DE2414340C3 - Verfahren und Einrichtung zur Gütepriifung für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem isoliert zugänglichen PN-Übergang - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Gütepriifung für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem isoliert zugänglichen PN-ÜbergangInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Meßtechnik, insbesondere ein Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente bzw.
-geräte und integrierte Schaltungen nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 sowie eine
Einrichtung zu dessen Durchführung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 die im wesentlichen
zur Erfassung von eventuell unzuverlässigen Halbleiterbauelementen
bzw, -geräten und integrierten Schaltungen mit pn-Übergängen in Zwischen- uiid Endstufen der
Fertigung sowie zur Eingangskontrolle von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen in Betrieben
für Gerätefertigung angewendet werden, wo vcn 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-Innenstromkreise
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
pn-übergang ein veränderlicher Strom geschickt und ein Parameter bestimmt wird, nac*·; 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).
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
ίο 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 Verhältnis von
Differenzen zweier Spannungsabfälle U\ und t/2 am
pn-Übergang benutzt, die durch bekannte, durch diesen Übergang fließende Ströme /1 und h verursacht werden,
d. h.:
h-h
ι /
Jedoch gibt der Steigungsko effizient der Strom-Spannungs-Kennlinie
des Silizium-pn-Übergangs im Sperrbereich einen nur sehr ungefähren Aufschluß über die
Defekte des pn-Übergangs aufgrund des prinzipiellen Fehlens eines für die Germanium-pn-Übergänge charakteristischen
Sättigungsbereiches. 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 des Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente und
integrierte Schaltungen bekannt, die einen Stromgenerator, an den über ein Schaltelement der pn-Übergang
eines Halbleiterbauelements oder einer integrierten Schaltung ange xhlossen ist, und ein mit ihm elektrisch
gekoppe'tes Registriergerät enthält (vgl. z. B. US-PS 32 12 001).
Bei der genannten Einrichtung werden ais 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 l\ und h verursachten Spannungsabfälle U, bzw. U2 zu
ermitteln und folglich die Steigung der Stroin-Spannungs-Kennlinie
des pn-Überganges /u errechnen. Doch stellt die als
definierbare Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie einen Differentialwiderstand des pn-Übergangs in
einem durch den minieren Strom
vorgegebenen Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie bei üblicher linearer Teilung dar.
Vorstehend w|jrde ?.ber
riaft dip S
flor
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 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.
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 -iner Einrichtung nacn
dem <_»berbegriii ucb raicinaii^. utiis 3 u ägi uic Lein c
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 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
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 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 erfindungsgemäBen Einrichtung
ist äußerst einfach, was deren hohe Zuverlässigkeit und geringe Fertigungskosten gewährleistet.
Die Erfindung wirtd nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die Blockschaitung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung
des Güteprüfverfahrens für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen.
F i g. 2 dieselbe mil zusätzlicher elektrischer Kopplung
zwischen dem Spannungswandler und dem Stromsteller der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 3 die Prinzipschaltung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Widerstands-Vierpol,
F i g. 4 dieselbe mit einer anderen Ausführungsform des Vierpols,
F i g. 5 dieselbe mit einer dritten Ausführungsform des Vierpols,
F i g. 6 die Prinzipschaltung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem aus
aktiven und reaktiven Elementen aufgebauten Vierpol,
F i ρ 7 dieselbe mit einer anderen Ausführungsform
des Vierpols,
Fig. 8 dieselbe mit einem aus einem nichtlinearen Element aufgebauten Vierpol gemäß der Erfindung.
F i g. 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
F i g. 11 die Prinzipschaltung der ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung mit n—\ zusätzlichen Stromgeneratoren.
Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung sollen nachfolgend zunächst deren theoretische Voraussetzungen
erläutert werden.
Γ ι uiuiig uCr vjütv
von Halbleiterbauelementen sind bekannt: Röntgenstrahl-Werkstoffprüfung
und Infrarotdefektoskopie, Verfahren, die eine Bewertung der Halbleiterbauelemente
nach Rauschparametern hinauslaufen, Güteprüfverfahren nach dem Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie
von in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergängen der Halbleiterbauelemente. Die elektrischen
Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente die in einer Messung von Rauschparametern ihrer pn-Übergänge
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 in Sperrichtung vorgespannten pn-Ubergänge sind schwer
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 Rauschparameter 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 iin Durchlaßbereich die
Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Überganps der theoretischen exponciuiellen Abhängigkeit keinesfalls
folgt. Insbesondere ist das darauf zurückzuführen, daß der Sättigungsstrom des pn-Übergangs nicht nur von
der r'narbildungs- 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.
Hie Abweichung der realen Strom-Spannungs-Kenn-Imic
von der idealen cxponentiellen Abhängigkeit wird mit Hilfe eines Abweichungsfaktors m berücksichtigt,
der in den Exponenten der e-Funktion der bekannten,
die Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealisierten pn-Übcrgangs beschreibenden hinktion eingeht:
/ ■■= /, (exp(t/,m7/) - I)
/, = äquivalenter Sättigungsstrom,
U — Spannung am pn-Übergang.
η ι = AT/q-Temperaturspannung.
U — Spannung am pn-Übergang.
η ι = AT/q-Temperaturspannung.
Da die Rekombinationskomponente den größten Einfluß auf den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie
im Bereich kleiner Ströme durch den pn-übergang in Duivtilaßrichtung 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:
υ>4Ίτ
u = apannungsaDtaii am pu-uDergang,
Ri, = Ersatzwiderstand des Basisstromkreises des
pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstandes.
Die Begrenzung des Wertes des Durchlaßstromes nach unten in der Weise, daß t/i4 <prist, 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
It
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 /;; 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 t-aktors mim Bereich von
-'<> Gerade die Werte des t-aktors mim Bereich von
in,„,„ <
in < /",„„,
wo ίπ,,,,,,ίΐ. m,.,.,v?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 rn>2 und
<1 wird. Hierbei treten im
in 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 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 Halbleiterbauelements oder einer integrierten Schaltung vermittelt, die einen pn-Übergang enthält
vom Typ »pn-Übergang vorhanden oder nicht vorhanden«.
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 integrierten
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-Übergang geschlossen.
Ein Verfahren zum Beaufschlagen eines pn-Übergangs mit einer Summe von Gleich- und Wechselanteil
unter Messung der Wechselspannung am pn-Übergang
ist bekannt. Es wird zum Messen des Differentialwiderstandes des pn-Übergangs angewendet und beruht auf
einer angenäherten Differentiation dessen durch den Ausdruck
U = /μ
7 Γ
In
(H
(3)
beschriebe,ier 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 /
L" 'Lr
l + K
oder für den Strombeieich / » /%:
I II
(4)
(5)
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 Δ U die Amplitude des Wechselanteils des Spannungsabfalls am
pn-Übergang. In diesem Fall wird die Konstanthaltung
von ΔΙ grundsätzlich im gesamten Änderungsbereich des Stromes / ermöglicht, weshalb sich die Spannung
Δ i/als proportional zu r erweist.
Die Besonderheit des vorliegenden Meßverfahrens für den Faktor m, das ".s gestattet, die Güte der
pn-Übergänge zu prüfen, besteht darin, daß das Verhälinis-yi konstant gehalten wird. Dann ist
I U = m ν Γ
= C
(6)
mit
und folglich ist AU, d.h. der Abfall der Wechselspannung am pn-Übergang, dem Faktor m proportional, weil
φ rund-p 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 mmm noch oberhalb von
irimax 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:
A=
t'fT
I/
(7)
mit
= Meßbereich des Wechselspanüüngsvoltmeters,
n,„,„ = erv 'inschter Meßbereich des Faktors m in
relativen ganzzahligen Einheiten.
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 expont ntiellen 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
(K)
beschrieben wird, der Spannungsabfall am pn-übergang vom Parameter f, z. B. der Zeit, linear abhängt:
U = m
-Jü + af).
Durch Differentiation erhält man also
dl/
dl/
df
= a ■ m ■ ij T .
(9)
(10)
Da a, m und ςρτ Konstanten darstellen, ist die
Ableitung^— dem Abweichungsfaktor m direkt propordf
tional. Für einen pn-Übergang mit einer idealisierten
Strom-Spannungs-Kennlinie ist der Faktor m=\,
deshalb ist—;—=const, was mit einer Kinstanthaltung
dt
von durcn einen sicn exponentieii ändernden Strom
verursachten Spannungsinkrementen am pn-Übergang gleichbedeutend ist. Für reale pn-Übergänge ist der
Faktor m+1, und folglich ist——4= 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 Halbleiterbauelementes 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
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.
An den Steuereingang des Haupt-Stromgenerators 1 ist der Steuereingang eines zusätzlichen Stromgenera-"
tors 6 und an die beiden Steucreingänge dnr
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 Strommittelwert, angeschlossen.
Es ist eine andere Ausführungsform der Einrichtung 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 djich den pn-Übergang 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-Stromeenerator
1 und als der zusätzliche Stromgenerator 6 ein Operatic» ^verstärker 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 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.
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
Gegenkopplungskreis ein Widerstand 16 und an dessen Eingang ein Widerstand 17 und ein Kondensator 18
liegen. Hierbei wird eier Verstärkungsfaktor ties Verstärkers 15 durch das Verhältnis der Werte der
Widerstände 16 und 17 bestimmt und ist dem Verhältnis 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
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 srhaltungstechnischen Lösung eines in Reihe ligende Widerstände
13 und 14 enthaltenden Vierpols 19 (F i g. 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 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 Lösungeines Widerstände 13,14
und 21 enthaltenden Vierpols 20 (Fig. 5), wobei diese •ι 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, d"··
in 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.
ι-, 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
.'ο Strom mit dem Wechselanteil in Form von Sinusimpulsen
eingesetzt werden.
Beim Schicken eines die Form von cxponentiellen Impulsen aufweisenden Stromes durch den pn-Übergang
3 wird als der Hauptstromgenerator 1 und als der
2-, 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, ah welches ein
ein Durchleiten zweier sich synchron ändernder Ströme durch den pn-Übergang 3 sichernder Unterbrecher
auftritt.
Bei der vorliegenden Ausführung der Einrichtung stellt der Stromsteller 7 einen Gleichspannungsgenerator
(Gleichspannungsquelle) und das Mittel zur Stabilisierung des iviiiteiwertes eines Stromes tiurcn den
pn-Übergang 3 ein dem oben beschriebener 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 gleichfalls 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 Ausführungsforrn der
Einrichtung möglich, bei der durch den pn-Übergang ein den Verlauf von exponentiellen Impulsen aufweisender
Strom geschickt wird.
Der Unterschied besteht darin, daß aer Vierpol 30
(Fig.8) aus einem nichtlinearen 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 Rechteckstromimpulsgenerator 36 liegt.
Hierbei stellt das Mittel 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes durch den pn-Obergang 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-Obergänge der Halbleiterbauelemente im Vergleich zu den Strom-Spannungs-Kennlinien
der pn-Übergänge von Halbeiterbauelement-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 (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 Ein ;ang des Differenzk
glieds und dessen erster Eingang über einen Widerstand 40 an den pn-Obergang 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 Fig.8 dargestellten am Eingang des Registriergeräts
5 ein Signal zu erhalten, das dem Verhältnis der Differenz der Faktoren mdes 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
beschriebenen Ausführungsform einen Umschalter 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 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 Halbleiterbauelements und der Invertereingang {+) mit Hilfe eines
Widerstandes 48 und des Schaltelements 2 mit dem 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 Eingang des Registriergeräts 5 unmittelbar
verbunden. Hierbei stellt der Stromsteller 7 eine Gleichspannungsquelle dar.
Falls für die Gütekontrolle eine begrenzte Zahl von Punkten der Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs
genügt an denen der Wert des Abweichungsfak-
V) tors m geprüft wird, wird eine Ausführungsform mit
zusätzlichen Stromgeneratoren vorgeschlagen, deren Anzahl größer Eins, aber gleichzeitig begrenzt ist Diese
Ausführungsform ist der in F i g. 3 dargestellten analog. Der Unterschied besteht darin, daß das Schaltelement 2
(Fi g. 11) im Vierpol 50 in Form eines Wahlschalters für
η 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 Stromgeneratoren 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-Kennlinie
bei einer Kommutierung zweier Widerstände mit angrenzenden Widerstandswerten
so gewährleisten.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der Einrichtung zur Durchführung des Güteprüfverfahrens
für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen sind mit gleichem Erfolg auch zur Durchführung einer
Untersuchung integrierter Schaltungen anwendbar.
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 mil
verschiedenen Stromstärken an deren Ausgängen an Im Ergebnis fließt durch den pn-Übergang 3 ein
gewisser mittlerer Strom
Λ+
(U und /h = Ströme an den Ausgängen der Stromgenc-
ratoren 1 bzw. 6) mit einer diesem überlagerten Wechselkomponente, deren Amplitude von Spitze zu
Spitze gleich der Differenz aus den Strömen
I1-I6= I/
ist. Da die Stromgeneratoren 1 und 6 einen gemeinsamen
Stromsteller 7 haben, wird bei Änderung des Stromes /das Verhältnis-ίί-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-Obergangs 3 des zu untersuchenden Halbleiterbauelements
proportional. Mit Hilfe des Mittels 8 zur Stabilisierung des Mittelwertes des Stromes / 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 (F i g. 3) ein
Gleichstrom mit einer diesem überlagerten Wechselkompo.iente 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 H^upt-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 -J- 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 Fig.4 und 5 dargestellt sind, unterscheidet sich
praktisch nicht von der Arbeit der in F i g. 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.
Bei Anwendung des Widerstands-Vierpols 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 erfindungsgemäBen 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
! 5 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 exponentiell 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
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.
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
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-
Übergangs exponentiell wäre, am Ausgang des Verstärkers 11 (d.h. am pn-Übergang 3) ein linearer
Spannu.igsverlauf 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-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 stroboskopisches Voltmeter zum Messen von Augenblickswerten der
Amplitude von am Ausgang des Differenzierglieds 4 entstehenden Impulse in Frage.
Die in Fig. 7 dargestellte Einrichtung arbeilet
Die in Fig. 7 dargestellte Einrichtung arbeilet
praktisch 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 ι r
Strom nach einem dem Exponentialgesetz nahen Gesetz. 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.
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 m zu sichern, d. h. ein Signal
m.
/1 m
m.
m.
30
35
zu erhalten ist, mit
m = Abweichungsfaktor der Strom-Spannungs-Kennlinie
des pn-Übergangs eines zu untersuchenden Halbleiterbauelements oder einer integrierten
Schaltung in bezug auf eine idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie,
mc = Abweichungsfaktor der Strom-Spannur^s-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 Differenzierglieds 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.
Obgleich bei den in Fig.9 und 10 dargestellten Einrichtungen die resultierende Ausgangsinformation
über den Faktor m in Form von
J« - me
erhalten wird, werden die Grenzen für zulässige Werte m zur Prognose der Lebensdauer von mindestens einen
pn-Übergang enthaltenden Halbleiterbauelementen aufgrund der Vorgabe von mc entsprechend der
Ungleichung
min <m<
mit /nm;n<l und /π™,>2, woraus Grenzwerte für eine
relative Abweichung
m — me
m
Am
ermittelt werden, gewählt
Die Ausführungsform der Einrichtung mit η Stromgeneratoren
arbeitet wie folgt:
Das als ein Wählschalter ausgeführte Schaltelement 2 (Fig. II) arbeitet in der Weise, daß es nach dem
Anschluß eines der η 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 Gleichanteii des Stromes durch den pn-Übergang 3 eine Wechselstromkomponente
in Form von Rechteckimpulsen überlagert wird.
Hierbei unterscheidet sich die Wirkungsweise der betreffenden Einrichtung für jeden der π 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 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. 11) geschickten Gleichstromkomponente
von der Stellung des Wählschalters, d. h. von n, ergibt. Bei π -► 00 Hegt also der Fall 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 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 IO dargestellten Einrichtungen als Spannungswandler ein Differenzierglied
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
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
Möglichkeil einer Beobachtung der Abhängigkeit des
Abweichungsfaktors m vom Strom auf dem Bildschirm
eines als das Registriergerät 5 verwendeten Oszillographen.
Die in F i g. 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 π feststehende Werte des
Gleichanteils des Stromes durch den pn-Übergang 3 zu
beobachten.
Die Ausnutzung des bekannten Parameters m beim
erfindungsgemäßen GCieprüfverfahren 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 Gerät auf der Basis von Halbleiterbauelementen
und integrie-ten 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
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.
Hier/u 4 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Güteprüfverfahren für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen mit mindestens einem
isoliert zugänglichen pn-Obergang, 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 ideale Strom-Spannungs-Kennlinie eingeht:
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:
/ = I5 (exp (U/m
<,T) - 1)
Strom-Spannungs-Kennlinie eingeht:
mit
/
h U
h U
φτ :
mmi„<m< mmax ; mmin<
1 ; mmax> 2;
daß der Strom / in Durchlaßrichtung des pn-Übergangs und innerhalb des folgenden Stromstärkenbereichs
durchgeschickt wird:
'It
U>4,,T
mit
Rb :
Widerstandswert des Basisstromkreises des pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstands;
10
20
Strom durch den pn-übergang,
äquivalenter Sättigungsstrom,
Spannungsabfall am pn-übergang,
kT/q = Temperaturspannung, 2:>
k = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elementarladung;
T = absolute Temperatur,
q = Elementarladung;
daß der zulässige Güte-Toleranzbereich für den Abweichungs-Faktor m folgendermaßen festgesetzt
wird:
J5
40
45
daß durch den pn-übergang der Strom als Summe eines Gleichanteiis / und eines Wechselanteils ΔI,
deren Verhältnis Δ I/l konstant gehalten wird, geschickt wird; und
daß die gemessene Amplitude des Wechselanteils Δ U des Spannungsabfalls U am pn-übergang
proportional dem Abweichungs-Faktor m 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,
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 7 = /s(exp(t//mvr)- D
Strom durch den pn-übergang,
äquivalenter Sättigungsstrom,
Spannungsabfall am pn-übergang,
kT/q = Temperaturspannung,
äquivalenter Sättigungsstrom,
Spannungsabfall am pn-übergang,
kT/q = Temperaturspannung,
A: = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elementarladung;
T = absolute Temperatur,
q = Elementarladung;
daß der zulässige Güte-Toleranzbereich für den Abweichungs-Faktor m folgendermaßen festgesetzt
wird:
mmi„ < m <
1 ;
daß der Strom / in Durchlaßrichtung des pn-übergangs nur innerhalb des folgenden Stromstärkenbereichs
durchgeschickt wird:
Ίτ
Rb = Widerstandswert des Basisstromkreises des
pn-Übergangs einschließlich des Außenwiderstands;
daß durch den pn-übergang der Strom als zeitlich exponentieller Impuls geschickt wird:
/0 = const.,
a = const.,
t = Zeit;
a = const.,
t = Zeit;
und daß der gemessene zeitliche Differentialquotient
dU/dt des Spannungsabfalls £//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
gekennzeichnet durch
mindestens einen zusätzlichen Stromgenerator (6). dessen Steuereingang an den Steueremgang des
Haupt-Stromgenerators (I) angeschlossen ist und der über das Schaltelement (2) an den pn-übergang
(3) abwechselnd zum Haupt-Stromgenerator (1) anschließbar ist,
einen Stromsteller (7), dessen Ausgang an die Steuereingänge der Stromgeneratoren (1, 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 Stabilisierung des Mittelwertes des durch den
pn-übergang (3) geschickten Stromes; und
einen Wandler (4), der am pn-übergang (3) abgenommenen Spannung in ein elektrisches Signal, der einen vom Verlauf des durch den pn-übergang
einen Wandler (4), der am pn-übergang (3) abgenommenen Spannung in ein elektrisches Signal, der einen vom Verlauf des durch den pn-übergang
(3) geschickten Stromes und von dessen Mittelwert abhängigen Transformationskoeffizienten aufweist
und eine elektrische Kopplung zwischen dem pn-Übergang (3) mit dem den Wert des Abweichungsfaktors
(m) anzeigenden Registriergerät (5) herstellt ψ ig. 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) de; 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), in dessen Gegenkopplungskreis 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 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung des Vierpols
aus nichtlinearen Elementen das Differenzierglied mit einem Additrverstärker (37) bzw. einem
Differenzverstärker (44) versehen ist, dessen Eingang an den Eingang des Differenzierglieds 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).
Priority Applications (3)
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ID=67550812
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- 1974-04-05 US US05/458,398 patent/US4012695A/en not_active Expired - Lifetime
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