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Verfahren und Einrichtung zur Güteprüfung von Halbleiterbauelementen
und integrierten Schaltungen Die Erfindung betrifft die Meßtechnik, insbesondere
ein Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente bzw. -geräte und integrierte Schaltungen
sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung, die im wesentlichen zur Erfassung
von eventuell unzuverlässigen Halbleiterbauelementen bzw. -geräten und integrierten
Schaltungen mit pn-Übergängen in Zwischen- und Endstufen der Fertigung~ sowie zur
Eingangskontrolle
von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen
in Betrieben für Gerätefertigung anyewendet werden, wo von Geräten aus Halbleiterbauelementen
und integrierten Schaltungen besonders hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer gefordert
werden. Von besonderem Wert ist die Erfindung für eine Kontrolle von in einem Gehäuse
bereits gekapselten integrierten Schaltungen, wo ein unmittelbarer Zugang zu den
pn-Übergängen versperrt ist, während es eine Anschlußmöglichkeit für die pn-Übergänge
über Ohmsche bzw. Widerstands-Innenstromkreise gibt, die an die Außenanschlüsse
der integrierten Schaltungen angekoppelt werden.
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Es ist ein Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte
Schaltungen mit mindestens einem pn-Übergang bekannt, bei dem durch den pn-Übergang
ein veränderlicher Strom geschickt und ein Parameter bestimmt wird, nach dem die
Güte der Bauelemente und Schaltungen bewertet wird (vgl. z. B. SU-Monographie G.
R.
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Medlend "Integrierte Schaltungen. Grundlagen des Entwurfs und der
Technologie", 1970, Verlag "Sovetskoje Radio", S. 118, 128).
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Beim genannten Verfahren wrd durch den pn-Übergang ein Strom in Sperrichtung
geschickt und die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie dieses Überganges gemessen,
die einen Parameter darstellt, aus dem auf das Vorhandensein von Kanälen auf der
Fläche des pn-Überganges und auf dessen Überbrückung durch elektrische Ableitung,
d. h.
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auf die Güte von einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelementen
und integrierten Schaltungen, geschlossen wird. Als Maß für die Steigung wird das
Verhältnis von Differenzen zweier Spannungsabfälle
U1 und U2 am
pn-Übergang benutzt, die durch bekannte, durch diesen Übergang fließende Ströme
Ii und I2 verursacht werden, d. h.:
Jedoch gibt der Steigungskoeffizient der Strom-Sparmungs-KerLnlinie des Silizium-pn-ÜberganLges
im Sperrbereich einen nur sehr ungefähren Aufschluß über die Defekte des pn-Überganges
aufgrund des prinzipiellen Fehlens eines für die Germaniurnpn-Übergänge charakteristischen
Sättigungsbereiches. Infolge der sehr geringen Aussagekraft des Steigung skoeffizienten
der Strom-Spannungs -Kennlinie eines Silizium-pn-Überganges im Sperrbereich ist
dessen Ausnutzung zur Gütekontrolle durch einen Vergleich mit einer idealisierten
Strom-Spannungs-Kennlinie sehr wenig geeignet.
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Es ist eine Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens für
Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen bekannt, die einen Strom generator,
an den über ein Schaltelement der pn-Übergang eines Halbleiterbauelementes oder
einer integrierten Schaltung angeschlossen ist, und ein mit ihm elektrisch gekoppeltes
Registriergerät enthält (vgl. z. B. US-PS 3 212 001, Kl. 324-62).
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Bei der genannten Einrichtung werden als Registriergeräte zwei Speichervoltmeter
eingesetzt, die an den pn-Übergang synchron mit dem Schicken (durch diesen) zweier
vorgegebener Ströme abwechselnd angeschlossen werden und am pn-Übergang durch diese
Ströme
verursachte Spannungsabfälle messen. Die Einrichtung gestattet
es also, die durch die bekannten Ströme Ii und I2 verursachten Spannungsabfälle
U1 bzw. U2 zu ermitteln und folglich die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie
des pn-Überganges zu errechnen. Doch stellt die als
definierbare Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie einen Differentialwiderstand
des pn-Überganges in einem durch den mittleren Strom 1 2 2 vorgegebenen Punkt der
Strom-Spannungs-Kennlinie bei üblicher linearer Teilung dar.
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Vorstehend wurde aber gezeigt, daß die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie
des pn-Überganges bei linearer Teilung, d. h.
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dessen Differentialwiderstand, kein aussagekräftiger Parameter ist,
also dessen Anwendung unzweckmäßig ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufgeführten
Nachteile zn überwinden und ein derartiges Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelein
ent e und integrierte Schaltungen auf der Grundlage eines solchen physikalischen
Parameters des pn-Überganges zu entwickeln, der vom Zustand der Oberfläche des letzteren
abhängt und die Lebensdauer dieser Bauelemente und Schaltungen bestimmt, sowie
eine
Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, deren Aufbau in Verbindung
mit dem ermittelten Parameter eine hohe Zuverlässigkeit von Kontrollergebnissen
und eine Messung unter direkter Ablesung dieses physikalischen Parameters, ohne
Berechnungen vornehmen zu müssen, ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einem Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente
bzw. -gerät und integrierte Schaltungen mit mindestens einem pn-Übergang, bei dem
durch den pn-Übergang ein veränderlicher Strom geschickt und ein Parameter bestimmt
wird, aus dem auf die Güte der Bauelemente und Schaltungen geschlossen wird, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß als der Parameter ein im Bereich von mmin#m#mmax mit mmin#1,
mmax#2 liegender Faktor (m) der Abweichung der beim Stromdurchgang durch den pn-Übergang
erhaltenen realen Strom-Spannungs-Kennlinie von einer idealisierten Kennlinie verwendet
wird, wobei der Strom I in Durchlaßrichtung in einem Bereich durchgeschickt wird,
der bestimmt wird durch das Verhältnis:
mit U = Spannungsabfall am pn-Übergang = = Wärmepotential gleich kT q R = Widerstand
des Basisstromkreises des pn-Überganges einschließlich des Außenwiderstandes, und
daß anschließend eine Messung von durch diese Ströme hervorgerufenen
Inkrementen
der dem Abweichungsfaktor (m) proportionalen Spannungen am pn-Übergang vorgenommen
wird.
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Es ist zweckmäßig, daß der durch den pn-Übergang in Durchlaßrichtung
geschickte Strom mit einem solchen Verlauf gewählt wird, daß er am pn-Übergang mit
einer idealisierten Strom-Spannungs-Kennlinie konstante Spannungsinkremente gewährleistet,
deren Änderung für die pn-0bergänge der zu untersuchenden Halbleiterbauelemente
und der integrierten Schaltungen eine Aussage über den Wert des Abweichungsfaktors
(m) enthält.
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Es ist von Vorteil, daß der durch den pn-Übergang geschickte Strom
mit einem Gleich- und einem Wechselanteil versehen wird, deren Verhältnis konstant
gehalten wird, und daß auf den Wert des Abweichungsfaktors (m) aus der Amplitude
des Wechselanteils der Spannung am pn-Übergang geschlossen wird.
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Es empfiehlt sich, daß der durch den pn-Übergang geschickte Strom
den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweist, und daß die am pn-Übergang entstehenden
Spannungsimpulse differenziert und auf den Wert des Abweichungsfaktors (m) aus den
Augenblickswerten der Amplitude von nach der Differenzierung erhaltenen Impulsen
geschlossen wird.
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Die Aufgabe wird auch bei einer Einrichtung zur Durchführung des
Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelem ente und integrierte Schaltungen mit einem
Haupt-Stromgenerator, an den über ein Schaltelement
ein Halbleiterbauelement
mit dessen pn-Übergang bzw. eine integrierte Schaltung anschließbar ist, und einem
mit ihm elektrisch gekoppeltes Registriergerät gemäß der Erfindung gelöst durch
mindestens einen zusätzlichen Stromgenerator, dessen Steuereingang an den Steuereingang
des Haupt-Stromgenerators angeschlossen ist und der über das Schaltelement an den
pn-Übergang abwechselnd zum Haupt-Stromgenerator anschließbar ist, einen Stromsteller,
dessen Ausgang an die Steuereingänge der Stromgeneratoren angeschlossen ist und
auf dessen Signal sich die Ströme an den Ausgängen der Stromgeneratoren synchron
ändern, zum Stromsteller parallel geschaltete Mittel zur Stabilisierung des Mittelwertes
des durch den pn-Übergang geschickten Stromes, und einen Wandler b der am pn-Übergang
abgenommenen Spannung in ein elektrisches Signal, der einen vom Verlauf des durch
den pn-Übergang geschickten Stromes und von dessen Mittelwert abhängigen Transform
ationskoeffizienten aufweist und eine elektrische Kopplung zwischen dem pn-Übergang
des Halbleiterbauelementes oder der integrierten Schaltung mit dem den Wert des
Abweichungsfaktors (ion) anzeigenden Registriergerät herstellt.
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Es ist zweckmäßig, daß der Spannungswandler zusätzlich mit dem Ausgang
des Stromstellers elektrisch gekoppelt ist.
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-Es ist vorteilhaft, daß bei Schicken eines Stromes mit einem Gleich-
und einem Wechselanteil durch den pn-Übergang der Haupt-und der zusätzliche Stromgenerator
aus einem Operationsverstärker, in dessen Gegenkopplungskreis der pn-Übergang des
zu untersuchenden
Haibleiterbauelementes oder der integrierten
Schaltung liegt, und aus einem an dessen Eingang angeschlossenen Widerstands-Vierpol,
der mit Hilfe des Schaltelementes den Durchfluß von mindestens zwei sich synchron
ändernden Strömen durch den pn-Übergang gewährleistet, aufgebaut sind; und daß der
Stromsteller als ein Gleichspannungsgenerator und der Spannungswandl er als ein
Wechselspannungs verstärker mit einem dem Verhältnis des Strommittelwertes zur Stromdifferenz
am Eingang des Operationsverstärkers proportionalen Verstärkungsfaktor ausgeführt
sind.
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Es ist auch zweckmäßig, daß bei Schicken eines Stromes mit dem Verlauf
von exponentiellen Impulsen durch den pn-Übergang der Haupt- und der zusätzliche
Stromgenerator aus einem Operationsverstärker, in dessen Gegenkopplungskreis der
pn-Übergang des zu untersuchenden IIalL)leiterbauelementes oder der integrierten
Schaltung liegt, und aus einem an dessen Eingang angeschlossenen, aus reaktiven
(einen Blindwiderstand aufweisenden) aktiven oder nichtlinearen Bauelementen ausgeführten
Vierpol aufgebaut sind, der mit dem Stromsteller und dem Schaltelement den Durchfluß
des den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweisenden Stromes durch den pn-Übergang
gewälirleistet, und daß der Spannungswandler ein Differenzierglied ist.
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Es ist gleichfalls zweckmäßig, daß bei Ausführung des Vierpols aus
nichtlinearen Elementen das Differenzierglied mit einem Addierverstärker bzw. einem
Differenzverstärker versehen ist, dessen Eingang an den Eingang des Differenzierglieds
und dessen Ausgang an den Eingang des Registrierget ätes angeschaltet ist; und daß
eine zusätzliche
elektrische Kopplung des Spannungswandlers mit
dem Stromsteller vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente
und integrierte Schaltungen auf der Grundlage von pn-Übergängen besitzt eine erhöhte
Zuverlässigkeit in bezug auf die Kontrollergebnisse und gestattet es, gekapselte
integrierte Schaltungen zu prüfen, bei denen ein unmittelbarer Zugang zu den pn°Übergängen
bei Verwendung von anderen Güteprüfverfahren oft unmöglich ist.
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Der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren als Qualitätslcriterium
gewählte Abweichungsfaktor der Strom-Spannungs -Kennlinie des pn-Überganges bezüglich
der idealisierten (exponentiellen) Kennlinie gestattet es, den Zustand der Fläche
der pn-Übergänge (Vorhandensein von Kanälen, Inversionsschichten) genau zu beurteilen,
der die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente und der integrierten Schaltungen bestimmt.
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Die für die Durchführung des Verfahrens vorgesehene Einrichtung ist
für die Schaffung von Automatisierungsmitteln zur Kontrolle von Halbleiterbauelementen
und integrierten Schaltungen bei einer für eine Massenfertigung ausreichenden Leistung
gut geeignet. Die Einrichtung besorgt eine Direktablesung des Abweichungsfaktors
m an der Skala des Mittels zur Stabilisierung, als die ein beliebiges bekanntes
Voltmeter vom analogen oder digitalen Typ eingesetzt werden kann. Die Schaltung
der erfindungsgemäßen Einrichtung ist äußerst einfactl, was deren hohe Zuverlässigkeit
und geringe Fertigungskosten geralrlci;,tet .
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die Blockschaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens für l!albleiterbauelem ente
und integrierte Schaltungen, Fig. 2 dieselbe mit zusätzlicher elektrischer Kopplung
zwischen dem Spannungswandler und dein Stromsteller der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 3 die Prinzipschaltung einer ersten Ausführungsform der e rfindungsgem äßen
Einrichtung mit einem Wi(IC rstands-Vierpol, Fig. 4 dieselbe mit einer anderen Ausführungsform
des Vierpols, Fig. 5 dieselbe mit einer dritten Ausführungsforrn des Vierpols, Fig.
6 die Prinzipschaltung der zweiten Ausführungsform der erfinciungsgemäßen Einrichtung
mit einem aus aktiven und reaktiven Elementen aufgebauten Vierpol, Fig. 7 dieselbe
mit einer anderen Ausführungsform des Vierpols, Fig. 8 dieselbe mit einem aus einem
nichtlinearen Element aulgebauten Vierpol gemäß der E;rfindung,
Fig.
9 dieselbe mit einem Addierverstärker, der eine zusätzliche elektrische Kopplung
des Wandlers mit dem Stromsteller vornimmt, gemäß der Erfindung, Fig. 10 dieselbe
mit einem Differenzverstärker gemäß der Erfindung, und Fig. 11 die Prinzipschaltung
der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit n- 1 zusätzlichen
Stromgeneratoren.
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Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung sollen nachfolgend
zunächst deren theoretische Voraussetzungen erläutert werden.
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Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung der Güte von Halbleiterbauelementen
sind bekannt: Röntgenstrahl-Werkstoffprüfung und Infrarotdefektoskopie, Verfahren,
die auf eine Bewertung der Halbleiterbauelemente nach Rauschparam etern hinauslaufen,
Güteprüfverfahren nach dem Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie von in Sperrichtung
vorgespannten pn-Übergängen der Halbleiterbauelemente. Die elektrischen Güteprüfverfahren
für lIalbleiterbauelemente, die in einer Messung von Rauschpar ametern ihrer pn-Übergänge
und einer Untersuchung von Strom-Spamlungs-Kennlinien im Sperrgebiet bestehen, sind
jedoch wenig aussagekräftig.
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Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Rauschparameter bei wiederholten
Messungen schwer reproduzierbar sind. Die Strom-Spannungs
-Kennlienien
der in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge sind schwer zu standardisieren, insbesondere
iiir Silizium-Halbleiterbauelemente, bei denen ein Sättigungsgebiet im Sperrzweig
der Strom-Spannungs-Kennlinie grundsätzlich fehlt.
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Bekanntlich ist für die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente der
Zustand von deren Oberfläche die wichtigste Einglußgröße. Obwohl die Rauschparameter
und der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Überganges auch eine Korrelation
mit dem Zustand von dessen Oberfläche haben, ist eine Beurteilung der Güte nach
diesen Parametern aus den oben genannten Gründen erschwert.
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Es ist weiter bekannt daß im Durchlaßbereich die Strom-Spannungs-Kennlinie
eines pn-Ül>erganges der theoretischen exponentiellen Abhängigkeit keinesfalls
folgt. Insbesondere ist das darauf zurückzufiihren, daß der Sättigungsstrom des
pn-Überganges nicht nur von der Paarbildungs- bzw. Generationskomponentes sondern
auch Iioch von einer Reihe anderer Komponenten abhängig ist. Zu den letzteren zählt
die Rekombinationkomponente des Sättigungsstromes, die sich in einer starken Abhängigkeit
vom Zustand der Oberfläche befindet.
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Die Abweichung der realen Strom-Spannungs-Kennlinie von der idealen
exponentiellen Abhängigkeit wird mit Hilfe eines Abweichungsfaktors in berücksichtig,
der in den Exponenten der e-Funktion der bekannten, die- Strom-Spannungs-Kennlinie
eines idealisierten pn-Überganges beschreibenden Funktion eingeht:
I
= Is (exp (U/m - 1) (1) mit Is=äquibalenter Sättigungsstrom U = Spannung am pn-Übergang,
#T=KT/q-Wärmepotential.
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Da die Rekombinationskomponente den größten Einfluß auf den Verlauf
der Strom-Spannungs-Kennelinie im Bereich kleiner Ströme durch den pn-Übergang in
Durchlaßrichtung ausübt, empfiehlt es sich, deren Verlauf im Bereich kleiner Ströme
in Durchlaßrichtung zu beur teilen Dieser Strom bereich wird nach oben und nach
unten begrenzt durch die Beziehung
mit U = Spannungsabfall am pn-Übergang, Rb=Ersatzwiderstand des Basisstromkreises
des pn-Überganges einschließlich des Außenwiderstandes.
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Die Begrenzung des Wertes des Durchlaßstromes nach unten in der Weise,
daß U#4#T ist, gestattet es, den Einfluß des zweiten Gliedes in runden Klammern
der Gleichung (1) auf das Untersuchungs ergebnis in bezug auf den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie
aus zuschließen.
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Die Begrenzung nach oben durch das Verhältnis #r/Rh gestattet es,
den Einfluß des Spannungsabfalls am Basiswiderstand eines Halbleiterbauelements
beim Fließen eines Durchlaßstromes durch den pn-Übergang auszuschließen. Dieser
Spannungsfall bedingt die Ungleichheit der Aupenspannung und der an den pn-Übergang
unmittelbar angelegten Spannung, indem er dessen Strom-Spannugs-Kennliie bei größeren
Injektionsstromen bestimmt. Der genannte Umstand beeinflußt die Art der Abhängigkeit
des Faktors m vom Strom durch den pn-Übergang bei größeren Strömen.
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Was aber den Wert des Faktors m im Bereich kleinerer Strome betrifft,
so dient er als ein gutes Indiz für den Zustand der Oberfläche, wovon auch Gebrauch
gemacht werden sollte. Die Begrenzung des Durchlaßstromes durch den pn-Übergang
nach oben gestattet es, die Güte nicht nur der reinen Halbleiterbauelemente, sondern
auch der von den Außenanschlüssen durch Widerstände getrennte pn-Übergänge enthaltenden
integrierten Schaltungen zu prüfen.
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Theoretisch ist der Faktor im beim Vorherrschen der Rekombinationskomponente,
was bei kleineren Injektionsströmen der Fall ist, gleich 2. Falls die Paarbildungskomponente
vorherrscht, ist der Faktor m gleich 1. Als Qualitätserzeugnisse sind also die Halbleiterhauelemente
oder die integrierten Schaltungen anzusehen, bei denen der Abweichungsfaktor m der
Strom-Spannungs-Kennlinien ihrer pn-Übergänge
bezüglich der Strom-Spannung
s-Kennlinien der idealisierten pn-Übergänge in den Grenzen von 1 bis 2 liegt.
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Gerade die Werte des Faktors m im Bereich von mmin#m#mmax wo mmin#1,
mmax#2 gilt, werden als Bewertungskriterien für den Zustand der Oberfläche, d. h.
für die Güte der pn-Ubergänge enthaltenden Halbleiterbauelemente oder integrierten
Schaltungen, empfohlen.
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Dies ist darauf zurückzuführen, daß in den Fällen einer Inversion
der Oberfläche oder beim Vorhandensein von Kanälen m<2 und >1 wird.
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Hierbei treten im vorliegenden Änderungsbereich für die Ströme durch
die pn-Übergänge im Falle defekter pn-0bergänge Extremwerte des Faktors m auf; bei
der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher wichtig, die Untersuchung
im gesamten Strombereich ununterbrochen durchzuführen. Es muß beachtet werden, daß
die bloße Strom-Spannungs-Kennlinienaufnahme für die pn-Übergänge im Durchlaßbereich
oder die Beobachtung einer Kennlinie mit Hilfe von Kennlinienschreibern eine sehr
grobe Vorstellung über die Güte eines Halbleiterbauelementes oder einer integrierten
Schaltung vermittelt, die einen pn-Übergang enthält vom Typ "pn-Übergang vorhanden
oder nicht vorhanden" Zur Gewinnung einer Information über den Abweichungsiaktor
m wird empfohlen, Inkremente von Spannungen an den pn-Übergängen bei Änderung von
deren Durchlaßströmen zu messen.
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Hierbei wird der durch den pn-Übergang durchgelassene Strom mit einem
solchen Verlauf gewählt, daß er am pn-Übergang mit einer
idealen,
durch eine Exponentialfunktion beschriebenen Strom-Spannungs-Kennlinie konstante
Spannungsinkremente gewährleistet, deren Änderung für pn-Übergänge der zu untersuchenden
Halbleiterbauelemente und integrierten Schaltungen eine Aussage über den Wert des
Faktors m enthält.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ,das durch
gebildet, daß der durch den pn-Übergang geschickte Strom einen Verlauf aufweist,
der durch das Vorhandensein eines Gleich- und eines Wechselanteiles bestimmt wird,
deren Verhältnis im gesamten Bereich des Strommittelwertes konstant gehalten wird.
Hierbei sdrd auf den Wert des Faktors m als der Amplitude des Wechselanteiles der
Spannung am pn-Übergang geschlossen.
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Ein Verfahren zum Beaufschlagen eines pn-Übergangs mit einer Summe
vom Gleich- und Wechselanteil unter Messung der Wechselspannung am pn-Übergang ist
bekannt. Es wird zum Messen des Differentialwiderstandes des pn-Überganges angewendet
und beruht auf einer angenäherten Differentiation dessen durch den Ausdruck
beschriebener Strom-Spannungs-Kennlinie. Wenn dieser Ausdruck differenziert und
zu endlichen Inkrementen übergegangen wird, so erhält man einen algoritlimischen
Ausdruck zum Bestimmen des Differentialwiderstandes:
oder für den Strombereich I>IS:
Hierbei stellt der Strom I zur Messung einen Gleichstrom dar und gibt einen Punkt
auf der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges vor, an dem r gemessen wird,
#I ist eine dem Strom I überlagerte Wechselkomponente und A U die Amplitude des
Wechselanteils des Spannungsabfalls am pn-Übergang. In diesem Fall wird die Konstanthaltung
von A I grundsätzlich im gesamten Änderungsbereich des Stromes I ermöglicht, weshalb
sich die Spannung AU als proportional zu r erweist.
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Die Besonderheit des vorliegenden Meßverfahrens für den Faktor m,
das es gestattet, die Güte der pn-Übergänge zu prüfen, besteht darin, daß das Verhältnis
au konstant gehalten wird. Dann ist AU = In m - C C#m (6), TI mit C=#T#I/I=const,
T 1 und folglich ist AU, d. h. der Abfall der Wechselspannung am pn-Übergang, dem
Faktor m proportional, weil #T und#I/I konstant sind.
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Wenn also der Strom I in dem vorstehend erwähnten Bereich ununterbrochen
geändert und die Wechselspannung am pn-Übergang gemessen wird, die dem Faktor m,
der für qualitätsgerechte Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen (mit
grundsätzlich großer Lebensdauer) weder unterhalb von m . noch oberhalb von m min
max liegen darf, proportional ist, so kann eine wirksame Kontrolle von deren Qualität
vorgenommen werden.
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Hierbei wird zur genauen Eichung des beispielsweise ein Wechselspannungsvoltmeter
darstellenden Registriergeräts zwischen diesem und dem pn-Übergang ein Wechselspannungsverstärker
mit einem Verstärkungsfaktor A geschaltet:
mit U = Meßbereich des Wechselspannungsvoltmeters, max n = erwünschter Meßbereich
des Faktors m in relativen ganzmax zahligen Einheiten.
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Ein anderes Verfahren zur Direktmessung des Faktors m nach dem Änderungswert
von Spannungsinkrementen unter dem Einfluß von Änderungen eines durch den pn-Übergang
fließenden Stromes läuft auf das Durchleiten von den Verlauf von exponentiellen
Impulsen aufweisenden Strömen durch den pn-Übergang hinaus. Die hierbei am pn-Übergang
entstehenden Spannungsimpulse werden differenziert, und auf den Wert des Faktors
m wird aus den Augenblickswerten der Amplitude
der nach der Differentiation
erhaltenen Impulse geschlossen.
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Dem betreffenden Verfahren liegt das Vorhandensein einer logarithmischen
Abhängigkeit der Spannung am pn-Übergang vom Strom durch den pn-Übergang zugrunde.
Aus der Beziehung (3) folgt, daß, wenn der Verlauf des Stromes I mit einer exponentiellen
Abhängigkeit von der Art I = I e (8) o beschrieben wird, der Spannungsabfall am
pn-Übergang vom Parameter t, z. B. der Zeit, linear abhängt:
Durch Differentiation erhält man also dU = a In (10).
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dt T Da a, m und 9 Konstanten darstellen, ist die Ableitung ddbt
dem Abweichungsfaktor m direkt proportional. Für einen pn-Übergang mit einer idealisierten
Strom -Spannungs-Kennlinie ist der Faktor m = 1, deshalb ist dt = const, was mit
einer Konstanthaltung von durch einen sich exponentiell ändernden Strom verursachten
Spannungsinkrementen am pn-Übergang gleichbedeutend ist. Für reale pn-Übergänge
ist der Faktor m + 1, und folglich ist dt * const. Aufgrund dieses Inkrementes sind
die Spannungen am realen pn-Übergang
nicht konstant, was von einer
Änderung des Faktors m zeugt, nach dessen Wert auf den Grad der Fehlerhaftigkeit,
d. h. auf die Güte, eines einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelem entes
oder einer integrierten Schaltung geschlossen wird.
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Die Blockschaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung
des Güteprüfverfahrens für Halbleitergeräte und integrierte Schaltungen hat einen
Haupt-Stromgenerator 1 (Fig. 1), an den über ein Schaltelement 2 ein Halbleiterbauelement
mit seinem pn-Übergang 3 angeschlossen ist. An den pn-Übergang 3 ist ein Wandler
4 der am pn-Übergang 3 abgenommenen Spannung in ein elektrisches Signal angeschlossen,
wobei der Umformungsfaktor dieses Wandlers 4 vom Verlauf des durch den pn-Übergang
3 fließenden Stromes und von dessen Mittelwert abhängig ist. An den Ausgang des
Wandlers 4 ist ein Registriergerät 5 angeschaltet.
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An den Steuereingang des Haupt-Stromgenerators 1 ist der Steuereingang
eines zusätzlichen Stromgenerators 6 und an die beiden Steuereingänge der Generatoren
1 und 6 ein Stromsteller 7 angeschlossen, auf dessen Signal sich die Ströme am Ausgang
der Stromgeneratoren 1 und 6 synchron ändern. Parallel zum Stromsteller 7 ist ein
Mittel 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes durch den pn-Übergang 3,
darunter zur Stabilisierung der durch die Ungleichung (2) bestimmten maximalen und
minimalen Strommittelwerte, angeschlossen.
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Es ist eine andere Ausführungsform der Einrichtung möglich, wo der
Wandler 4 der Spannung in ein elektrisches Signal mit dem Ausgang
des
Stellers 7 über eine zusätzliche elektrische Koppltiwj 10 (Fig. 2) verbunden ist.
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Wenn durch den pn-Übergang 3 ein Strom fließt, dessen Verlauf durch
das Vorhandensein eines Gleich- und eines bei der beschriebenen Ausführungsform
der Einrichtung Rechteckimpulse darstellenden Wechselanteiles bestimmt wird, gelangt
als der Haupt-Stromgenerator 1 und als der zusätzliche Stromgenerator 6 ein Operationsverstärker
11 (Fig. 3), in dessen Gegenkopplungskreis der pn-Übergang 3 des zu untersuchenden
Halbleitergerätes liegt, mit einem an dessen Eingang angeschlossenen Widerstands-Vierpol
12 zur Anwendung. Der Vierpol 12 enthält Widerstände 13 und 14 und sichert mittels
eines Schaltelementes 2 in Form eines Umschalters den Durchfluß zweier sich synchron
ändernder Ströme durch den pn-Übergang 3. Bei einem derartigen Aufbau der Stromgeneratoren
1 und 6 ist der mit dem Vierpol 12 gekoppelte Stromsteller 7 als ein Gleichspannungsgenerator
(Gleichspannungsquelle) und das Mittel 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des
Stromes durch den pn-Übergang 3 als ein nach einer allgemein bekannten Schaltung
aufgebautes Gleichspannungsvoltmeter ausgeführt.
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Der an den pn-Übergang 3 angeschlossene Spannungswandler 4 stellt
bei der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung einen MTechselspannungsverstärker
dar, der aus der integrierten Schaltung eines Operationsverstärkers 15 aufgebaut
ist, in dessen Gegenkopplungskreis ein Widerstand 16 und an dessen Eingang ein Widerstand
17 und ein Kondensator 18 liegen. Hierbei wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
15 durch das Verhältnis der Werte der Widerstände 16
und 17 bestimmt
un(l ist dem Verhältnis des mittleren (Gleich)-stromes durch den pn-Übergang 3 zur
Amplitude des Wechselstromanteiles ( (der Stromdifferenz) proportional.
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Das den Wert des Faktors m anzeigende Registriergerät 5 stellt bei
der erfindungsgemäßen Ausführung der Einrichtung ein nach einer allgemein bekannten
Schaltung aufgebautes Wechselspannungsvoltmeter dar.
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Es ist eine andere Ausführungsform der oben beschriebenen Einrichtung
möglich, bei der durch den pn-Übergang 3 ebenfalls ein einen Gleich- und einen Wechselanteil
enthaltender Strom geschickt wird, die analog der oben beschriebenen Ausführungsform
ist.
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Der Unterschied be steht lediglich in der schaltungstechnischen Lösung
eines in Reihe liegende Widerstände 13 und 14 enthaltenden Vierpols 19 (Fig. 1).
Hierbei ist parallel zum Widerstand 14 ein einen Unterbreclier darstellendes Schaltelement
2 geschaltet, was flir diese Ausführung der Einrichtung von Vorteil ist.
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Es ist eine dritte Ausführungsform der Einrichtllng möglich, bei
der durch den pn-Übergang 3 ein einen Gleich- und einen Wechselanteil enthaltender
Strom geschickt wird, die gleichfalls der oben beschriebenen Ausführungsform analog
ist.
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Der Untersch hiezu besteht ciiich lediglich in der schaltungstechnischen
Lösung eines Widerstäiide 13, 14 und 21 enthaltenden Vierpols 20
(Fig.
5), wobei diese Widerstände in der Weise gekoppelt sind, daß sie eine T-förmige
Schaltung bilden. Die Widerstände 13 und 14 liegen in Reihe und verbinden den Stromsteller
7 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 11, während zwischen ihnen ein Widerstand
21 geschaltet ist, der über das als ein Unterbrecher ausgeführte Schaltelement 2
periodisch geerdet wird.
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Der Vorteil der beschriebenen Schaltung besteht in der möglichen
Steuerung des Schaltelementes 2 bezüglich des Erdpotentials.
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Bei den drei oben beschriebenen Ausführungen der Einrichtung wird
durch den pn-Übergang eines zu untersuchenden Halbleiterbauelementes ein Strom geschickt,
dessen Wechselanteil die Form von Rechteckimpulsen aufweist. In diesen drei Ausführungen
kann ein Strom mit dem Wechselanteil in Form von Sinusimpulsen eingesetzt werden.
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Beim Schicken eines die Form von exponentiellen Impulsen aufweisenden
Stromes durch den pn-Übergang 3 wird als der Hauptstromgenerator 1 und als der zusätzliche
Stromgenerator 6 der Operationsverstärker 11 eingesetzt, in dessen Gegenkopplungskreis
der pn-Übergang 3 des zu untersuchenden Halbleiterbauelementes liegt und an dessen
Eingang ein aus reaktiven (mit Blindwiderstand) aktiven Bauelementen aufgebauter
Vierpol 22 (Fig. 6) angeschlossen ist. Als reaktives Bauelement wird in der beschriebenen
Ausführung der Einrichtung ein zwischen deren aktiven, den Eingang des Operationsverstärkers
11 mit dem Stromsteller 7 verbindenden Elementen, nämlich den Widerständen 13 und
14, liegender Kondensator 23 benutzt. Parallel zum
Widerstand 14
liegt das Schaltelement 2, als welches ein ein Durchleiten zweier sich synchron
ändernder Ströme durch den pn-Übergang 3 sichernder Unterbrecher auftritt.
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Bei der vorliegenden Ausführung der Einrichtung stellt der Stromsteller
7 einen Gleichspannungsgenerator (Gleichspannungsquelle) und das Mittel zur Stabilisierung
des Mittelwertes eines Stromes durch den pn-Übergang 3 ein dem oben beschriebenen
ähnliches Gleichstromvoltmeter dar. Der Spannungswandler 4 stellt bei der beschriebenen
Ausführung der Einrichtung ein Differenzierglied dar, das aus einem Operationsverstärker
24 ausgeführt ist, in dessen Gegenkopplungskreis ein Widerstand 25 und an dessen
Eingang ein Kondensator 26 liegt.
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Das den Wert des Faktors m anzeigende Registriergerät 5 stellt bei
der vorliegenden Ausführung der Einrichtung einen nach einer bekannten Schaltung
aufgebauten Oszillographen dar.
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Es ist eine andere, der beschriebenen Ausführung ähnliche Ausführungsform
der Einrichtung möglich, bei der durch den pn-Übergang 3 gleichfalls ein den Verlauf
von exponentiellen Impulsen aufweisender Strom geschickt wird.
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Der Unterschied besteht darin, daß als reaktives Element des Vierpels
27 (Fig. 7) eine Induktivitätsspule 28 benutzt wird. hierbei liegt in Reihe mit
den Spule 28 ein Widerstand 29. Ferner liegt das Schaltelement 2 in Reihe mit dem
Widerstand 14.
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Es ist auch eine dritte, der oben beschriebenen Ausführung ebenfalls
ähnliche
Ausführungsform der Einrichtung möglich, bei der durch den pn-Übergang ein den Verlauf
von exponentiellen Impulsen aufweisender Strom geschickt wird.
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Der Unterschied besteht darin, daß der Vierpol 30 (Fig. 8) aus einem
nichtlinearen Bauelement, als das eine eine exponentielle Abhängigkeit des Stromes
von der angelegten Spannung aufweisende Diode 31 benutzt wird, und aus aktiven Bauelementen,
nämlich Widerständen 32 und 33, aufgebaut ist. Die Diode 31 liegt in einem den Eingang
des Operationsverstärkers 11 mit dem Stromsteller 7 verbindenden Serienstromkreis
mit dem Widerstand 32, zu dem parallel das in Form eines Unterbrechers ausgeführte
Schaltelement 2 gelegt ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung
stellt der Stromsteller 7 einen Sägezahnspannungsgenerator dar, der nach der bekannten
Schaltung eines Integrators aus einem Operationsverstärker 34 ausgeführt ist, in
dessen Gegenkopplungskreis ein Kondensator 35 und an dessen Eingang ein nach einer
allgemein bekannten Schaltung eines Mäanderimpulsgenerators ausgeführter Rechteckstromimpulsgenerator
36 liegt. Hierbei stellt das Mittel 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes
durch den pn-Übergang 3 ein nach einer bekannten Brückenschaltung aufgebautes Voltmeter
für Spannungsmittelwerte dar.
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Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausftihrungsform der Einrichtung
ist der, daß sie eine Kontrolle der Strom-Spannungs-Kennlinie der pn-Übergänge der
Halbleiterbauelemente im Vergleich zu den Strom -Spannungs-Kennlinien der pn-Übergänge
von Halbleiterbauelement-Normalen vornimmt.
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Eine andere Ausführungsform der Einrichtung, die es gestattet, die
Güte der Halbleiterelemente nach dem Abweichungsfaktor m in bezug auf eine idealisierte,
durch ein nichtlineares Bauelement vorgegebene Strom-Spannungs-Kennlinie zu prüfen,
wird durch eine der oben beschriebenen ähnliche Einrichtung realisiert.
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Der Unterschied besteht darin, daß der Spannungswandler 9 (Fig. 9)
außer dem aus dem Operationsverstärker 24 aufgebauten Differenzierglied einen Addierverstärker
37 enthält. Der Verstärker 37 ist aus einem Operationsverstärker 38 ausgeführt,
in dessen Gegenkopplungskreis ein Widerstand 39 liegt. Der Ausgang des Verstärkers
37 ist an den Eingang des Differenzierglieds und dessen erster Eingang über einen
Widerstand 40 an den pn-Übergang 3 angeschaltet.
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Hierbei ist der zweite Eingang des Verstärkers 37 über einen Widerstand
41 an den Steller 7 angeschlossen, wodurch eine zusätzliche Kopplung 10 des Wandlers
9 mit dem Steller 7 zustandekommt.
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Die beschriebene Einrichtung gestattet es, gegenüber der in Fig.
8 dargestellten am Eingang des Registriergerätes 5 ein Signal zu erhalten, das dem
Verhältnis der Differenz der Faktoren m des Normalpn-Überganges - der Diode 31 -
und des zu untersuchenden pn-Überganges 3 zum Faktor m dieses Normal-Überganges
proportional ist.
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Es ist eine andere, der oben beschriebenen Ausführung ähnliche Ausführungsform
der Einrichtung möglich, die die gleiche Aufgabe wie auch die vorherige Ausführungsform
löst.
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Der Unterschied besteht darin, daß die Spannungsgeneratoren 1
und
6 aus einem Operationsverstärker 42 (Fig. 10) mit symmetrischen Eingängen, in dessen
Gegenkopplungskreis der pn-Übergang 3 des zu untersuchenden Halbleiterbauelementes
liegt, und einem aus einer an den Invertereingang (-) des Verstärkers 42 angeschlossenen
Diode ausgeführten Vierpol 43 aufgebaut sind. Mittels des bei der beschriebenen
Ausführungsform einen Umschalter darstellenden Schaltelementes wird der Nichtinvertereingang
(+) des Operationsverstärkers 42 periodisch entweder an den Stromsteller 7 angeschlossen
oder geerdetes während der Invertereingang über die eine idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie
aufweisende Diode 31 an Erde gelegt ist.
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Der Spannungswandler 9 enthält bei der vorliegenden Ausführungsform
der Einrichtung außer dem aus einem Operationsverstärker 24 aufgebauten Differenzierglied
einen Differenzverstärker 44 auf der Grundlage eines Operationsverstärkers 45 mit
symmetrischen Eingängen, in dessen Gegenkopplungskreis ein Widerstand 46 liegt.
Der Invertereingang (-) des Verstärkers 45 ist mittels eines Widerstandes 47 mit
dem pn-Übergang 3 des zu untersuchenden Halblefterbauelementes und der Invertereingang
(+) mit Hilfe eines Widerstandes 48 und des Schaltelementes 2 mit dem Stromsteller
7 verbunden, wodurch die zusätzliche elektrische Kopplung 10 zustandekommt.
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Die in Fig. 9 und 10 dargestellten Ausfülirungsformen der Einrichtungen
können ollrl<? das Differe'iziei'glied ausgeführt sein. In diesem Fall sind die
Ausgänge des Addier- oder des Differenzverstärkers
37 bzw. 44 mit
dem Eingang des Registriergerätes 5 unmittelbar verbunden. Hierbei stellt der Stromsteller
7 eine Gleichspannungsquelle dar.
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Falls für die Gütekontrolle eine begrenzte Zahl von Punkten der Strom-Spannungs-Kennlinie
des pn-Überganges genügt, an denen der Wert des Abweichungsfaktors m geprüft wird,
wird eine Ausführungsform mit zusätzlichen Stromgeneratoren vorgeschlagen, deren
Anzahl größer Eins, aber gleichzeitig begrenzt ist. Diese Ausführungsform ist der
in Fig. 3 dargestellten analog. Der Unterschied besteht darin, daß das Schaltelement
2 (Fig. 11) im Vierpol 50 in Form eines Wahlschalters für n Stellungen ausgeführt
ist. In dieser Ausführungsform bildet der Operationsverstärker 11 mit einem Widerstand
51 des Vierpols 50 den Haupt-Stromgenerator 1 und mit dem Widerstand 52 dieses Vierpols
einen der zusätzlichen Stromgeneratoren 6. Hierbei sind die übrigen n-2 zusätzliche
Strom generatoren jeweils durch den Operationsverstärker 11 und n-2 in der Zeichnung
gestrichelt angedeutete Widerstände gebildet. Die Werte der genannten Widerstände
sind derart gewählt, daß die Stromstärken der Stromgeneratoren die Erzielung von
konstanten Spannungsinkrementen am pn-Übergang mit einer idealisierten Strom-Spannungs-Ken"linie
bei einer Kommutierung zweier Widerstände mit angrenzenden Widei standswerten gewährleisten.
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Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der Einrichtung zur Durchführung
des Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen sind
mit gleichem Erfolg auch zur Durchführung einer Untersuchuny integrierter Schaltungen
anwendbar.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens
für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem pn-Übergang
arbeitet wie folgt: Das Schaltelement 2 (Fig. 1) schaltet periodisch an den pn-Übergang
3 die Stromgeneratoren 1 und 6 mit verschiedenen Stromstärken an deren Ausgängen
an. Im Ergebnis fließt durch den pn-Übergang 3 ein gewisser mittleree Strom I=#####
(I1 und I6=Ströme an den Ausgängen der Stromgeneratoren 1 bzw. 6) mit einer diesem
überlagerten Wechselkomponente, deren Amplitude von Spitze zu Spitze gleich der
Differenz aus den Strömen I1 - 16 = ßI ist. Da die Stromgeneratoren 1 und 6 einen
gemeinsamen Stromsteller 7 haben, wird bei Änderung des Stromes I das Verhältnis
#/I jederzeit konstant gehalten, und die Amplitude der Wechselkomponente weist also
einen Wert auf, der aus der Gleichung (6) errechnet werden kann. Mit anderen Worten:
Die Amplitude der Wechselkomponente ist, wie vorstehend gezeigt, dem Abweichungsfaktor
m der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges 3 des zu untersuchenden Halbleiterbauelementes
proportional. Mit Hilfe des Mittels 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes
I werden dessen Werte in durch die Beziehung (2) festgelegten Grenzen eingehalten.
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Beispielsweise wird anhand von Anzeigen des Registriergerätes 5 (Fig.
3 bis 5), das in Forrr1 eines in Bezugswerten geeichten Wechselspanrnmgsvoltmeters
ausgeführt ist, auf den Wert des Faktors In geschlossen, ur1(l falls dessen Werte
nicht zwischen die Grenzen 1 und 2 fallen, gilt das Halbleiterbauelement oder die
integrierte Schaltung als fehlerhaft und wird als Ausschuß angesehen.
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Die Ausführungsform der das Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente
und integrierte Schaltungen durchführenden Einrichtung, die gemäß dem Verfahren
aufgebaut ist, wo durch den pn-Übergang 3 (Fig. 3) ein Gleichstrom mit einer diesem
überlagerten Wechselkomponente geschickt wird, arbeitet wie folgt: Wenn sich das
als ein Umschalter ausgeführte Schaltelement 2 in der oberen Stellung befindet,
wird dem Eingang des Operationsverstärkers 11 ein Strom zugeführt, der vom Quotienten
des Spannungswertes am Ausgang des Stromstellers 7 durch den Wert des Widerstandes
13 bestimmt wird. Unmittelbar in den Verstärker 11 wird dieser Strom aufgrund der
virtuellen Erde am Eingang dieses Operationsverstärkers 11, in dessen Rüc kkopplung
skreis der zu prüfende pn-Übergang 3 liegt, praktisch nicht abgezweigt. Infolgedessen
fließt fast der gesamte, den Widerstand 13 durchfließende Strom durch den pn-Übergang,
was dem Anschluß des pn-Überganges 3 an den Stromgenerator 1 äquivalent ist. Wenn
ich der Umschalter in der unteren Stellung befindet, wircl in Reihe mit dem Wilerstand
13 zusätzlich der Widerstand 14 geschaltet, und der Strom am Eingang des Verstärkers
11 nimmt ab. Folglich nimmt auch (ler dut cli zwei pn-Übergang 3 fließende Strom
sprungartig ab, was (leln Anschluß des ersteren an den Haupt-Stromgenerator 6 äquivalent
ist. Da in beiden Fällen die Ströme durch die gleiche Spannung am Ausgang des Stromstellers
7 bestimmt werden, so ändern sich die Ströme bei Änderung dieser Spannung synchron.
Dadurch wird das Verhälnis #I/I konstant gehalten.
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Die Spannung am pn-Übergang 3, die praktisch gleich der Spannung am
Ausgang des Operationsverstärkers 11 ist, weil die Spannung an
dessen
Eingang bei dessen ausreichend großem Verstärkungsfaktor nahe Null ist, wird aufgrund
des vorstehend Gesagten dem Faktor m proportional sein.
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Die Arbeit der Einrichtungen, deren Schaltungen in Fig. 4 und 5 dargestellt
sind, unterscheidet sich praktisch nicht von der Arbeit der in Fig. 3 dargestellten
Einrichtung. Bei allen diesen Einrichtungen stellt der Spannungswandler 4 einen
Wechselspannungsverstärker mit einem durch die Gleichung (7) festgelegten Verstärkungsfaktor
dar, wodurch die Eichung des Registriergeräts 5 erleichtert wird, das in diesem
Fall als ein Wechselspannungsvoltmeter ausgeführt wird.
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Bei Anwendung des Widerstands-Vierpols 19 (Fig. 4) mit zwei hintereinandergeschalteten
Widerständen 13 und 14 wird als Schaltelement 2 ein Unterbrecher (Schalter) eingesetzt,
was die praktische Realisierung der erfindungsgemäßen Einrichtung vereinfacht.
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Kommen bei dem Vierpol 20 (Fig 5) drei Widerstände 13, 14 und 21
zur Anwendung, kann der Unterbrecher (Schalter) in bezug auf das niedrige Potential
der Erde gesteuert werden, was die Anwendung eines Transistors als Unter brecher
erleichtert.
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Bei der Durchführung des Güteprüfverfahrens für einen pn-Übergang
enthaltende Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit Hilfe von Einrichtungen,
bei denen der exponentielle Verlauf des durch den pn-Übergang fließenden Stromes
ausgenutzt wird, kann zur Erzeugung des exponentiellen Stromes ein lfondensator
23 (Fig. 6) eingesetzt werden. Diese Einrichtung arbeitet wie folgt:
Wenn
das als ein Unterbrecher ausgeführte Schaltelement 2 geschlossen ist, fließt durch
den pn-Übergang 3 ein durch den Widerstand 13 und die Gleichspannung des Stellers
7 bestimmter Strom, was der Einrichtung nach Fig. 3 ähnlich ist, wo der Umschalter
in der oberen Stellung liegt. Hierbei wird der Kondensator 23 bis zur Spannung am
Ausgang des Stromstellers 7 aufgeladen. Wenn der Unterbrecher geöffnet ist, so wird
der Kondensator 23 exponentiell mit einer durch dessen Kapazität und die Widerstände
13 und 14 festgelegten Zeitkonstante entladen. Die Spannung erzeugt bei der Entladung
des Kondensators 23 am Eingang des Verstärkers 11 einen sich exponentiell ändernden
Strom, der durch den pn-Übergang 3 fließt, ohne sich auf den Eingang des Operationsverstärkers
11 abzuzweigen.
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Gegen Ende der Entladung wird der durch den pn-Übergang 3 fließende
Strom durch die Widerstände 13 und 14 bestimmt, weshalb durch den pn-Übergang 3
ein Minimalstrom fließt, der einen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung von etwa
4 f entsprechend der Ungleichung (2) T sichert. Hierbei wird der Spannungswert am
Ausgang des Stromstellers 7 derart gewählt, daß der obere Stromwert unterhalb des
durch dieselbe Ungleichung (2) bedingten liegt. Es liegt auf der Hand, daß, wenn
die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges exponentiell wäre, am Ausgang des
Verstärkers 11 (d. h. am pn-Übergang 3) ein linearer Spannungsverlauf in der Zeit
aufträte. Jedoch wird aufgrund der Abweichung der Strom -Spannungs-Kennlinie des
pn-Überganges 3 von der Exponentialfunktion die zeitliche Spannungsänderung am Ausgang
des Verstärkers 11 von der Exponentialfunktion verschieden sein. Nach der Differentiation
durch das Differenzierglied 4 entstehen daher an dessen Ausgang Impulse, deren Amplitude
in der Zeit den Verlauf der
Abhängigkeit des Faktors m vom Wert
des Stromes durch den pn-Ubergang 3 nachbildet Zur Stabilisierung der Werte des
Faktors m wird bei der beschriebenen Einrichtung als das Registriergerät 5 ein Oszillograph
eingesetzt, es kommt aber auch ein stroboskopisches Voltmeter zum Messen von Augenblickswerten
der Amplitude von am Ausgang des Differenzierglieds 4 entstehenden Impulsen in Frage.
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Die in Fig 7 dargestellte Einrichtung arbeitet praktisch in Analogie
zur oben beschriebenen Der Unterschied besteht lediglich dar in, daß ein exponentieller
Stromimpuls beim Schließen des Unterbrechers entsteht Das Vorhandensein des Widerstandes
29 sorgt für den Abfall des Stromes durch den pn-Übergang nicht auf den Wert Null,
sondern auf einen gewissen minimal zulässigen Wert gemäß der Ungleichung (2).
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Die Ausführungsform der Einrichtung, bei der der am S:ingang des
Operationsverstärkers 111 liegende Vierpol 30 (Fig 8) als nichtlineares Bauelement
eine Diode 31 enthält, arbeitet wie folgt: Das als ein Unterbrecher ausgeführte
Schaltelement 2 schaltet an die Diode 31 periodisch den als eine Sägezahnspannungsquelle
ausgeführten Stromsteller 7 an Hierbei ändert sich der durch die Diode 31 fließende
Strom nach einem dem Exponentialgesetz nahen Gesetz.
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Derselbe Strom fließt aufgrund der Wirkungsweise des Operationsverstärkers
11 auch durch den pn-Übergang 3. Die der Spannung am pn-Übergang 3 praktisch gleiche
Ausgangsspannung des Verstärkers 11 wird mittels des Differenzierglieds 4 differenziert,
und das Signal vom Ausgang des Glieds 4 gelangt auf das Registriergerät 5.
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Der Vorteil der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung ist,
daß die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges 3 in bezug auf die reale idealisierte
Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode 31 untersucht wird.
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In den Fällen, wo eine relative Kontrolle des Faktors m zu sichern,
d. h. ein Signal
zu erhalten ist, mit m = Abweichungsfaktor der Strom -Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges
eines zu untersuchenden Halble iterbauelementes oder einer integrierten Schaltung
in bezug auf eine idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie, m = Abweichungsfaktor
der Strom-Spannungs-Kennlinie einer e Vergleichs- oder Normaldiode in bezug auf
eine idealisierte Strom-Spannung s-Kennlinie, werden die in Fig. 9 und 10 dargestelltenAusführungsformen
der Einrichtung empfohlen. Bei diesen wird die Spannung des Stromstellers 7 aus
der am pn-Übergang entstehenden Spannung subtrahiert, wodurch die Auflösung dieser
Einrichtungen gegenüber der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung erhöht werden kann.
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Wenn die Strom-Spannungs lSennlinien der Diode 31 und des pn-Überganges
3 identisch sind, liegt tatsächlich am AusganLg des Verstärkers 11 wiederholt die
Spannung des Stromstellers 7 Daher liegt im Idealfall beim Subtrahieren dieser Spannungen
am Ausgang des Subtraktionsglieds eine Nullspannung an. Hierbei übernehmen der Summierverstärker
37 (Fig 9) und der Differenzverstärker 44 (Fig. 10) die Rolle des Subtraktionsglieds.
Die Spannungen von deren Ausgängen können direkt dem Registriergerät 5 zugeführt
oder aber differenziert werden, wie dies mit Hilfe des Differenzierglieds gemacht
worden ist.
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Die Anwendung des Addierverstärkers 37 (Fig 9) ist auf die Gegenphasigkeit
der Spannungen arn Ausgang des Stromstellers 7 und am Ausgang des Operationsverstärkers
11 zurückzuführen Obgleich bei den in Fig . 9 und 10 dargestellten Einrichtungen
die resultierende Ausgangsinformation über den Faktor m in Form von # - ## erhalten
wird, werden die Grenzen für zulässige Werte In zur P rognose der Lebensdauer von
mindestens einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelementen aufgrund der Vorgabe
von me entsprechend der Ungleichung mmin#m#mmax mit mmin#1 und mmax#2, woraus Grenzwerte
für eine relative Abweichung
ermittelt werden, gewählt Die Ausführungsform der Einrichtung mit n Stromgeneratoren
arbeitet wie folgt
Das als ein Wählschalter ausgeführte Schaltelement
2 (Fig. 11) arbeitet in der Weise, daß es nach dem Anschluß eines der n Widerstände
des Vierpols 50 an den Eingang des Operationsverstärkers 11 über den Widerstand
13 einige Zeit über an diesen Eingang zwei Widerstände mit angrenzenden Widerstandswerten
periodisch anschaltet, wodurch dem Gleichanteil des Stromes durch den pn-Übergang
3 eine Wechselstromkomponente in Form von Rechteckimpulsen überlagert wird.
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Hierbei unterscheidet sich die Wirkungsweise der betreffenden Einrichtung
für jeden der n feststehenden Werte des Gleichanteils des Stromes durch den pn-Übergang
3 keineswegs von der Wirkungsweise der Einrichtung, in der zum Messen des Faktors
m durch den pn-Übergang 3 (Fig. 3) ein Strom mit einem Gleich- und einem Wechselanteil
geschickt wird.
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Gleichzeitig ist es ganz offensichtlich, daß sich bei einer die Konstanz
von Spannungsinkrementen am pn-Übergang sichernden Wahl von Widerstandswerten der
n Widerstände praktisch eine exponentielle Abhängigkeit diskreter Werte der durch
den pn-Übergang 3 (Fig. 11) geschickten Gleichstromkomponente von der Stellung des
Wählschalters, d. h. von n, ergibt. Bei n zur to liegt also der Fall der Vorgabe
eines Stromes durch den pn-Übergang vor, der den Verlauf von exponentiellen Impulsen
aufweist, wie dies bei den in Fig. 7 bis 10 dargestellten Einrichtungen der Fall
ist. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall die Spannungsinkremente am pn-Übergang
gegen Null gehen. Gerade deshalb kommt zur Gewinnung einer Aussage über den Faktor
m bei den in
Fig. 7 bis 10 dargestellten Einrichtungen als Spannungswandler
ein Differenzierglied zum Einsatz.
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Der Vorteil der in Fig. 3 bis 6 dargestellten Einrichtungen ist die
Ermöglichung einer statischen Messung des Abweichungsfaktors m in jedem Punkt der
Strom -Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges mit Hilfe eines analogen oder digitalen
Voltmeters, das als das Registriergerät 5 benutzt wird. Vorteilhaft ist bei den
in Fig. 7 bis 10 dargestellten Einrichtungen die Moglichkeit einer Beobachtung der
Abhängigkeit des Abweichungsfaktors m vom Strom auf dem Bildschirm eines als das
Registriergerät 5 verwendeten Oszillographen.
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Die in Fig. 11 dargestellte Einrichtung gestattet, sowohl den Abweichungsfaktor
m in einem beliebigen Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie mit einer Stabilisierung
dieses Punktes im Laufe einer beliebig langen Zeitspanne, d. h. statisch, zu messen,
als auch die Abhängigkeit dieses Faktors in Form einer Wahl diskreter Werte für
n feststehende Werte des Gleichanteiles des Stromes durch den pn-Übergang 3 zu beobahten.
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Die Ausnutzung des bekannten Parameters m beim erfindungsgemäßen
Güteprüfverfahren für Halbieiterbauelemente und integrierte Schaltungen als Kriterium
gewährleistet eine zuverlässige Gtitekontrolle sowohl im Stadium der Herstellung
der Halbleiterbauelemente und der integrierten Schaltungen als auch im Stadium deren
Eingangskontrolle. Von besonderem Wert ist die vorliegende Erfindung für ein zum
Dauerbetrieb vorgesehenes Gerät auf der Basis von Halbleitsbauelementen
und
integrierten Schaltungen. Das Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung
gewährleisten eine direkte, schnelle und exakte Messung des Faktors m und ermöglichen
eine Beobachtung der Abhängigkeit m = f (I) in einem weiten Bereich von durch den
pn-Übergang geschickten Strömen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung gestatten eine
100prozentige Kontrolle von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen
mit hoher Geschwindigkeit im gesamten genannten Bereich von Durchlaßströmen durch
den pn-Übergang. Die Einrichtung zeichnet sich durch die Einfachheit der elektrischen
Schaltung und kleine Abmessungen aus und erfordert bei der Bedienung beim Betrieb
keine spezielle Vorbereitung. Es ist auch zweckmäßig, sie in wissenschaftlichen
Forschungslaboratorien zur Analyse von Ausfällen der Halbleiterbauelemente und der
integrierten Schaltungen zu verwenden.