DE1089887B

DE1089887B - Method and device for determining the electrical resistance of a body made of an extremely pure semiconductor material for electronic purposes

Info

Publication number: DE1089887B
Application number: DES65921A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-11-21
Filing date: 1959-11-21
Publication date: 1960-09-29

Description

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus einem extrem reinen Halbleitermaterial für elektronische Zwecke Zusatz zur Patentanmellung S 60504 VIII c/21e (Auslegeschrift 1 082 67 Die Hauptpatentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke mit Hilfe der Hochfrequenz-Resonanzmethode, bei der die bei Resonanz eines Schwingkreises bestehenden Strom- bzw. Spannungsverhältnisse als Maß für den Widerstand dienen, unter kapazitiver Ankopplung des- Körpers an mindestens zwei Stellen an den Schwingkreis. Der Schwingkreis wird mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Ankopplungskapazität zur Resonanz gebracht. Method and device for determining electrical resistance a body made of an extremely pure semiconductor material for electronic purposes Addition to patent application S 60504 VIII c / 21e (Auslegeschrift 1 082 67 The main patent application relates to a method for determining the electrical resistance of a body made of extremely pure semiconductor material for electronic purposes using the high-frequency resonance method, in which the current or voltage ratios existing at resonance of an oscillating circuit serve as a measure of the resistance, with capacitive coupling of the body to at least two places on the oscillating circuit. The oscillating circuit is made with only one a frequency slightly below its resonance frequency and excited by change the coupling capacitance brought to resonance.

Die Erfindung betrifft eine Ergänzung und Verbesserung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß wird die Anlopplungskapazität des Körpers stetig periodisch verändert und die Spannung an einem über ein praktisch rückstromfreies Ventil mit den beiden Polen des Schwingkreises verbundenen Kondensator gemessen. Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Einrichtung verwendet werden, die zur kapazitiven Ankopplung von stabförmigen Körpern gabelförmige, in definiertem Abstand voneinander in der Längsachse des Stabes angeordnete Anschlußstücke besitzt, wobei eine mechanische Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, durch die der Abstand mindestens eines dieser Anschlußstücke indem Stab stetig periodisch verändert werden kann. Zweckmäßig ist ein Kondensator unter Zwischenschaltung einer Röhrendiode an beide Pole des Schwingkreises angeschlossen und ein Röhrenvoltmeter an beide Pole des Kondensators. The invention relates to a supplement and improvement of this method. According to the invention, the tapping capacity of the body is continuously and periodically changed and the voltage on one via a practically backflow-free valve with the two Poles of the resonant circuit connected capacitor measured. To carry out the Method, a device can be used for capacitive coupling of rod-shaped bodies fork-shaped, at a defined distance from each other in the Has connecting pieces arranged along the longitudinal axis of the rod, a mechanical one Drive device is provided through which the distance at least one of these Connection pieces in the rod can be changed continuously and periodically. Is expedient a capacitor with a tube diode connected to both poles of the resonant circuit connected and a tube voltmeter to both poles of the capacitor.

Das Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung stellt eine Verbesserung der bekannten Resonanzmethode dar, bei der aus der Dämpfung, die ein an einem Schwingkreis angeschlossener Widerstand in dem Schwingkreis bei Resonanz hervorruft, auf die Größe dieses Widerstandes geschlossen wird. Halbleitermaterial fällt für gewöhnlich in Körpern von unregelmäßigen Oberflächenformen an. Es ist gegen Verunreinigungen sehr empfindlich. Nach der Hauptpatentanmeldung wird deshalb ein Schwingkreis nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz erregt und durch Veränderung der Ankopplungskapazität des kapazitiv angekoppelten Halbleiterkörpers zur Resonanz gebracht. Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können sich auf diese Weise nicht auf das Meßergebnis auswirken. Dieses stellt allein ein Maß für die durch den Widerstand des Halbleiterkörpers hervorgerufene Dämpfung dar. Eine Verunreinigung des Halbleitermaterials tritt nicht auf, da die kapazitive Ankopplung metallische Kontaktierungen überflüssig macht. The process according to the main patent application represents an improvement the well-known resonance method, in which from the damping, which is a part of a resonant circuit connected resistance in the resonant circuit causes at resonance to the Size of this resistance is closed. Semiconductor material usually falls in bodies with irregular surface shapes. It's against contamination very sensitive. According to the main patent application, an oscillating circuit is therefore only excited a little below its resonance frequency and by changing the coupling capacitance of the capacitively coupled semiconductor body brought to resonance. irregularities the surface cannot affect the measurement result in this way. This alone represents a measure for the resistance of the semiconductor body caused attenuation. A contamination of the semiconductor material does not occur because the capacitive coupling makes metallic contacts superfluous.

Die praktische Durchführung des Verfahrens sieht so aus, daß die Ankopplungskapazität von Hand verändert wird, beispielsweise indem der Abstand eines Anschluß stückes von dem Halbleiterkörper verändert wird, und daß dabei die Änderung des Ausschlages eines Meßgerätes, beispielsweise eines an beide Pole des Schwingkreises angeschlossenen Spannungsmeßgerätes, beobachtet wird. Bei einer bestimmten Einstellung der Ankopplungskapazität tritt Resonanz ein, und der Meßgerätausschlag zeigt ein Maximum. The practical implementation of the process is such that the Coupling capacity is changed by hand, for example by changing the distance of a Connection piece of the semiconductor body is changed, and that the change in the Deflection of a measuring device, for example one on both poles of the resonant circuit connected voltmeter, is observed. With a certain setting of the coupling capacitance, resonance occurs and the meter deflection occurs Maximum.

Dieses Maximum wird durch Probieren festgestellt.This maximum is determined by trial and error.

Aus der Höhe dieses Maximums läßt sich dann die Dämpfung und damit der Widerstand entnehmen.From the height of this maximum, the damping and thus remove the resistance.

Zweckmäßigerweise werden empirisch Eichkurven aufgestellt, die für einen bestimmten Durchmesser des meist stabförmig anfallenden Halbleitermaterials bei definierten Abmessungen der verwendeten Apparatur den Zusammenhang zwischen der Höher des Meßgerätausschlages bei Resonanz und dem spezifischen Widerstand e des Halbleitermaterials angeben. Eine derartige Eichkurve zeigt beispielsweise Fig. 3.Appropriately, calibration curves are established empirically for a certain diameter of the mostly rod-shaped semiconductor material with defined dimensions of the equipment used, the relationship between the higher of the measuring device deflection at resonance and the specific resistance e of the semiconductor material. Such a calibration curve is shown, for example, in FIG. 3.

Trotz der Erleichterung durch diese empirisch ermittelten Eichkurven ist das Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung doch noch in einem Punkt recht umständlich, nämlich in dem der Abstimmung auf Resonanz mit Hilfe der Ankopplungskapazität. Despite the relief provided by these empirically determined calibration curves the procedure after the main patent application is still quite cumbersome in one point, namely in the tuning to resonance with the help of the coupling capacity.

Hier bringt das erfindungsgemäße Verfahren einen Fortschritt, indem nämlich keine Abstimmung mehr nötig ist, sondern statt dessen die Ankopplungskapazität des Körpers stetig periodisch verändert wird.Here the inventive method brings a progress by namely, coordination is no longer necessary, but instead the coupling capacity of the body is continuously and periodically changed.

Der mit beiden Polen des Schwingkreises verbundene Kondensator wird dabei über das praktisch rückstromfreieVentil mit der höchsten vorkommenden Spannung, d. h. also mit der im Resonanzfall sich einstellenden Spannung, aufgeladen. Ein an den Kondensator angeschlossenes Spannungsmeßgerät zeigt unmittelbar die Resonanzspannung an. Zweckmäßigerweise wird als rückstromfreies Ventil eine Röhrendiode verwendet.The capacitor connected to both poles of the resonant circuit is via the practically non-return valve with the highest occurring voltage, d. H. that is, charged with the voltage that occurs in the case of resonance. A A voltmeter connected to the capacitor shows the resonance voltage immediately at. A tube diode is expediently used as the backflow-free valve.

Es erscheint zweckmäßig, die Spannungsmessung praktisch leistungslos durchzuführen, beispielsweise mit Hilfe eines Röhrenvoltmeters.It seems appropriate to have the voltage measurement practically without power to be carried out, for example with the help of a tube voltmeter.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, aus dem weitere Einzelheiten der Erfindung hervorgehen. In the drawings, an embodiment is shown from which further details of the invention will emerge.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens auf stabförmiges Halbleitermaterial; Fig. 2 zeigt eine Resonanzkurve und Fig. 3 eine Eichkurve. Fig. 1 shows schematically a device for applying the method on rod-shaped semiconductor material; FIG. 2 shows a resonance curve and FIG. 3 a calibration curve.

Die Fig. 1 enthält einen Schwingkreis, der aus einem Kondensator 2 und einer Spule 3 besteht. Uber eine induktiv angekoppelte Spule 4 wird dieser Schwingkreis mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz fo erregt. Diese Spule4 wird an den Klemmen 5 von einem Hochfrequenzgenerator gespeist. Statt dessen kann auch der Schwingkreis 2, 3 direkt im Anodenkreis einer gitterseitig mit fo erregten Pentode liegen. Der Schwingkreis-ist mit einem Pol 6 geerdet. An diesem Pol sind zwei gabelförmige Anschlußstücke 7 galvanisch angeschlossen. Diese beiden Anschlußstücke sind in definierter Lage zueinander festgelegt. Ein drittes, ähnlich geformtes Anschlußstück 8 ist mit dem anderen Pol 9 des Schwingkreises galvanisch verbunden. Dieses Anschluß stück 8 ist zwischen den beiden Anschlußstücken 7 in definiertem Abstand von diesen gelagert, und zwar so, daß es einen Freiheitsgrad hat, indem nämlich sein Abstand von einem in die beiden äußeren Anschlußstücke 7 eingelegten stabförmigen Halbleiterkörper 10 veränderlich ist. Mit Hilfe eines Motors 11 kann über einen Kurbeltrieb 12 der Abstand von dem Stab stetig periodisch verändert werden. Selbstverständlich kann diese Bewegung auch durch andere Mittel ausgeführt werden. Fig. 1 contains an oscillating circuit consisting of a capacitor 2 and a coil 3 consists. This is via an inductively coupled coil 4 Resonant circuit with a frequency only slightly below its resonance frequency fo excited. This coil 4 is fed by a high-frequency generator at terminals 5. Instead, the resonant circuit 2, 3 can be placed directly in the anode circuit on the grid side lying with fo excited pentode. The resonant circuit is grounded with a pole 6. At Two fork-shaped connecting pieces 7 are galvanically connected to this pole. These both connectors are set in a defined position to each other. A third, similarly shaped connector 8 is galvanic with the other pole 9 of the resonant circuit tied together. This connection piece 8 is between the two connection pieces 7 in stored at a defined distance from these, in such a way that there is one degree of freedom has, namely by its distance from one to the two outer connecting pieces 7 inserted rod-shaped semiconductor body 10 is variable. With the help of an engine 11, the distance from the rod can be continuously and periodically changed via a crank mechanism 12 will. Of course, this movement can also be carried out by other means will.

Der gleiche Effekt ist auch erzielbar, wenn zwischen dem Anschlußstück 8 und dem Pol 9 in Serie zu dem nun starren, beispielsweise im gleichen Abstand vom Stab wie die Gabeln 7 befindlichen gabelförmigen Anschlußstück 8 ein Drehkondensator eingeschaltet wird, den ein kleiner Hilfsmotor ständig durchdreht. The same effect can also be achieved if between the connector 8 and the pole 9 in series with the now rigid, for example at the same distance from the rod like the forks 7 located fork-shaped connector 8 is a variable capacitor is switched on, because a small auxiliary motor is constantly cranking.

Ein Kondensator 13 ist an beide Pole des Schwingkreises 2, 3 angeschlossen. Dieser Kondensator kann sich über ein Ventil 14, das in der einen Anschlußleitung liegt, mit der Schwingkreisspannung aufladen. A capacitor 13 is connected to both poles of the resonant circuit 2, 3. This capacitor can be via a valve 14, which is in the one connecting line charge with the resonant circuit voltage.

Mit Hilfe eines Meßgerätes 15 wird die Kondensatorspannung gemessen. Es empfiehlt sich, hierfür ein praktisch leistungsloses Meßgerät, also beispielsweise ein Röhrenvoltmeter, vorzusehen.The capacitor voltage is measured with the aid of a measuring device 15. It is advisable to use a practically powerless measuring device, for example a tube voltmeter to be provided.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist nun folgende: Der Schwingkreis 2, 3 wird mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz fo erregt. Durch Veränderung des Abstandes des Anschlußstückes 8 von dem Stab 10 wird die dem Schwingkreis parallelgeschaltete, aus den Anschlußstücken und dem Stab bestehende Kapazität ebenfalls verändert. Dabei tritt bei einer bestimmten Größe dieser Kapazität in dem Schwingkreis 2, 3 Resonanz auf, und die Schwingkreisspannung zeigt ein Maximum. The mode of operation of this device is as follows: The oscillating circuit 2, 3 is at a frequency fo which is only slightly below its resonance frequency excited. By changing the distance of the connecting piece 8 from the rod 10 is the one connected in parallel to the resonant circuit, consisting of the connecting pieces and the rod Capacity too changes. At a certain size, this capacity occurs resonance in the resonant circuit 2, 3, and the resonant circuit voltage shows a maximum.

In Fig. 2 ist die Schwin,okreisspannung U in Abhängigkeit von dem Weg x des Anschlußstückes 8 dargestellt. Die -Höhe des Maximums hängt von der Dämpfung des Schwingkreises ab, d. h. bei sonst konstanten Daten von dem Widerstand des Halbleiterkörpers 10. In Fig. 2 is the Schwin, ok circuit voltage U as a function of the Path x of the connector 8 is shown. The height of the maximum depends on the attenuation of the oscillating circuit, d. H. with otherwise constant data from the resistance of the semiconductor body 10.

In Fig. 3 ist eine empirisch leicht zu ermittelnde Eichkurve dargestellt. Sie zeigt den Ausschlag A des Meßinstrumentes 15 in Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand e des Halbleitermaterials bei definierten Abmessungen des Halbleiterkörpers, d. h. in dem dargestellten Beispiel bei konstantem Durchmesser d des Halbleiterstabes. Dieser Meßgerätausschlag A zeigt die Höhe der Spannung des Kondensators 13, d. h. also der maximal auftretenden Schwingkreisspannung, an. Man kann also leicht aus der Meßgerätanzeige den spezifischen Widerstand bestimmen, indem man in der Eichkurve den zugehörigen Wert aufsucht. Das von dem mit der Arbeit Beauftragten durchzuführende Verfahren erschöpft sich also in dem Einlegen des Halbleiterkörpers in die Anschlußstücke 7, anschließendem Ablesen des Meßgerätausschlages und Aufsuchen des zugehörigen Widerstandswertes in der Eichkurve. Das mit viel Zeitaufwand verbundene Einstellen des Resonanzpunktes durch Probieren entfällt. In Fig. 3, a calibration curve that is easy to determine empirically is shown. It shows the deflection A of the measuring instrument 15 as a function of the specific Resistance e of the semiconductor material with defined dimensions of the semiconductor body, d. H. in the example shown with a constant diameter d of the semiconductor rod. This meter deflection A shows the level of the voltage of the capacitor 13, i. H. i.e. the maximum occurring resonant circuit voltage. So you can get out easily Determine the specific resistance of the meter display by looking at the calibration curve searches for the associated value. The one to be carried out by the person in charge of the work The method is thus exhausted in the insertion of the semiconductor body in the connecting pieces 7, then reading off the measuring device deflection and looking for the associated Resistance value in the calibration curve. The time-consuming adjustment of the resonance point by trying is not necessary.

PLTENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Körpers aus extrem reinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke mit Hilfe der Hochfrequenz-Resonanzmethode, bei der die bei Resonanz eines Schwingkreises bestehenden Strom- bzw. Spannungsverhältnisse als Maß für den Widerstand dienen, unter kapazitiver Ankopplung des Körpers an mindestens zwei Stellen an den Schwingkreis, bei dem der Schwingkreis mit einer nur wenig unter seiner Resonanzfrequenz liegenden Frequenz erregt und durch Veränderung der Ankoppiungskapazität des Körpers zur Resonanz gebracht wird, nach Patentanmeldung S 60504 VIII c/21 e, dadurch gekennzeitchnet, daß die Ankopplungskapazität des Körpers stetig periodisch verändert und die Spannung an einem über ein praktisch rückstromfreies Ventil mit den beiden Polen des Schwingkreises verbundenen Kondensator gemessen wird. PLTENTANSPROCHE: 1. Procedure for determining electrical resistance a body made of extremely pure semiconductor material for electronic purposes Using the high-frequency resonance method, in which the resonance of an oscillating circuit existing current or voltage conditions serve as a measure for the resistance, with capacitive coupling of the body at at least two points to the resonant circuit, in which the resonant circuit is only slightly below its resonance frequency Frequency excited and by changing the coupling capacity of the body to resonance is brought, according to patent application S 60504 VIII c / 21 e, thereby calculated, that the coupling capacity of the body changes continuously and periodically and the voltage on one via a practically backflow-free valve with the two poles of the oscillating circuit connected capacitor is measured.

Claims

2. Device for performing the method according to claim 1 for Body in the form of a rod, characterized in that one of the capacitive coupling of the rod used connecting pieces provided with a mechanical drive device by which its distance from the rod can be changed periodically.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the two poles of the resonant circuit with the interposition a tube diode connected to a capacitor and to tap the voltage on Capacitor a tube voltmeter is provided.