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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlegen einer Hochspannung
an ein Halbleiterbauelement, eine Vorrichtung zum Anlegen einer
Hochspannung an ein Halbleiterbauelement und eine Vorrichtung zum
Prüfen
eines Halbleiterbauelements mit Hochspannung.
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Halbleiterbauelemente
werden nach ihrer Produktion üblicherweise
auf Funktionsfähigkeit
geprüft.
In manchen Fällen
ist dabei eine Prüfung
mit höheren
Spannungen, beispielsweise mit 2000 Volt oder mehr, erforderlich.
Beim Testen von Halbleiterbauelementen mit einer derartigen Hochspannung kann
es unter Normalbedingungen, das heißt Atmosphärenluft bei ca. 1000 hPa Luftdruck,
in der Testanordnung zu Spannungsüberschlägen kommen. Dadurch können auch
weiterreichende Folgeschäden, zum
Beispiel eine Schädigung
der verwendeten Messgeräte
oder eine Schädigung
der Kontaktelemente, auftreten. Zur Vermeidung von Schäden durch
Spannungsüberschläge wird
das Prüfen
von Halbleiterbauelementen mit Hochspannung unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise
Schwefelhexafluorid, durchgeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfen von Halbleiterbauelementen
mit Hochspannung in normaler Atmosphärenluft ohne Schutzgas zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtungen gemäß den jeweiligen
unabhängigen
Patentansprüchen
gelöst.
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Bei
einem Verfahren zum Anlegen einer Hochspannung an ein Halbleiterbauelement
wird eine Niederspannung an einer von einem Halbleiterbauelement,
an das eine Hochspannung anzulegen ist, räumlich entfernten Position
erzeugt. Die Niederspannung wird zu einer dem Halbleiterbauelement räumlich benachbarten
Position zugeleitet. Aus der zugeleiteten Niederspannung wird an
der dem Halbleiterbauelement räumlich
benachbarten Position eine Hochspannung erzeugt. Die Hochspannung wird
an das Halbleiterbauelement angelegt.
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Eine
Vorrichtung zum Anlegen einer Hochspannung an ein Halbleiterbauelement
weist eine Niederspannungseinheit auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen
einer Niederspannung an einer von einem Halbleiterbauelement, an
das eine Hochspannung anzulegen ist, räumlich entfernten Position.
Sie weist eine Leitung auf, die eingerichtet ist zum Zuleiten der Niederspannung
zu einer dem Halbleiterbauelement räumlich benachbarten Position.
Sie weist ferner eine Hochspannungseinheit auf, die eingerichtet
ist zum Erzeugen einer Hochspannung aus der zugeleiteten Niederspannung
an der dem Halbleiterbauelement räumlich benachbarten Position.
Sie weist außerdem eine
Kontaktiereinheit auf, die eingerichtet ist zum Anlegen der Hochspannung
an das Halbleiterbauelement.
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Eine
Vorrichtung zum Prüfen
eines Halbleiterbauelements mit Hochspannung weist eine Prüfelektronik
auf, die eingerichtet ist zum Prüfen
eines Halbleiterbauelements und eingerichtet ist zum Erzeugen einer
Niederspannung. Sie weist weiterhin einen von der Prüfelektronik
räumlich
beabstandet angeordneten Prüfkopf
auf, der eingerichtet ist zum Erzeugen, aus der Niederspannung,
einer Hochspannung zum Prüfen
des Halbleiterbauelements und der eingerichtet ist zum unmittelbaren
Anlegen der Hochspannung an das Halbleiterbauelement. Sie weist weiterhin
eine die Prüfelektronik
und den Prüfkopf verbindende
Leitung auf, die eingerichtet ist zum Zuleiten der Niederspannung
von der Prüfelektronik
zu dem Prüfkopf.
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Anschaulich
ausgedrückt,
besteht ein Aspekt der Erfindung darin, die gewünschte Hochspannung erst direkt
am zu prüfenden
Halbleiterbauelement zu erzeugen. Dadurch muss nur noch ein kleiner
Teil der Testapparatur hochspannungsfest ausgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil
ist, dass die Testapparatur nicht mit speziellen Spannungsquellen
zur Erzeugung von höheren
Spannungen ausgerüstet
werden muss. Ein Prüfkopf
mit lokaler Hochspannungserzeugung kann mit standardmäßiger Prüfausrüstung, beispielsweise
beliebigem „automated
test equipment” (automatisierte
Testausrüstung,
ATE), kombiniert werden. Der Prüfkopf
ist eingerichtet, die Hochspannung aus der ihm zugeleiteten Niederspannung
zu erzeugen. Dadurch wird die flexible Verwendbarkeit von Testausrüstungen
erhöht
und es werden Investitions- und Fertigungskosten gesenkt.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind den abhängigen
Patentansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. Dabei gelten, wo
anwendbar, die Erläuterungen
zu den Verfahren auch sinngemäß für die Vorrichtungen
und umgekehrt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist das Verfahren weiterhin auf, dass das Halbleiterbauelement
mit der angelegten Hochspannung geprüft wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist das Verfahren weiterhin auf, dass die angelegte Hochspannung
von dem Halbleiterbauelement entfernt bzw. wieder entfernt wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das Erzeugen der Niederspannung ein Erzeugen mit einer
Prüfelektronik.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Prüfelektronik
eine automatisierte Testeinrichtung („automated test equipment”, ATE).
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist das Verfahren weiterhin auf, dass das Halbleiterbauelement
mittels der Prüfelektronik
geprüft
wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das Zuleiten ein Zuleiten mit einer flexibel beweglichen
Leitung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Hochspannung größer als
die Niederspannung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Hochspannung größer als
300 Volt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Hochspannung größer als
1000 Volt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Hochspannung größer als
2000 Volt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Niederspannung kleiner als 1000 Volt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Niederspannung kleiner als 300 Volt oder gleich 300 Volt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das Erzeugen der Hochspannung ein Erzeugen mit einer
Spannungsvervielfachungsschaltung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat die Spannungsvervielfachungsschaltung einen Spannungsvervielfachungsfaktor
von mindestens 2 oder von größer als
2.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Spannungsvervielfachungsschaltung mindestens ein
kapazitives Bauelement zum Speichern von Hochspannungsenergie. Ein kapazitives
Bauelement wird häufig
kurz mit dem Wort Kapazität
bezeichnet.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das mindestens eine kapazitive Bauelement zum Speichern
von Hochspannungsenergie einen Kondensator.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das mindestens eine kapazitive Bauelement zum Speichern
von Hochspannungsenergie eine Diode.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet das Erzeugen mit einer Spannungsvervielfachungsschaltung
ein Aufladen eines oder mehrerer kapazitiver Bauelemente mit einer
Eingangsspannung und ein Abgreifen einer gegenüber der Eingangsspannung erhöhten Ausgangsspannung
an dem einen oder den mehreren kapazitiven Bauelementen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Spannungsvervielfachungsschaltung eine Greinacher-Schaltung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Spannungsvervielfachungsschaltung eine Villard-Schaltung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Spannungsvervielfachungsschaltung eine Transformator-basierte
Schaltung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die räumlich
entfernte Position um einen Faktor von mindestens fünf weiter
von dem Halbleiterbauelement entfernt als die räumlich benachbarte Position
von dem Halbleiterbauelement entfernt ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die räumlich
entfernte Position um einen Faktor von mindestens zehn weiter von
dem Halbleiterbauelement entfernt als die räumlich benachbarte Position
von dem Halbleiterbauelement entfernt ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist das Halbleiterbauelement auf einem Halbleiterwafer angeordnet.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Leitung eine flexibel bewegliche Leitung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Niederspannungseinheit eine Prüfelektronik.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Hochspannungseinheit eine Spannungsvervielfachungsschaltung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 ein
Schaltbild einer Spannungsvervielfachungsschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
und
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4 ein
Schaltbild einer anderen Spannungsvervielfachungsschaltung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel.
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Im
Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden”, „angeschlossen” sowie „gekoppelt” verwendet
zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten
Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer
direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren sind identische
oder ähnliche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm 100 eines Verfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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In 101 wird
eine Niederspannung an einer von einem Halbleiterbauelement, an
das eine Hochspannung anzulegen ist, räumlich entfernten Position erzeugt.
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In 102 wird
die Niederspannung zu einer dem Halbleiterbauelement räumlich benachbarten Position
zugeleitet.
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In 103 wird
eine Hochspannung aus der zugeleiteten Niederspannung an der dem
Halbleiterbauelement räumlich
benachbarten Position erzeugt.
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In 104 wird
die Hochspannung an das Halbleiterbauelement angelegt.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Anlegen einer Hochspannung
an ein Halbleiterbauelement gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Ein in 2 ebenfalls dargestelltes Halbleiterbauelement 205,
an das die Hochspannung angelegt werden soll, gehört selbst
nicht zu der Vorrichtung.
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Eine
Niederspannungseinheit 201 ist eingerichtet zum Erzeugen
einer Niederspannung an einer von einem Halbleiterbauelement 205,
an das eine Hochspannung anzulegen ist, räumlich entfernten Position.
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Eine
Leitung 202 ist eingerichtet zum Zuleiten der Niederspannung
zu einer dem Halbleiterbauelement 205 räumlich benachbarten Position.
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Eine
Hochspannungseinheit 203 ist eingerichtet zum Erzeugen
einer Hochspannung aus der zugeleiteten Niederspannung an der dem
Halbleiterbauelement 205 räumlich benachbarten Position.
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Eine
Kontaktiereinheit 204 ist eingerichtet zum Anlegen der
Hochspannung an das Halbleiterbauelement 205. Die Kontaktiereinheit 204 verfügt über einen
oder mehrere Prüfkontakte 206 zum
Anlegen der Hochspannung an das Halbleiterbauelement 205.
Die Kontaktiereinheit 204 kann beispielsweise zwei Prüfkontakte 206 haben.
Die Kontaktiereinheit 204 kann beispielsweise einen Prüfkontakt 206 für den einen
Pol der anzulegenden Hochspannung haben und für den anderen Pol der anzulegenden Hochspannung
kann ein gemeinsamer Anschluß (Erde,
Masse) auf einem anderen Weg vorhanden sein. Die Kontaktiereinheit 204 kann
beispielsweise eine Vielzahl von Prüfkontakten 206 haben.
Die genannten Varianten bezüglich
der Prüfkontakte 206 können beispielsweise
beliebig miteinander kombiniert sein.
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Die
Kontaktiereinheit 204 ist mit der Hochspannungseinheit 203 durch
eine Hochspannungsleitung 207 verbunden. Die Hochspannungsleitung 207 kann
auch entfallen, wenn die Kontaktiereinheit 204 unmittelbar
an der Hochspannungseinheit 203 angeordnet ist. Die Kontaktiereinheit 204 und
die Hochspannungseinheit 203 können auch in einer Einheit
integriert sein, beispielsweise in einem Prüfkopf, der eingerichtet ist
zum Erzeugen, aus der Niederspannung, einer Hochspannung zum Prüfen des Halbleiterbauelements 205 und
eingerichtet ist zum unmittelbaren Anlegen der Hochspannung an das Halbleiterbauelement 205.
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Die
Niederspannungseinheit 201 kann eine Prüfelektronik beinhalten. Eine
Prüfelektronik,
eingerichtet zum Prüfen
eines Halbleiterbauelements und eingerichtet zum Erzeugen einer
Niederspannung, kann an die Stelle der Niederspannungseinheit 201 treten.
Die Leitung 202 kann eine Prüfelektronik und einen Prüfkopf verbinden
und eingerichtet sein zum Zuleiten der Niederspannung von der Prüfelektronik zu
dem Prüfkopf.
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Anschaulich
ausgedrückt,
beruht ein Aspekt der Erfindung darauf, die gewünschte Hochspannung erst nahe
bei dem Messkopf beziehungsweise direkt am Messkopf zu erzeugen.
Das heißt,
die Hochspannung wird nahe beziehungsweise direkt am „device
under test” (zu
prüfende
Vorrichtung, DUT, gemeint ist das zu prüfende Halbleiterbauelement 205)
erzeugt.
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Das
geschieht beispielsweise durch eine Spannungsvervielfachungsschaltung
in der Hochspannungseinheit 203. Die Hochspannung wird
dabei aus einer Niederspannung erzeugt, wobei man die Niederspannung
auch als Basisspannung für
die Vervielfachung bezeichnen könnte.
Die Basisspannung vor der Vervielfachung wird so gewählt, dass
in den mit ihr beaufschlagten Vorrichtungsteilen unter Normalbedingungen
keine Spannungsüberschläge zu erwarten
sind. Es erfolgt eine lokale Spannungsvervielfachung nahe am oder
im Messkopf oder Prüfkopf.
Dadurch werden in großen
Teilen der Testanordnung die benötigten
Spannungen auf ein niedriges Niveau beschränkt und so Spannungsüberschläge vermieden.
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Beispielsweise
erhält
man mit einer Niederspannung von 500 bis 1000 Volt und einer Spannungsvervielfachung
um einen Faktor 2 oder einen Faktor 4 eine Hochspannung im Bereich
von 1000 bis 2000 Volt oder im Bereich von 2000 bis 4000 Volt.
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3 zeigt
ein Schaltbild einer Spannungsvervielfachungsschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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An
den Anschlüssen 301 und 302 wird
eine Eingangsspannung 303 (Niederspannung) angelegt. An
den Anschlüssen 304 und 305 kann
eine Ausgangsspannung 306 (Hochspannung) abgegriffen werden.
Für die
Eingangsspannung 303 wird eine Wechselspannung benötigt, die
jedoch nicht sinusförmig
sein muss. Die Ausgangsspannung 306 ist eine Gleichspannung.
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Während einer
Halbwelle der Eingangsspannung 303 mit einer Polarität, bei welcher
die Diode D1 307 leitet, wird der Kondensator C1 308 aufgeladen.
Dies wird durch die Pfeile 309 symbolisiert. Bei einer
nachfolgenden Halbwelle der Eingangsspannung 303 mit entgegengesetzter
Polarität
addiert sich die Spannung über
den aufgeladenen Kondensator C1 308 mit der Eingangsspannung 303,
so dass über
die Diode D2 310 der Kondensator C2 311 mit einer
Spannung vom doppelten Betrag der Eingangsspannung 303 aufgeladen
wird. Dieser Vorgang wird durch die Pfeile 312 symbolisiert.
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Am
Kondensator C2 311 kann nun eine gegenüber der Eingangsspannung 303 verdoppelte Ausgangsspannung 306 abgegriffen
werden. Eine derartige Schaltung wird auch als Greinacher-Schaltung
bezeichnet.
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4 zeigt
eine andere Spannungsvervielfachungsschaltung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel.
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Dargestellt
ist eine „4-stage
cascade” (4-Stufen-Kaskade)
von vier Spannungsverdopplerschaltungen, die gemäss dem anhand von 3 erklärten Schaltungsprinzip
arbeiten.
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An
den Anschlüssen 401 und 402 wird
die Eingangsspannung „ac
input” (Wechselspannungseingang)
angelegt. Jeweils eine Diode D1 307, ein Kondensator C1 308,
eine Diode D2 310 und ein Kondensator C2 311 bilden
eine Spannungsverdopplungsstufe der Kaskade. An der jeweiligen Diode
D2 310 der vorhergehenden Stufe liegt die Spannung an,
die zur Speisung der nachgeschalteten Stufe verwendet wird. Diese
ist bei entsprechender Polarität der
Eingangsspannung gleich der Spannung, auf welche der Kondensator
C2 311 der jeweiligen vorhergehenden Stufe aufgeladen ist.
Im Leerlaufbetrieb der Schaltung werden alle Kondensatoren C2 311 auf
die doppelte Eingangsspannung der Schaltung aufgeladen.
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Zwischen
den Anschlüssen „hv Output” (Hochspannungsausgang) 403 und „earth” (Erde, Masse) 404 kann
die Ausgangsgleichspannung der Schaltung abgegriffen werden. Jede
Stufe der Kaskade addiert die an ihrem jeweiligen Kondensator C2 311 anliegende
Spannung, das heißt
etwa das Doppelte der Eingangswechselspannung, zur Ausgangsgleichspannung.
Mit der gezeigten 4-fach-Kaskade wird also etwa eine Verachtfachung
der Eingangsspannung erreicht.
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Die
in 3 und 4 gezeigten Spannungsvervielfachungsschaltungen
halten die Hochspannungsenergie in erster Linie in den Kondensatoren
C2 311 bereit. Bei einer Stromentnahme am Ausgang wird
Energie vom Eingang über
die Kondensatoren C1 308 und die Kondensatoren C2 311 nachgeliefert.
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Da
das Nachladen der Kondensatoren bei Stromentnahme eine gewisse Zeit
benötigt,
ist bei einem Kurzschluss am Ausgang beziehungsweise einem Hochspannungsüberschlag
die instantan freiwerdende Energie auf die in den Kondensatoren
bereits vorhandene Energie begrenzt. Durch die Verwendung von Kondensatoren
als Energiespeicher werden die bei der Hochspannung verfügbaren Energiemengen
beschränkt
und damit ist selbst bei einem Hochspannungsüberschlag ein gewisser Schutz
der Schaltung und des zu prüfenden
Halbleiterbauelements gegeben.