgern stärker ist als die auch j_pr wieder zu. Es fällt schließlich aber j_pr gegen

Rekombination. Das starke Absinken der mittleren Null ab, weil das System dem thermischen Gleichge-

Elektronenkonzenlration n(t) wird durch das Schrump- wicht zustrebt, wenn die Spannung m(/) gegen Null

fen der Raumladungszone R und die damit verbundene 30 geht. Eine genaue Berechnung von j_Pr{l) ist schwierig,

Ausdehnung des j„-Neutra!gebietes verursacht, was weil hierzu p(x, I) im .τ,,-NeutraIgebiet bestimmt

einem Verdünnungseffekt gleichkommt. Bei sich an- werden muß, was wegen des sich bewegenden Randes

schließend verlangsamendem Abfallen der Spannung r(t) auf ein kompliziertes Randwertproblem führt. Die

i/(0 und dem sich entsprechend verlangsamendem in F i g. 4, Diagramm b) dargestellte/_pr(f)-Kurve wurde

Schrumpfen von R steigt r(/)infolgederGeneration von 35 durch eine Näherungslösung dieses Randwertproblems

Ladungsträgern wieder an. r(0 durchläuft daher bei ermittelt. Die KurveJ_nAi), die in F i g. 4, Diagrammb)

genügend hohem τ ein Minimum. Dieses Minimum ebenfalls für den vorgegebenen τ-Wert von 95 μ$ darge-

liegt um so tiefer und tritt um so später auf, desto stellt ist, wurde nach den Gleichungen (4), (5) und (61

höher τ ist. Bei höherem r wird nämlich der Verdün- berechnet. Dabei ist vereinfachend der pn-Übergang

nungseffekt stärker, und das Minimum von z(t) liegt 40 J₂ als abrupt angenommen, d. h.. ":s ist angenommen,

deshalb tiefer; es tritt dann auch später auf, da infolge daß die Beziehung

der bei höherem r schwächeren Generation von La- ,,

dungsträgern im i»-Neutralgebiet der Wiederanstieg »«(/) - I -^f° —-— |'² (16)

von r(0 verzögert wird. Die in F i g. 4, Diagramm a) \ q nn )

unten eingezeichnete Kurve y(i) entspricht der Be- 45

Ziehung ε¹'¹· .

V(D - _Por(i). (13) In Fig. 4, Diagramm c) ist

JNeutU) =jnr(l) + jpAt)

Wegen n„ = no 4- P₀ kann mit Hilfe von Gleichung

(13) »7(0 in der Form 50 dargestellt. j.\_eutU) und somit auch r(t) durchläuft eil

Minimum, und daraus ergibt sich für die vorgegeben!

^r(0 ~ yU) , ,,.v Lebensdauer τ (= 95 μβ) eine bestimmte Ausschwing

r{t) ^r " zeit t_As(— 96u.s).

In F i g. 5 sind berechnete t_As-Werte über vorge

dargestellt werden. Da η im j„-Neutralgebiet immer 55 gebenen r-Werten aufgetragen, wobei wie für Fig.'

und an jeder Stelle mindestens gleich der Donator- die oben angegebenen Festparameter zugrunde geleg

konzentration /id sein muß, gilt auch immer n(t) S /r_D wurden. Für kleine τ-Werte (unterhalb etwa 30 μ5

und somit :(t) 5 y(t). Diese Bedingung gilt auch bei existiert keine Ausschwingzeit, weil JNrutU) keil

hohen τ-Werten dann, wenn die Temperatur 0 genü- Minimum durchläuft. Die wesentliche Ursache dafü

gend hoch ist. Im stationären Zustand liegt dann die 60 ist, daß bei kleinen r-Werten die Verringerung voi

mittlere Elektronenkonzentration im J„-Neutra!gebiet H(I) während der Schrumpfung von R so schwach isl

so weit über no, daß auch beim Schrumpfen von R die daß r(/) und j mit) kein Minimum durchlaufen. Be

Bedingung >7(/) δ «d im s_n-Neutralgebiet bestehen- höheren τ-Werten hingegen existieren r^s-Werte. Ir

bleibt. Bei zu tiefer Temperatur d nimm« ή(/) beim τ-Bereich 30. ..50μ5 zeigen die t_As·Werte praktisci

Schrumpfen von R so weit ab. daß die Bedingung 65 keine Abhängigkeit von t, erst oberhalb τ = 50 μ% ei

z(t) >. y(l) nicht mehr erfüllt ist. Es läßt sich zeigen, daß gibt sich ein Anstieg von t_As mit τ. Die experimentell

sich dann die Raumladungszone von J₁ ausdehnt, so Gerade t_As{jt) von F i g. 2 ist in die F i g. 5 übertrage

daß auch J_x in Sperrichtung gepolt wird. Die Voraus- und ist gestrichelt dargestellt. Zwischen der berechne

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ten Funktion UeW und der experimentell bestimmten die in die p-Basiszone 63 eingelassen ist. Die oben· die

Geraden Μβίτ*) besteht eine erhebliche Diskrepanz. p-Emiiterzone 61 begrenzende Hauptseite wird von Dennoch wird das den theoretischen Berechnungen der Elektrode 65 vollständig bedeckt, während die

zugrunde gelegte Modell als grundsätzlich richtig ange- untere Hauptseite an einem an die p-Basiszone «53

sehen. Diese Diskrepanz durfte einerseits auf zu stark 5 angrenzenden Teil von der Elektrode 66 bedeckt v/ird.

vereinfachenden Annahmen beruhen, insbesondere auf Die Emitterzone 64 ist nicht kontaktiert, so daß die

den Annahmen bezüglich des Rekombinationszentrums Vierzonen-Bauelementscheibe als Dreizonen (/«„/>)-

(Cf, = Cp, Energieniveau in der Mitte des verbotenen Bauelementscheibe gemessen wird nil beliebiger PoIa-

Bandes); es ist auch keineswegs gesichert, daß die rität an der die Elektroden 65 and 66 gelegten Gleich- MeÖwerte τ* exakt die Lebensdauer τ wiedergeben, ίο spannung.

Der beschriebene Leitungsmechanismus, der unter F i g. 7 zeigt als weiten Beispiel eine Vierzonenbestimmten Bedingungen zu einem Minimum der Bauelementscheibe 70 mit einer p-Emitterzone 71, Strora-Kurve /(O während des Abfallens der angelegten einer j„-Zone 72 (hochohmige Basiszone), einer p-Ba- Gleichspannung führt, dessen zeitliche Lage von der siszone 73 und einer n-Emitter/one 74, bei der sich Trägerlebensdauer abhängt, ist nicht auf Scheiben mit 15 die drei pn-Übergänge J₁, J. und J₃ über die ganze /«„/»-Struktur beschränkt. Beispielsweise ist der Lei- Fläche der Scheibe erstrecken. Die beiden Hauptseiten tungsmechanismus in Scheiben mit «r_p«-Struktiir völlig der Scheibe sind mit je einer Elektrode (75 und 76) be- dem beschriebenen analog. Allgemein ergibt sich ein deckt. Bei der angegebenen Polung (Elektrode 75 Leitungsmechanismus, der dem beschriebenen völlig positiv, Elekirode 76 negativ) verhält sich die Scheibe oder weitgehend analog ist in Scheiben mit minde- ao wie ein in der positiven Sperrichtung gepolter Thyri- stens drei Zonen abwechselnden Leitungstyp¹-, ein- stör, bei dem die pn-Ubergängc 7, und .A₁ in Durch- schließlich einer hochohmigen Basiszone (s_n oder s_p), laßrichtung und der Übergang J₂ in Spcrriehiur;; gebe ί denen nut ein pn-Übergang, und zwar ein an die polt ist. Es ist dabei vorauszusetzen, daß die anflegle hochohmige Basiszone angrenzender, in Sperrichiung Gleichspannung und die Temperatur nicht so hocr Nind, gepolt ist, wenn an die beiden Hauptseiten eine Gleich- 35 daß der pn-Übergang J_t in die Durchlaßrichtung umspannung geeigneter Polarität gelegt wird, nachdem gepolt wird, die Vierzoncn-Bauelemcntscheibe sich an diese Hauptseiten ganz oder teilweise bedeckende also nicht wie ein durchgcschalteter Thyristor \erhält. Elektroden angebracht worden sind. Auch in derartigen Unter dieser Voraussetzung entspricht der Leitungs- Scheiben kann die Trägerlebensdauer nach dem er- mechanismus weitgehend dem in einei />s₎₍/j-Säicibe. findungsgemäßen Verfahren bestimmt werden, wobei 30 Es werden zwar aus der n-Eniilterzone 74 üb;r den mit der gemessenen Ausschwingzeit /^s die für die pn-Übcrgang J₃ Elektronen in die p-Basiszone 73 inelektrischen Eigenschaften des Bauelementes wesent- jiziert, die zum Teil über den pn-Übergan/ J₂ \n die liehe Trägerlebensdauer in der hochohmigen Basis- j„-Zone 72 gelangen. Dieser eine höhere Au.>scliwhigzone erfaßt wird. zeit als bei der /jj„/?-Scheib<: verursachende Effekt isi

In F i g. 6 ist als Beispiel eine Vierzonen-Bauelement- 35 aber in einem weiten Spannungs- und Tempcrai irbcscheibe60 dargestellt, mit einer p-Emitterzone 61, reich so schwach, daß sich bei der angegebenen Polunc einer 5„-Zone 62 (hochohmige Basiszone), einer p- die /?.s_n/7/7-Scheibc nahezu wie eine /«„/»-Scheibe verBasiszone 63 und einer ringförmigen n-Emitterzone 64, hält.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Trägerlebensdauer in Halbleiter-Bauelementsrheiben, mit min- «Jestens drei Zonen abwechselnden Leitungstyps einschließlich einer hochohmigen inneren Zone (hochohmige Basiszone), bei denen an zwei an je einer Hauptseite der Bauelementscheiben angebrachte, die Hauptseite ganz oder nur zu einem Teil bedeckende Elektroden eine Gleichspannung mit solcher Polarität angelegt werden kann, daß von allen pn-Übergängen einer jeden Scheibe nur ein die hochohmige Basiszone begrenzender pn-Übergang in der Sperrichtung gepolt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelementscheiben (i) nach einer Randätzbehandlung zwischen zwei Kontaktierelektroden (2, 3) eingespannt werden, daß die so kontaktierten Bauelementscheiben gegen Licht geschürt auf einer Temperatur (0) zwischen »o 50 und 160 C gehalten und an eine Gleichspannung m(0 solcher Polarität gelegt werden, daß nur ein pn-Übergang einer jeden Scheibe, und zwar ein die hochohmige Basiszone begrenzender, in Spernchtung gepolt wird und daß diese Gleichspannung, as nachdem sie etwa 1 ms lang konstant gehalten wurde, von einem Zeitpunkt (/„) an exponentiell mit »:iner Zeitkonstante (/_o) in der Größenordnung 100 μ5 auf Null vermindert wird und der zeitliche Verlauf des d -rch diese Gleichspannung hervorgerufenen Stromes (/) gemessen wird, und daß die Länge des ZeitabschrJttes l.vischen dem Zeitpunkt (/„) und dem Zeitpunkt c**5 Stromminimums Onnn) — genannt die Ausschwjngzeit (tjs) — als Vergleichsgröße für die Trägerlebensdauer (τ) verwendet wird, wobei jeweils von einem an Bauelementscheiben des gleichen Typs vorermittelten Zusammenhang zwischen der Ausschwingzeit und der aus dem zeitlichen Verlauf der Injektionsfolge-Spannung in bekannter Weise gemessenen Trägerlebensdauer Gebrauch gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bauelementscheiben (1) eines gleichen Typs, in denen eine kurze Trägerlebensdauer (τ) zu erwarten ist, die Zeitkonstante (/„) der abfallenden Gleichspannung [u(t)] für jede Scheibe (1) bei jeweils gleichem Konstantwert (w) der Gleichspannung [u(0] und bei jeweils gleicher Temperatur (0) so eingestellt wird, daß die Scheibe im Stromminimum stromfrei wird (/ = 0).

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung und Messung der IKusschwingzeit (t_As) bei anwendungsfertigen ein- |ehäusten Bauelementscheiben, wobei die Gleich-Ipannung [u{l)] über die aus dem Gehäuse herausgeführten Anschlüsse an die Scheiben gelegt wird.