DE2164345A1

DE2164345A1 - Vorrichtung zur Messung dynamischer Charakteriöfiken von Halbleiter-Schaltelementen

Info

Publication number: DE2164345A1
Application number: DE19712164345
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Tokio; Tomita Michinobu Musashimurayama Tokio; Tani (Japan). P
Original assignee: KOGYO G; Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: KOGYO G; Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 1970-12-27
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1972-08-10
Also published as: JPS514834B1; US3854092A

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN *> «» f* / <^ / C

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 22 WIDENMAYERSTRASSE 6 TEL. (OBIl) 222530-295192

2J.Dezember I97I Unsere Zeichen: A 417 71/B/gb

Firma KOGYO GIJUTSUIN, 1-3-1, Kasumigaseki, Chiyoda-Ku, Tokyo-To ₃ Japan

und

Firma IWASAKE TSUSHINKI KABUSHIKI KAISHA, 1-7-41, Kugayama, Suginami-Ku, Tokyo-To, Japan

Vorrichtung zur Messung dynamischer Charakteristiken von Halbleiter-Schaltelementen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung dynamischer Charakteristiken von Halbleiter-Schaltelementen, die aus einer Gleichstromquelle mit GIeichsSpannung erregt werden.

Üblicherweise wird eine derartige Messung nur für Forschungszwecke durchgeführt, wobei die Form einer Wechselspannung und die Form eines Wechselstromes von einer zu messenden Probe abgeleitet und auf dem Schirm eines Kiutoden-

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strahloszilloskopes beobachtet und dann davon eine Fotografie gemacht wird. Darauf werden die jeweiligen Werte der Wechselspannung und des Wechselstromes anhand der entwickelten Kopie mit Hilfe eines Maßstabes in gewünschten Abständen unter gleichen Zeitbeziehungen ausgemessen, so daß die erforderlichen Ergebnisse durch Berechnung für die jeweiligen Meßpunkte erhalten und dann in die Bilder eingezeichnet werden können. Es ist also eine lange Zeit erforderlich, um dynamische Charakteristiken eines Probestückes zu erhalten, und es ist das bekannte Verfahren außerordentlich mühsam.

Es ist jedoch die Messung der dynamischen Charakteristiken (z. B. einer Impedanz-Charakteristik, einer Leistungs-Charakteristik oder eines Leistungsmittelwertes) eines erregten Probestückes wichtig bei der Herstellung von Hochleistungs-Thyristoren, um minderwertige Stücke zu ermitteln.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur automatischen Messung und Darstellung dynamischer Charakteristiken von Halbleiter-Schaltelementen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Halbleiter-Schaltelement ein Impulsgenerator verbunden ist, der

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dem Schaltelement wenigstens einen Erregerimpuls zuführt, welcher das Schaltelement leitend macht, daß ein Proben-Impulsgenerator mit dem Impulsgenerator gekoppelt ist, welcher Probenimpulse in Abhängigkeit"von dem Erregerimpuls erzeugt, daß ein erster Proben-Haltekreis vorgesehen ist, der über einen Strommesser mit dem Halbleiter-Schaltelement und dem Proben-Impulsgenerator gekoppelt ist, zur Entnahme von Proben des mit dem Strommesser gemessenen Stromes durch die Probenimplse und zur Speicherung jedes entnommenen Wertes bis zu einem unmittelbar folgenden Probenimpuls zur Erzeugung einer "Entnahme- und Halte-Stromwelle", daß ein zweiter Proben-Haltekreis vorgesehen ist, der mit dem Halbleiter-Schaltelement gekoppelt ist, zur Entnahme von Proben einer am Schaltelement gemessenen Spannung durch Probenimpulse und zum Speichern jedes gemessenen Wertes bis zu einem unmittelbar folgenden Probenimpuls zur Erzeugung einer "Entnahme- und Halte-Spannungswelle", daß ein Rechner mit dem ersten und dem zweiten Proben-Haltekreis gekoppelt ist zur Durchführung notwendiger Berechnungen der "Entnahme- und Halte-Stromwelle" und der "Entnahme- und Halte-Spannungswelle" zu bestimmten Zeitintervallen und daß ein Wiedergabegerät mit dem Rechner zur WMergabe der vom Rechner erhaltenen Ergebnisse gekoppelt ist.

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Das Prinzip, die Konstruktion und die Arbeitsweise der erfindungsgemaßen Vorrichtung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemaßen Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungs· beispiels der Erfindung;und

Fig. 4 Kurvenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. J5.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Probenstück oder ein Muster S eines Halbleiter-Schaltelements (z. B. ein Thyristor) mit einer Gleichspannungsquelle 25 über einen Strommesser 1 verbunden. In diesem ^ Falle ist eine positive Spannung der Anode des Musters zugeführt, während die Kathode des Musters geerdet ist. Der Ausgang des Strommessers 1 ist einem Probengatter 4 über ein Dämpfungsglied 2 zugeführt, während die Spannung an der Anode des Musters S einem Probengatter 4a über ein Dämpfungsglied 2a zugeführt ist. Die Probengatter 4 und 4a entnehmen jeweils die Ausgangswerte der Dämpfungsglieder und 2a aufgrund von Proben-Impulszügen, die von einem Iroben-Impulsgenerator 10 zugeführt werden. Ein Spannungs-Haltekreis

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5 speichert einen Gleichstromwert jedes dem Proben-Gatter entnommenen Wertes bis zu einem unmittelbar folgenden entnommenen Ausgangswert:,während ein Spannungs-Haltekreis 5a. einen Gleichspannungswert jedes von dem Proben-Gatter 4a entnommenen Wertes speichert bis zu einem unmittelbar folgenden entnommenen Ausgangswert. Das Proben-Gatter 4 und der Spannungs-Haltekreis 5 bilden einen Proben-Haltekreis oder Proben-Speicher J5, während das Proben-Gatter 4a und der Spannungs-Haltekreis 5a einen Proben-Haltekreis oder Proben-Speicher j5a bilden. Ein Rechner 12 enthält die jeweiligen Ausgangswerte der Proben-Haltekreise oder Proben-Speicher J und 3a und führt notwendige Rechnungen durch, wie z. B. eine Multipliation und/oder eine Division -usw. Das berechnete Ergebnis des Rechners 12 wird einem WMergabegerät Ij5 zugeführt, was beispielsweise ein Kathodenstrahloszilloskop oder ein X-Y-Rekorder sein kann. Ein Steuerimpuls wird von dem Rechner 12 einem Ünd-Gatter 11 zugeführt und zwar in Abhängigkeit von dem Abschluß der notwendigen Rechenoperationen.

Andererseits erzeugt ein Impuls-Generator 6 Impulszüge 14 und 17 mit gleichen regelmäßigen Intervallen. Der Impulszug 14 wird dem Eingang des Musters bzw. der Probe S

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zugeführt, während der Impulszug 17 einem Sägezahn-Wellengenerator 7 zugeführt wird. Der Sägezahn-Wellengenerator 7 erzeugt eine Sägezahnwelle, die synchron zu dem Impulszug 17 verläuft. Die von dem Sägezahn-Wellengenerator 7 erzeugte Sägezahnwelle wird einem der beiden Eingänge eines verzögerten Impulsgenerators 8 zugeführt. Ein Treppenstufen-Wellengenerator 9 erzeugt eine Treppen- w stufen-Welle, die synchron mit den Impulsen des Uhd-Gatters verlaufen, dem der Ausgang des Probenimpulsgenerators 10 und der Steuerimpuls zugeführt werden.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. soll nun unter Bezugnahme auf einige Diagramme der Fig. beschrieben werden. Wenn die Impulse des Impulszuges leidem Eingang des Probenstückes S zugeführt werden und an die Anode und die Kathode des Probenstückes die Spannung der Gleichspannungsquelle 25 angelegt wird, wird das Probenstück S wirksam. Eine Übergangsstromwelle 16 wird durch den Strommesser 1 gemessen und dem Proben-Gatter k über das Dämpfungsglied 2 zugeführt. Eine Übergangsspannungswelle 15 wird von der Anode des Probenstückes S abgeleitet und dem Proben-Gatter 4a über das Dämpfungsglied 2a zugeführt. Die Pegel der Wellen 14 und 15 werden in geeigneter Weise justiert an den Dämpfungsgliedern 2 und 2a,

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Andererseits erzeugt der Sagezahnwellengenerator 7 eine Sägezahnwelle 18 synchron mit den Impulsen des Impulszuges 17, die von dem Impulsgenerator 6 erzeugt werden. Der verzögerte Impulsgenerator 8 erzeugt die Impulse eines verzögerten Impulszuges 19 in den jeweils zusammenfallenden Zeitpunkten (Überschneidungen) der Sägezahnwelle 18 und der Treppenstufen-Welle 20 des Treppenstufen-Wellengenerators 9· Der Proben-Impulsgenerator 10 erzeugt Probenimpulse, die mit den Impulsen des verzögerten Impulszuges 19 synchronisiert werden. Probenoperationen der Proben-Gatter 4 und 4a werden gleichzeitig durchgeführt durch Verwendung von Proben-Impulsen, die vom Proben-Impulsgenerator 10 zugeführt werden. . Die entnommenen Stromwerte, die aufeinanderfolgend durch Entnahme der Ausgangswerte des Dämpfungsgliedes 2 in Abhängigkeit von den Probenimpulsen erhalten werden, werden aufeinanderfolgend in dem Spannungshaltekreis 5 gehalten bzw. gespeichert, um so eine "Entnahme-und Halte-Stromwelle"22 zu erhalten. Die entnommenen Spannungswerte, die aufeinanderfolgend durch Entnahme der Ausgangswerte degfbämpfungsgliedes 2a in Abhängigkeit von den Proben-Impulsen erhalten werden, werden aufeinanderfolgend gehalten oder gespeichert in dem Spannungshaltekreis oder Span-

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nungsspeicher 5a, um so eine "Entnahme-Halte-Spannungswelle" 21 zu erhalten.

Wenn eine Impedanz-Charakteristik des Probenstückes S aufgenommen werden soll, wird eine Division der "Entnahme-Halte-Spannungswelle" 21 durch die "Entnahme-Halte-Stromwelle" 22 in dem Rechner 12 durchgeführt. Wenn eine Leistungs-Charakteristik des Probenstückes S erhalten werden soll, wird eine Multiplikation der "Entnahme-Halte-Stromwelle" 22 und der"Entnahme-Halte-Spannungswelle" 21 in dem Rechner 12 durchgeführt. Ein Ergebnis der Division ist durch eine Impedanzwelle 23 dargestellt, während ein Ergebnis der Multiplikation durch die Leistungswelle 24 dargestellt ist. Die Impedanzwelle 23 oder die Leistungswelle 24 wird der Klemme für die Y-Achse des Wiedergabegerätes 13 zugeführt, während die Treppenstufenwelle 20 der Klemme für die X-Achse des Widergabegerätes I3 zugeführt wird. Das Widergabegerät I3 zeigt ein gemessenes Diagramm der gewünschten Charakteristik des Probenstückes S. Die Eingangswerte der Wiedergabevorrichtung I3 stehen an den Klemmen 40 und 41 für eine weitere Analyse zu? Verfügung.

Wie oben erwähnt, kann die Übergangs-Impedanzcharakteristik

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und die Übergangsleistungs-Impedanzcharakteristik für ein Muster bzw. Probenstück eines Halbleiter-Schaltelements automatisch gemessen und in der Zeitbasis als dynamische Charakteristiken dargestellt werden. Wenn ein Mittelwert der Leistungscharakteristik gewünscht wird, wird die Leistungswelle 24 durch einen Integrator integriert, der in dem Rechner 12 vorgesehen ist und der eine gewünschte Zeitkonstante besitzt.

Demgemäß können die folgenden Charakteristiken eines Halbleiter-Schaltelements mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht gemessen werden:

a) eine dynamische Charakteristik in einem Einschaltaugenblick, '

b) eine dynamische Charakteristik in einem Ausschaltaugenblick,

c) Änderung der Impedanz bei einem konstanten Strom,

d) Änderung der Impedanz, die hervorgerufen ist durch einen Stromstoß oder einen Spannungsstoß,

e) Änderung der Impedanz, die hervorgerufen ist durch eine Änderung der Temperatur.

Die oben erwähnte Messung ist durchgeführt in Übereinstimmung mit dem Prinzip ähnlich einem Probenoszilloskop

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durch wiederholte Erregung. Die dynamische Impedanz für einen einzelnen Erregerimpuls kann mit dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 3 gemessen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Schaltungen 1, 25, 2,2a, 3, 5a, 12 und 13 die gleichen, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1. Ein Probenimpulsgenerator 10a wird unmittelbar erregt durch den Impulsgenerator 6, welcher einen einzelnen Impuls erzeugt aufgrund von Startinstruktionen, die durch einen Steuerschalter erzeugt werden. Demgemäß erzeugt der Probenimpulsgenerator 10a Probenimpulse zu regelmäßigen Intervallen, ausgehend von einer Startzeit, und zwar synchron zu den oben erwähnten Startinstruktionen. Mit anderen Worten, es wird eine Anfangs änderung des Stromausganges l6a und des Spannungsausganges 15a des Probestückes S in einer ausreichenden Anzahl von Zeiten vom Proben-Haltekreis 3 oder 3a durch Verwendung von Probenimpulsen hoher Geschwindigkeit :die von dem Probenimpulsgenerator 10a erzeugt werden, entnommen. Ein'!Entnahme- und Haite-Ausgang" des Probenhaltekreises 3 wird einem Speicher 30 zugeführt, welcher ein umlaufender Speicher ist, der beispielsweise durch Zeitimpulse gesteuert wird, die in einem Impulsgenerator 32 erzeugt werden. Die Zeit-

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impulse des Impulsgenerators 32 haben normalerweise eine ausreichend lange Periode im Vergleich mit der Periode der Probenimpulse des Probenimpulsgenerators 10a,damit eine mit niedriger Geschwindigkeit arbeitende Schaltungsanordnung, wie der Rechner 12 und die Wiedergabevorrichtung 13 verwendet werden können. Ein "Entnahme- und Halte-Ausgang" des Probenhaltekreises 3a wird einem Speicher 30a zugeführt, der ebenfalls ein umlaufender Speicher ist, der beispielsweise durch die gleichen Zeitimpulse des Impulsgenerators 52 gesteuert wird. Ein Spannungsausgang 33 des Speichers 30a wird einem Glättungskreis 31a zugeführt, um eine abgerundete Spannungswelle 35 zu erhalten, während ein Stromausgang y\ des Speichers 30 einem Glättungskreis 3I zugeführt wird, um eine abgerundete Stromwelle 36 zu erhalten, wie es Fig. 4 gezeigt ist. Die abgerundete Stromwelle J>6 und die abgerundete Spannungswelle 35 sind dem'Stromausgang l6a und dem Spannungsausgang 15a ähnlicher als der Stromausgang 3*l· und der Spannungsausgang 33· Die abgerundeten Wellen 35 und 36 werden von dem Rechner un der Wiedergabevorrichtung in einer Weise behandelt, die ähnlich den oben erwähnten Rechnungs- und Wiedergabeoperationen sind.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der

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Erfindung kann der Rechner 12 kompliziertere Rechnungen zusätzlich zur Multiplikation und Division ausführen.

Im Hinblick auf die Funktionen der oben erwähnten erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Erfindung ferner angewendet werden zum Messen folgender Charakteristiken:

1) Änderungen der Charakteristiken eines Halbleiterelements als Punktion der Zeit]

2) Elementarbereichbildungsprozeß eines Halbleiterelements;

3) Verhaltenscharakteristiken eines Halbleiterelements gegen Radialstrahlen oder Laserstrahlen; und

4) Induktanzcharakteristik eines supraleitenden Drahtes als Funktion des fließenden Stromes.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

l.J Vorrichtung zur Messung dynamischer Charakteristiken eines Halbleiter-Schaltelements, das aus einer Gleichstromquelle mit Gleichspannung erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Halbleiter-Schaltelement (S) ein Impulsgenerator (6) verbunden ist, der dem Schaltelement wenigstens einen Erregerimpuls (I²O zuführt, welcher das Schaltelement (S) leitend macht, daß ein Proben-Impulsgenerator (10, 10a) mit dem Impulsgenerator (6) gekoppelt ist, welcher Proben-Impulse in Abhängigkeit von dem Erreger-Impuls (l4) erzeugt, dasB ein erster Proben-Haltekreis (3) vorgesehen ist, der über einen Strommesser (l) mit dem Halbleiter-Schaltelement (S) und mit dem Proben-Impulsgenerator (10, 10a) gekoppelt ist, zur Entnahme von Proben des mit dem Strommesser (l) gemessenen Stromes (l6) durch die Proben-Impulse und zur Speicherung jedes entnommenen Wertes bis zu einem unmittelbar folgenden Probenimpuls zur Erzeugung einer "Entnahme- und Halte-Stromwelle" (22), daß ein zweiter Proben-Haltekreis (3a)vorgesehen ist, der mit dem Halbleiter-Schaltelement (S) gekoppelt ist, zur Entnahme von Proben einer am Schaltelement (s) gemessenen Spannung (15) durch die Probenimpulse und zum Speichern jedes gemessenen Wertes bis zu einem unmittelbar folgenden

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Probenimpuls zur Erzeugung einer "Entnahme- und Halte-SpannungsweTLe" (21), daß ein Rechner (12) mit dem ersten und dem zweiten Proben-Haltekreis {j>, 3a) gekoppelt ist zur Durchführung notwendiger Berechnungen der "Entnahme- und Halte-Stromwelle"(22) und der "Entnahme- und Halte-Spannungswelle" (21) zu bestimmten Zeitintervallen und daß ein Wiedergabegerät (lj5) mit dem Rechner (12) zur Wiedergabe der vom Rechner (12) erhaltenen Ergebnisse gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (6) nur einen einzigen Erregerimpuls aufgrund von Anfangsinstruktionen erzeugt und daß der Probenimpulsgenerator (10a) in Abhängigkeit von diesen Einzelimpulsen Probenimpulse erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (6) Erregerimpulse in ersten regelmäßigen Intervallen erzeugt und daß der Proben-Impulsgenerator (1O) Proben-Impulse in zweiten regelmäßigen Intervallen erzeugt, die etwas langer sind als die ersten regelmäßigen Intervalle (Fig. l).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß ein zweiter Impulsgenerator (32) zur Erzeugung von Zeitimpulsen vorgesehen, daß ein erster synchron mit den Zeitimpulsen umlaufender Speicher (JO) vorgesehen ist, der aufeinanderfolgende Werte der "Entnahme- und Halte-Stromwelle" (22) speichert, daß ein zweiter synchron mit den Zeitimpulsen umlaufender Speicher (30a) vorgesehen ist, welcher aufeinanderfolgende Werte der "Entnahme- und Halte-Spannungswelle" (21) speichert, daß ein erster Glättungskreis (3I) mit dem ersten umlaufenden Speicher (30) gekoppelt ist, um aus dem Ausgang des ersten umlaufenden Speichers (30) eine abgerundete Stromwelle (36) zu erzeugen, daß ein zweiter Glättungskreis (31a) mit den zweiten umlaufenden Speicher (30a) gekoppelt ist, um aus dem Ausgang des zweiten umlaufenden Speichers (30a) eine abgerundete Spannungswelle (35) zu erzeugen, und daß die abgerundete Stromwelle (36) und die abgerundete Spannungswelle (35) dem Rechner (12) zur Berechnung zugeführt werden (Fig. 3).

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