DE2414340B2

DE2414340B2 - Verfahren und Einrichtung zur Güteprüfung für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem isoliert zugänglichen PN-Übergang

Info

Publication number: DE2414340B2
Application number: DE2414340A
Authority: DE
Inventors: Evgenia Iosifovna Chimki Model Geb. Lifschits
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-25
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1980-04-30
Also published as: US4012695A; DE2414340A1; DE2414340C3; GB1464768A

Description

Die Erfindung betrifft die Meßtechnik, insbesondere η Güteprüfverfahren Für Halbleiterbauelemente bzw. :eräte und integrierte Schaltungen nach dem Oberbe- t,-, "iff der Patentansprüche I und 2 sowie eine inrichtung /u dessen Durchführung, nach dein V_x -JJ-,

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Jedoch gibt der Steigungskoeffizient der Strom-Spannungs-Kennlinie des Si!izium-pn-ÜbPrgangs im Sperrbereich einen nur sehr ungefähren Aufschluß über die Defekte des pn-Übergangs aufgrund des prinzipiellen Fehlens eines für die Germanium-pn-Übergänge charakteristischen Sältigungsbercichcs. Infolge der sehr geringen Aussagekraft des Steigungskoeffizienten 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.

Es ist eine Einrichtung zur Durchführung dc~ Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen bekannt, die einen .Stromgenerator, an den über ein Schaltelement der pn-Übergang eines Halbleiterbauelements oder einer integrierten Schaltung angeschlossen ist, und ein mit ihm elektrisch gekoppeltes Registriergerät enthält (vgl. z. B. US-PS 32 12 001).

['?i der genannten Einrichtung werden als Registrier gerate zwei Speichervoltmeter eingesetzt, die an den pn-Übergang synchron mit dem Sch'ckon (durch diesen) zweier vorgegebener Ströme abwechselnd angeschlossen werden und am pn-übergang durch diese Ströme

im u.'i>kiⁱn1

,■hl.. I₁V

gestattet es also, die durch die bekannten Ströme /ι und /> verursachten Spannungsabfälle U, bzw. LJ₂ zu ermitteln und folglich die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges zu errechnen. Doch stellt die als

U ₁ - U₂

I U

Ti

definierbare Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie einen Diffcrentialwiderstand des pn-Übergangs in einem durch den mittleren Strom

vorgegebenen Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie bei üblicher linearer Teilung dar.

Vorstehend wurde aber gezeigt, daß die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs bei linearer Teilung, d. h. dessen Differentialwiderstand, kein aussagekräftiger Parameter ist, also dessen Anwendung unzweckmäßig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufgeführten Nachteile zu überwinden und ein derartiges Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen auf der Grundlage eines solchen physikalischen Parameters des pn-Übergangs zu entwickeln, der vom Zustand der Oberfläche des letzteren abhängt und die Lebensdauer dieser Bauelemente und jn 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 physikali- y, sehen Parameters, ohne Berechnungen vornehmen zu müssen, ermöglicht.

Alternative Lösungen der Aufgabe bei dem Güteprüfverfahren nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 sind durch den kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angegeben.

Zur Lösung der Aufgabe bei einer Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 trägt die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 3 bei. ,,

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche 4 bis 7 angegeben.

Das erfindungsgemäße Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen auf der Grundlage von pn-Übergängen besitzt eine erhöhte -_jU 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.

Der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren als Qualitätskriterium gewählte Abweichungsfaktor der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges bezüglich der idealisierten (exponentiellen) Kennlinie gestattet es, den Zustand der Fläche der _bo pn-Übergänge (Vorhandensein von Kanälen, Inversionsschichten) genau zu beurteilen, der die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente und der integrierten Schaltungen bestimmt.

Die für die Durchführung des Verfahrens vorgesehe- (,5 ne Einrichtung ist für die Schaffung von Automatisierungsmitleln zur Kontrolle von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen bei einer für eine Massenfertigung ausreichenden Leistung gut geeignet Die Einrichtung besorgt eine Direktablesung de! Abweichungsfaktors m an der Skala des Mittels zui Stabilisierung, als die ein beliebiges bekanntes Voltme ter vom analogen oder digitalen Typ eingesetzt werder kann. Die Schaltung der erfindungsgemäßen Einrich tung ist äußerst einfach, was deren hohe Zuverlässigkei und geringe Fertigungskosten gewährleistet.

Die Erfindung wirtd nachstehend anhand dei Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Blockschaltung eines Ausführungsbeispiel! der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente unc integrierte Schallungen,

■ I £,. ~ UlCSviUV ,1,·, ,.l,3utl.llv]lVI «.,*..».· ..Λ.,,*.· >»up^>

lung zwischen dem Spannungswandler und derr Stromsteller der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 3 die Prinzipschaltung einer ersten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einerr Widerstands-Vierpol,

Fig. 4 dieselbe mit einer anderen Ausführungsforn des Vierpols.

F i g. 5 dieselbe mit einer dritten Ausführungsform de! Vierpols,

F i g. 6 die Prinzipschaltung der zweiten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem au; aktiven und reaktiven Elementen aufgebauten Vierpol.

F i g. 7 dieselbe mit einer anderen Ausführungsforn des Vierpols,

Fig.8 dieselbe mit einem aus einem nichtlinearer Element aufgebauten Vierpol gemäß der Erfindung,

F i g. 9 dieselbe mit einem Addierverstärker, der eine zusätzliche elektrische Kopplung des Wandlers mit derr Stromsteller vornimmt, gemäß der Erfindung,

Fig. 10 dieselbe mit einem Differenzverstärkei gemäß der Erfindung, und

F i g. 11 die Prinzipschaltung der ersten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Einrichtung mit n—\ zusätzlichen Stromgeneratoren.

Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung sollen nachfolgend zunächst deren theoretische Voraus Setzungen erläutert werden.

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung der Güte von Halbleiterbauelementen sind bekannt: Röntgen strahl-Werkstoffprüfung und Infrarotdefektoskopie Verfahren, die eine Bewertung der Halbleiterbauele mente nach Rauschparametern hinauslaufen, Güteprüf verfahren nach dem Verlauf der Strom-Spannungs Kennlinie von in Sperrichtung vorgespannten pn-Über gangen der Halbleiterbauelemente. Die elektrischer Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente, die ir einer Messung von Rauschparametern ihrer pn-Über gänge und einer Untersuchung von Strom-Spannungs-Kennlinien im Sperrgebiet bestehen, sind jedoch wenig aussagekräftig.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Rauschparameter bei wiederholten Messungen schwer reproduzierbar sind. Die Strom-Spannungs-Kennlinien der ir Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge sind schwei zu standardisieren, insbesondere für Silizium-Halbleiterbauelemente, bei denen ein Sättigungsgebiet im Sperrzweig der Strom-Spannungs-Kennlinie grundsätzlich fehlt.

Bekanntlich ist für die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente der Zustand von deren Oberfläche die wichtigste Einflußgröße. Obwohl die Rauschparametei und der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Übergangs auch eine Korrelation mit dem Zustand

von dessen Oberfläche haben, ist eine Beurteilung der Güte nach diesen Parametern aus den oben genannten Gründen erschwert.

Es ist weiter bekannt, daß im Durchlaßbereich die Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Übergangs der theoretischen exponentiellen Abhängigkeit keinesfalls folgt. Insbesondere ist das darauf zurückzuführen, daß der Sättigungsstrom des pn-Übergangs nicht nur von der Paarbildungs- bzw. Generationskomponente, sondern auch noch von einer Reihe anderer Komponenten abhängig ist. Zu den letzteren zählt die Rekombinationskomponente des Sättigungsstromes, die sich in einer starken Abhängigkeit vom Zustand der Oberfläche befindet.

Die Abweichung der realen Strorn-Spannurigs-Kennlinie von der idealen exponentielien Abhängigkeit wird mit Hilfe eines Abweichungsfaktors m berücksichtigt, der in den Exponenten der e-Funktion der bekannten, die Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealisierten pn-Übergangs beschreibenden Funktion eingeht:

/ = Uexp(l//m_V7.) - 1)

(D

Λ = äquivalenter Sättigungsstrom,
U = Spannung am pn-übergang,
φ_τ = AT/g-Temperaturspannung.

Da die Rekombinationskomponente den größten Einfluß auf den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie im Bereich kleiner Ströme durch den pn-Übergang in Durchlaßrichtung ausübt, empfiehlt es sich, deren Verlauf im Bereich kleiner Ströme in Durchlaßrichtung zu beurteilen.

Dieser Strombereich wird nach oben und nach unten begrenzt durch die Beziehung:

(2)

U>4,_IT

U = Spannungsabfall am pn-Übergang,

Rt, = Ersatzwiderstand des Basisstromkreises des pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstandes.

Die Begrenzung des Wertes des Durchlaßstromes nach unten in der Weise, daß tA4g>7-ist, gestattet es, den Einfluß des zweiten Gliedes in runden Klammern der Gleichung (1) auf das Untersuchungsergebnis in bezug auf den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie auszuschließen.

Die Begrenzung nach oben durch das Verhältnis

R,

gestattet es, den Einfluß des Spannungsabfalls am Basiswiderstand eines Halbleiterbauelements beim Fließen eines Durchlaßstromes durch den pn-Übergang auszuschließen. Dieser Spannungsabfall bedingt die Ungleichheit der Außenspannung und der an den pn-Übergang unmittelbar angelegten Spannung, indem er dessen Strom-Spannungs-Kennlinie bei größeren Injektionsströmen bestimmt. Der genannte Umstand beeinflußt die Art der Abhängigkeit des Faktors m vom Strom durch den pn-Übergang bei größeren Strömen.

Was aber den Wert des Faktors m im Bereich kleinerer Ströme 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.

Theoretisch ist der Faktor m 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 Halbleiterbauelemente oder die integrierten Schaltungen anzusehen, bei denen der Abweichungsfaktor m der Strom-Spannungs-Kennlinien ihrer pn-Übergänge bezüglich der Strom-Spannungs-Kennlinien der idealisierten pn-Übergänge in den Grenzen von 1 bis 2 liegt.

Gerade die Werte des Faktors m im Bereich von

m„,

wo /π,,,/nfi, m,_mn-2, gilt, werden als Bewertungskriterien für den Zustand der Oberfläche, d. h. für die Güte der pn-Übergänge enthaltenden Halbleiterbauelemente oder integrierten Schaltungen, empfohlen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in den Fällen einer Inversion der Oberfläche oder beim Vorhandensein von Kanälen m>2 und <1 wird. Hierbei treten im

jo vorliegenden Änderungsbereich für die Ströme durch die pn-Übergänge im Falle defekter pn-Übergänge Extremwerte des Faktors m auf; bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher wichtig, die Untersuchung im gesamten Strombereich ununter-

j5 brechen 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 Halbleiterbauelements oder einer integrierten Schaltung vermitteil, die einen pn-Übergang enthält vom Typ »pn-Übergang vorhanden oder nicht vorhandene.

Zur Gewinnung einer Information über den Abweichungsfaktor m werden Inkremente von Spannungen an den pn-Übergängen bei Änderung von deren Durchlaßströmen gemessen.

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 integrier ten Schaltungen eine Aussage über den Wert des Faktors m enthält

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gebildet, daß der durch den pn-Übergang geschickte Strom einen Verlauf aufweist, der durch das Vorhandensein eines Gleich- und eines Wechselanteils bestimmt wird, deren Verhältnis im gesamten Bereich des Strommittelwertes konstant gehalten wird. Hierbei wird auf den Wert des Faktors m als der Amplitude des Wechselanteils der Spannung am

pn-Obergang geschlossen.

Ein Verfahren zum Beaufschlagen eines pn-Übergangs mit einer Summe von Gleich- und Wechselanteil unter Messung der Wechselspannung am pnObergang

ist bekannt. Es wird zum Messen des Differentialwiderstandes des pn-Übergangs angewendet und beruht auf einer angenäherten Differentiation dessen durch den Ausdruck

U = m ■

In I-τ-

beschriebener Strom-Spannungs-Kennlinie. Wenn dieser Ausdruck differenziert und zu endlichen Inkrementen übergegangen wird, so erhält man einen algorithmischen Ausdruck zum Bestimmen des Differentialwiderstandes:

I U
I/

m 'ir

oder für den Strombereich / » /,:

\ U m if _T

~TT~n

Hierbei stellt der Strom / zur Messung einen Gleichstrom dar und gibt einen Punkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges vor, an dem r gemessen wird, Al ist eine dem Strom / überlagerte Wechselkomponente und AU die Amplitude des Wechselanteils des Spannungsabfalls am pn-Übergang. In diesem Fall wird die Konstanthaltung von Al grundsätzlich im gesamten Änderungsbereich des Stromes / ermöglicht, weshalb sich die Spannung A L/als proportional zu rerweist.

Die Besonderheit des vorliegenden Meßverfahrens für den Faktor m, das es gestattet, die Güte der pn-Übergänge zu prüfen, besteht darin, daß das

Verhältnis—-konstant gehalten wird. Dann ist

U = m ., j- — = C · m (6)

C = ν 7- -η- = const,

und folglich ist AU, d.h. der Abfall der Wechselspannung am pn-Übergang, dem Faktor m proportional, weil

ψη und — konstant sind.

Wenn also der Strom /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 m_mj„ noch oberhalb von m_ma» liegen darf, proportional ist, so kann eine wirksame Kontrolle von deren Qualität vorgenommen werden.

Hierbei wird zur genauen Eichung des beispielsweise ein Wechselspannungsvoltmeter darstellenden Registriergeräts zwischen diesem und dem pn-Übergang ein Wechselspannungsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor A geschaltet:

Α =

'lT

mit (J_1n,.

Meßbereich des Wechselspannungsvoltmeturs,

/»«a» = erwünschter Meßbereich des Faktors m in relativen ganzzahligen Einheiten.

Ein anderes Verfahren zur Direktmessung des Faktors m nach dem Änderungswert von Spannungsinkrcmenten 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 entstehende Spannungsimpulse werden differenziert, und auf den Wert des Faktors m wird aus den Augenblickswerten der Amplitude der nach der Differentiation erhaltenen Impulse geschlossen.

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 / mit einer exponentiellen Abhängigkeit von der Art

beschrieben wird, der Spannungsabfall am pn-Uber-2> gang vom Parameter (, z. B. der Zeit, linear abhängt:

U = m ,, _r (\n f + at\ . (9)

⁾⁽¹ Durch Differentiation erhält man also

dU

= (1 ■ Ii!

7 7

(10)

Da .i, m und φ? Konstanten darstellen, ist die

Ableitung-;—dem Abweichungsfaktor m direkt propordr

tional. Für einen pn-Übergang mit einer idealisierten 4Ii Strom-Spannungs-Kennlinie ist der Faktor m=\,

deshalb ist——=const, was mit einer Konstanthaltung

von durch einen sich exponentiell ändernden Strom verursachten Spannungsinkrementen am pn-Übergang

4-j gleichbedeutend ist. Für reale pn-Übergänge ist der Faktor m + \, und folglich ist-^—-=l=const. Aufgrund

dieses Inkrementes sind die Spannungen am realen pn-Übergang nicht konstant, was von einer Änderung

">o des Faktors m zeugt, nach dessen Wert auf den Grad der Fehlerhaftigkeit, d. h. auf die Güte, eines einen pn-Übergang enthaltenden Haibleilerbauelementes oder einer integrierten Schaltung geschlossen wird.

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

bo 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 Registriergeräts angeschaltet

An den Steuereingang des Haupt-Stromgenerators i ist der Steuereingang eines zusätzlichen Stromgenera-

tors 6 und an die beiden Steuereingänge der Generatoren 1 und 6 ein Stromsteller 7 angeschlossen, auf dessen Signal sich die Ströme am Ausgang der Siromgeneratoren 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 Strommittelwert, angeschlossen.

Es ist eine andere Ausführungsform der Einrichtung m möglich, wo der Wandler 9 der Spannung in ein elektrisches Signal mit dem Ausgang des Stellers 7 über eine zusätzliche elektrische Kopplung 10 (Fig. 2) verbunden ist.

Wenn durch den pn-Ubergang 3 ein Strom fließt, ■-, dessen Verlauf durch das Vorhandensein eines Gleich- und eines bei der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung Rechteckimpulse darstellenden Wechselanteils 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 Schaltelements 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 «ι 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. j-,

Der an den pn-Übergang 3 angeschlossene Spannungswandler 4 stellt bei der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung einen Wechselspannungsverstärker dar, der aus der integrierten Schaltung eines Operationsverstärkers 15 aufgebaut ist, in dessen An Gegcnkopplungskreis ein Widerstand 16 und an dessen Eingang ein Widerstand 17 und ein Kondensator 18 liegen. Hierbei wird d<?r Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 durch das Verhältnis der Werte der Widerstände 16 und 17 bestimmt und ist dem Verhältnis 4-, der mittleren (Gleich)-stromes durch den pn-Übergang 3 zur Amplitude des Wechselstromanteiles (der Stromdifferenz) proportional.

Das den Wert des Faktors m anzeigende Registriergerät 5 stellt bei der erfindungsgemäßen Ausführung -,₍₁ der Einrichtung ein nach einer allgemein bekannten Schaltung aufgebautes Wechselspannungsvoltmeter dar.

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

Der Unterschied besteht lediglich in der schaltungstechnischen Lösung eines in Reihe ligende Widerstände _bo 13 und 14 enthaltenden Vierpols 19 (Fig.4). Hierbei ist parallel zum Widerstand 14 ein einen Unterbrecher darstellendes Schaltelement 2 geschaltet, was für diese Ausführung der Einrichtung von Vorteil ist

Es ist eine dritte Ausführungsform der Einrichtung _b5 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.

Der Unterschied besteht auch lediglich in der schaltungstechnischen Lösung eines Widerstände 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.

Der Vorteil der beschriebenen Schaltung besteht in der möglichen Steuerung des Schaltelements 2 bezüglich des Erdpotentials.

Bei den drei oben beschriebenen Ausführungen der Einrichtung wird durch den pn-Übergang eines zu untersuchenden Halbleiterbauelements 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.

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 Halbleiterbauelements 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.

Bei der vorliegenden Ausführung der Einrichtung sieik der Stromsteller 7 einen Gleichspannungsger.erator (Gleichspannungsquelle) und das Mittel zur Stabilisierung des Mittelwertes eines Stromes durch den pn-Übergang 3 ein dem o^en 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.

Das den Wert des Faktors m anzeigende Registriergerät 5 stellt bei der vorliegenden Ausführung der Einrichtung einen nach einer bekannten Schaltung aufgebauten Oszillographen dar.

Es ist eine andere, der beschriebenen Ausführung ähnliche Ausführungsform der Einrichtung möglich, bei der durch den pn-Übergang 3 gieichfalls ein den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweisender Strom geschickt wird.

Der Unterschied besteht darin, daß als reaktives Element des Vierpols 27 (F i g. 7) eine Induktivitätsspule 28 benutzt wird. Hierbei liegt in Reihe mk der Spule 28 ein Widerstand 29. Ferner liegt das Schaltelement 2 in Reihe mit dem Widerstand 14.

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.

Der Unterschied besteht darin, daß der Vierpol 30 (Fig.8) aus einem .iichtlinearen Bauelement, als das eine eine exponentiell 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 RechteckstromimpuJsgenerator 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.

Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform 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.

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. Der Unterschied besteht darin, daß der Spannungswandler 9 (F i g. 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. 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.

Die beschriebene Einrichtung gestattet es, gegenüber der in F i g. 8 dargestellten am Eingang des Registriergeräts 5 ein Signal zu erhalten, das dem Verhältnis der Differenz der Faktoren m des Normal-pn-Übergangs der Diode 31 — und des zu untersuchenden pn-Überganges 3 zum Faktor m dieses Normal-Überganges proportional ist.

Es ist eine andere, der oben beschriebenen Ausführung ähnliche Ausführungsform der Einrichtung möglich, die die gleiche Aufgabe wie auch die vorherige Ausführungsform löst.

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 Narr>KripKonon Λ ιiefiihtMincrcfOrm Αΐη<=η Ϊ Imcr»halti*r

LsC5«-lll ibuviivii ι tuuiuiii Ljii^^i^· ··· ν · · · ν · · -^j · ■ · ~ »- · · μ · ν w ·

darstellenden Schaltelements wird der Nichtinvertereingang ( + ) des Operationsverstärkers 42 periodisch entweder an den Stromsteller 7 angeschlossen oder geerdet, während der Invertereingang über die eine idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisende Diode 31 an Erde gelegt ist

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 symmetrischer Eingängen, in dessen Gegenkopplungskreis ein Widerstand 46 liegt. Der Invertereingang ( — ) des Verstärken 45 ist mittels eines Widerstandes 47 mit den pn-Übergang 3 des zu untersuchenden Halbleiterbau elements und der Invertereingang ( + ) mit Hilfe eine! Widerstandes 48 und des Schaltelements 2 mit den Stromsteller 7 verbunden, wodurch die zusätzliche elektrische Kopplung 10 zustandekommt.

Die in Fig.9 und 10 dargestellten Ausführungsformen der Einrichtungen können ohne das Differenzierglied ausgeführt sein. In diesem Fall sind die Ausgänge des Addier- oder des Differenzverstärkers 37 bzw. 44 mit dem Ein„ang des Registriergeräts 5 unmittelbai verbunden. Hierbei stellt der Stromsteller 7 eine Gleichspannungsquelle dar.

Falls für die Gütekontrolle eine begrenzte Zahl vor Punkten der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs genügt, an denen der Wert des Abweichungsfak-

so tors m geprüft wird, wird eine Ausführungsform mil zusätzlichen Stromgeneratoren vorgeschlagen, derer Anzahl größer Eins, aber gleichzeitig begrenzt ist. Diese Aiisführungsform ist der in F i g. 3 dargestellten analog Der Unterschied besteht darin, daß das Schaltelement 5 (F i £. 11) im Vierpol 50 in Form eines Wahlschalters füi η Stellungen ausgeführt ist. In dieser Ausführungsforn bildet der Operationsverstäiker 11 mit einem Wider stand 51 des Vierpols 50 den Haupt-Stromgenerator 1 und mit dem Widerstand 52 dieses Vierpols einen dei zusätzlichen Stromgeneratoren 6. Hierbei sind die übrigen n — 2 zusätzliche Stromgeneratoren jeweils durch den Operationsverstärker 11 und n — 2 in dei Zeichnung gestrichelt angedeutete Widerstände gebil det. Die Werte der genannten Widerstände sind derari gewählt, daß die Stromstärken der Stromgeneratorer die Erzielung von konstanten Spannungsinkrementer am pn-Übergang mit einer idealisierten Strom-Span nungs-Kennlinie bei einer Kommutierung zweiei Widerstände mit angrenzenden Widerstandswerter gewährleisten.

Alle oben beschriebenen Ausführungsformen dei Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahren! für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltunger sind mit gleichem Erfolg auch zur Durchführung einei Untersuchung integrierter Schaltungen anwendbar.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente unc integrierte Schaltungen mit mindestens einem pn-Über gang arbeitet wie folgt:

bo Das Schaltelement 2 (Fig. 1) schaltet periodisch ar den pn-Übergang 3 die Stromgeneratoren 1 und 6 mii verschiedenen Stromstärken an deren Ausgängen an Im Ergebnis fließt durch den pn-Übergang 3 eil gewisser mittlerer Strom

ratoren 1 bzw. 6) mit einer diesem überlagerten Wechselkomponente, deren Amplitude von Spitze zu Spitze gleich der Differenz aus den Strömen

I₁-I₆= M

ist Da die Stromgeneratoren 1 und 6 einen gemeinsamen Stromsteller 7 haben, wird bei Änderung des Stromes Z das Verhältnis -^- 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-Übergangs 3 des zu untersuchenden Halbleiterbauelements proportional. Mit Hilfe des Mittels 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes Z werden dessen Werte in durch die Beziehung (2) festgelegten Grenzen eingehalten.

Beispielsweise wird anhand von Anzeigen des Registriergeräts 5 (F i g. 3 bis 5), das in Form eines in Bezugswerten geeichten Wechselspannungsvoltmeters ausgeführt ist, auf den Wert des Faktors m geschlossen, und 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.

Die Ausführungsform der das Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen durchführenden Einrichtung, die gemäß dem Verfahren aufgebaut ist, wo durch den pn-Übergang 3 (' >^T. 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 Rückkopplungskreis 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-Übergangs 3 an den Stromgenerator 1 äquivalent ist. Wenn sich der Umschalter in der unteren Stellung befindet, wird in Reihe mit dem Widerstand 13 zusätzlich der Widerstand 14 geschaltet, und der Strom am Eingang des Verstärkers 11 nimmt ab. Folglich nimmt auch der durch den pn-Übergang 3 fließende Strom sprungartig ab, was dem 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 Verhältnis -ίί konstant

gehalten. 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.

Die Arbeit der Einrichtungen, deren Schaltungen in F i g. 4 und 5 dargestellt sind, unterscheidet sich ten 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 Wechselspannungjvoltmeter ausgeführt wird.

Bei Anwendung des Widerstands-Vierpois 19 (F i g. 4) mit zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 13 und 14 wird als Schaltelement 2 ein Unterbrecher

ίο (Schalter) eingesetzt, was die praktische Realisierung der erftndungsgemäßen Einrichtung vereinfacht

Kommen bei dem Vierpol 20 (F i g. 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 Unterbrecher erleichtert

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 Kondensator 23 (F i g. 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 F i g. 3 ähnlich ist, wo der Umschalter in der oberen

jo 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

i> 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. 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 φτ entsprechend der

4ϊ Ungleichung (2) 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-

-,(I Übergangs exponentiell wäre, am Ausgang des Verstärkers 11 (d.h. am pn-Übergang 3) ein linearer Spannungsverlauf in der Zeit aufträte. Jedoch wird aufgrund der Abwei -hung der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges 3 von der Exponentialfunktion

5ϊ die zeitliche Spannungsänderung am Ausgang des Verstärkers 11 von der Exponentialfunktion verschieden sein. Nach der Differentiation durch das Differenzierglied 4 entstellen daher an dessen Ausgang Impulse, deren Amplitude in der Zeit den Verlauf der

Wi Abhängigkeit des Faktors m vom Wert des Stromes durch den pn-Übergang 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 s'.roboskopisches

hi Voltmeter zum Messen von Augenblickswerten der Amplitude von am Ausgang des Differenzierglieds 4 entstehenden Impulse in Frage.

prakiisch in Analogie zur oben beschriebenen. Der Unterschied besteht lediglich darin, 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).

Die Ausführungsform der Einrichtung, bei der der am Eingang des Operationsverstärkers 11 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 Exponentiaigesetz nahen Gesetz. Derselbe Strom fließt aufgrund der Wirkungsweise des Operationsverstärkers U 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.

Der Vorteil der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung ist, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs 3 in bezug auf die reale idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode 31 untersucht wird.

In den Fällen, wo eine relative Kontrolle des Faktors /77 zu sichern, d. h. ein Signal

nt — tn„

Im

Obgleich bei den in Fig.9 und 10 dargestellten Einrichtungen die resultierende Ausgangsinformation über den Faktor m in Form von

/n — tn_e

erhaiten wird, werden die Grenzen für zulässige Werte m zur Prognose der Lebensdauer von mindestens einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelementen aufgrund der Vorgabe von m_c entsprechend der Ungleichung

mit m,„i„<\ und /n„_u%>2, woraus Grenzwerte für eine relative Abweichung

zu erhalten ist, mit

m = Abweichungsfaktor der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs eines zu untersuchenden Halbleiterbauelements orter einer integrierten Schaltung in bezug auf eine idealisierte Strom-Spannungs- Kennlinie,

m_c = Abweichungsfaktor der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Vergleichs- oder Normaldiode in bezug auf eine idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie,

werden die in F i g. 9 und 10 dargestellten Ausführungsformen 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 F i g. 8 dargestellten Einrichtung erhöht werden kann.

Wenn die Strom-Spannungs-Kennlinien der Diode 31 und des pn-Übergangs 3 identisch sind, liegt hauptsächlich am Ausgang 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 (F i g. 9) und der Differenzverstärker 44 (F i g. 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 Differenzicrglieds gemacht worden ist.

Die Anwendung des Addierverstärkers 37 (F i g. 9) ist auf die Gegenphasigkeit der Spannungen am Ausgang des Stromstellers 7 und am Ausgang des Operationsverstärkers 11 zurückzuführen.

m — m_e \m m m_e

ermi'telt werden, gewählt.

2^r> Die Ausführungsform der Einrichtung mit η Stromgeneratoren arbeitet wie folgt:

Das als ein Wählschalter ausgeführte Schaltelement 2 (Fig. U) arbeitet in der Weise, daß es nach dem Anschluß eines der η Widerstände des Vierpols 50 an

jo den Eingang des Operationsverstärkers U 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 Wechselstromii komponente in Form von Rechteckimpulsen überlagert wird.

Hierbei unterscheidet sich die Wirkungsweise der betreffenden Einrichtung für jeden der η 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.

Gleichzeitig ist es ganz offensichtlich, daß sich bei

Vt einer die Konstanz von Spannungsinkrementen am pn-Übergang sichernden Wahl von Widerstandswerten der η Widerstände praktisch eine exponentiell Abhängigkeit diskreter Werte der durch den pn-Übergang 3 (Fig. II) geschickten Gleichstromkomponente

V) von der Stellung des Wählschalters, d. h. von n, ergibt. Bei η -► °o liegt also der FaM der Vorgabe eines Stromes durch den pn-Übergang vor, der den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweist, wie dies bei den in F i g. 7 bis 10 dargestellten Einrichtungen der Fall ist. Es

T> ist ersichtlich, daß in diesem Fall die Spannungsinkrcmente 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 Differenzier-

ho glied zum Einsatz.

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-Übergangs mit

Μ 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 Möglichkeit einer Beobachtung der Abhängigkeit des

Abweichungsfaktors m vom Strom auf dem Bildschirm eines als das Registriergerät 5 verwendeten Oszillographen.

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 η feststehende Werte des Gleichanteils des Stromes durch den pn-übergang 3 zu beobachten.

Die Ausnutzung des bekannten Parameters in beim erfindungsgemälten Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen als Kriterium gewährleistet eine zuverlässige Gütekontrolle 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 Gerat auf der Basis von Halbleiterbauelementen 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(l) in einem weiten Bereich von durch den pn-übergang geschickten Strömen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung gestatten eine lOOprozentige Kontrolle von

ίο 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.

Hierzu 4 Blalt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem isoliert zugänglichen pn-Übergang, durch den ein zeitlich veränderlicher Strom geschickt wird, wobei aus dem Verhalten des pn-Übergangs bei Stromdurchgang ein ihn beschreibender Güte-Parameter ermittelt wird, ^|0

dadurch gekennzeichnet,
daß als der Güte-Parameter ein Faktor m der Abweichung der gemessenen von der idealen Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs genommen wird, der folgendermaßen in die ideale Strom-Spannungs-Kennlinie eingeht:

/ = IJcxp{U/m,_lT)- 1)

mit /
A
U

Strom durch den pn-Übergang,

äquivalenter Sättigungsstrom.

Spannungsabfall am pn-übergang,

kT/q = Temperaturspannung, "'

k = Boltzmann-Konstante,
T= absolute Temperatur,
q — Elementarladung;

daß der zulässige Güte-Toleranzbereich für den j<i Abweichungs-Faktor m folgendermaßen festgeseizi wird:

m_mi„ < m <m_m

m_min < I ; m_max > 2 ;

daß der Strom / in Durchlaßrichtung des pn-Übergangs und innerhalb des folgenden Stromstärkenbereichs durchgeschickt wird:

Ri, = Widerstandswert des Basisstromkreises des pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstands;

daß durch den pn-Übergang der Strom als Summe eines Gleichanteils / und eines Wechselanteils Al, deren Verhältnis A l/l konstant gehalten wird, geschickt wird; und

daß die gemessene Amplitude des Wechselanteils AU des Spannungsabfalls U am pn-Übergang proportional dem Abweichungs-Faktor in ist.

2. Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem isoliert zugänglichen pn-Übergang, durch den ein zeitlich veränderlicher Strom geschickt wird, wobei aus dem Verhalten des pn-Übergangs bei Stromdurchgang ein ihn beschreibender Güte-Parameter ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß als der Güte-Parameter ein Faktor m der Abweichung der gemessenen von der idealen Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs genommen wird, der folgendermaßen in die i

Strom-Spannungs-Kennlinie eingeht:
I = IA^P W/m,ir)- I)

Λ =
U =
epr =

Strom durch den pn-übergang,
äquivalenter Sättigungsstrom,
Spannungsabfall am pn-Übergang,
kT/q = Temperaturspannung,

k = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elementarladung;

daß der zulässige Güte-Toleranzbereich für den Abweichungs-Fakior m folgendermaßen festgesetzt wird:

m_mi„ < m < m_maz ; m_mi„ < 1; M^_x > 2;

daß der Strom / in Durchlaßrichtung des pn-Übergangs nur innerhalb des folgenden Stromstärkenbercichs durchgeschickt wird:

U>4<_lr

mit Rh

Widerstandswert des Basisstromkreises des pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstands;

daß durch den pn-Übergang der Strom als zeitlich exponentieller Impuls geschickt wird:

/<i = const.,
a = const.,
t = Zeit;

und daß der gemessene zeitliche Differentialquotient dU/dt des Spannungsabfalls U/am pn-Übergang proportional dem Abweichungs-Faktor m ist.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Haupt-Stromgenerator, an den über ein Schaltelement ein Halbleiterbauelement mit dessen pn-Übergang bzw. eine integrierte anschließbar ist, und einem mit ihm elektrisch gekoppeltes Registriergerät,
gekennzeichnet durch

mindestens einen zusätzlichen Stromgenerator (6), dessen Steuereingang an den Steuereingang des Haupt Stromgenerators (1) angeschlossen ist und der über das Schaltelement (2) an den pn-Übergang (3) abwechselnd zum Haupt-Stromgenerator (I) anschließbar ist,

einen Stromsteller (7), dessen Ausgang an die Steuereingänge der Stromgcncratoren (I, 6) angeschlossen ist und auf dessen Signal sich die Ströme an den Ausgängen der Stromgeneratoren (1, 6) synchron ändern;

zum Stromsteller (7) parallel geschaltete Mittel (8) zur Stabiüsicninc da MiUolwprles df", durch den

pn-Obergang (3) geschickten Stromes; und
einen Wandler (4), der am pn-Obergang (3) abgenommenen Spannung in ein elektrisches Signal, der einen vom Verlauf des durch den pn-Obergang

(3) geschickten Stromes und von dessen Mittelwert abhängigen Transformationskoerfizienten aufweist und eine elektrische Kopplung zwischen dem pn-Übergang (3) mit dem den Wert des Abweichungsfaktors (m) anzeigenden Registriergerät (5) hersteiit (F i g. 1).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (9) zusätzlich mit dem Ausgang des Stromstellers (7) elektrisch gekoppelt ist (F i g. 2).

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schicken eines Stromes mit einem Gleich- und einem Wechselanteil durch den pn-Übergang der Haupt- und der zusätzliche Stromgenerator (1; 6) aus einem Operationsverstärker (11), in dessen Gegenkopplungskreis der pn-Übergang (3) liegt, und aus einem an dessen Eingang angeschlossenen Widerstands-Vierpol (12), der mit Hilfe des Schaltelements (2) den Durchfluß von mindestens zwei sich synchron ändernden Strömen durch den pn-Übergang (3) gewährleistet, aufgebaut sind; und daß der Stromsteller (7) als ein Gleichspannungsgenerator und der Spannungswandler (4) als ein Wechselspannungsverstärker mit einem dem Verhältnis des Strommittelwertes zur Stromdifferenz am Eingang des Operationsverstärkers (11) proportionalen Verstärkungsfaktor ausgeführt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schicken eines Stromes mit dem Verlauf von exponentiellen Impulsen durch den pn-Übergang (3) der Haupt- und der zusätzliche Stromgenerator (1, 6) aus einem Operationsverstärker (11), :n dessen Gegenkopplungskrcis der pn-Übergang (3) 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 (7) und dem Schaltelement (2) den Durchfluß des den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweisenden Stromes durch den pn-Übergang (3) gewährleistet, und daß der Spannungswandler (4) ein Differenzierglied ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder t>, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung des Vierpols aus nichtlinearen Elementen das Differenzierglied mit einem Addierverstärker (37) bzw. einem Differenzverstärker (44) versehen ist, dessen Eingang an den Eingang des Differen/.ierglieds und dessen Ausgang an den Eingang des Registriergeräts (5) angeschaltet ist; und daß eine zusätzliche elektrische Kopplung (10) des Spannungswandlers

(4) mit dem Stromsteller (7) vorgesehen ist (Fig. 9, 10).

zur Erfassung von eventuell unzuverlässigen Halbleiterbauelementen bzw. -geräten und integrierten Schaltungen mit pn-Übergängen in Zwischen- und Endstufen der Fertigung sowie zur Eingangskontrolle von Halbleiteibauelementen und integrierten Schaltungen in Betrieben für Gerätefertigung angewendet werden, wo von Geräten aus Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen besonders hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer gefordert werden. Von besonderem Wert

ίο 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-Innejistromkreise gibt, die an die Außenanschlüsse der integrierten Schaltungen angekoppelt werden.

Es ist ein Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem pn-Übergang bekannt, bei dem durch den

2t) pn-Übergang ein veränderlicher Strom geschickt und ein Parameter bestimmt wird, nach dem die Güte der Bauelemente und Schaltungen bewertet wird (vgl. z. B. »Integrated Circuit Engineering«, Basic Technology, Madland et al., Boston 1966, Section 5 u. 19).

r> Beim genannten Verfahren wird 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

jo des pn-Übergangs und auf dessen Überbrückung durch elektrische Ableitung, d. h. auf die Güte von einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen, geschlossen wird. Als Maß für die Steigung wird das Ve^rhältnis von

Γι Differenzen zweier Spannungsabfälle U\ und Ui am pn-Übergang benutzt, die durch bekannte, durch diesen Übergang fließende Ströme /ι und /.? verursacht werden, d.h.: