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Verfahren zur Vormessung von llochstromparametern bei
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Leistungstransistoren und hierzu geeigneterLeistungstransistor Stand
der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs
und einem zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Leistungstransistor nach
der Gattung des ersten Vorrichtungsanspruchs. Es ist bekannt, bei Leistungstransistoren,
die nach dem Planarverfahren hergestellt sind, diese noch auf der Halbleiterscheibe
einem sogenannten Vormessen zu unterwerfen.
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Dies ist deshalb möglich, weil sich auf der noch unzerteilten Scheibe
nach den Diffusions- und Metallisierungsschritten bis auf den zunächst noch gemeinsamen
Kollektoranschluß fertige, jedoch völlig getrennte Transistoren
befinden,
so daß jeder dieser Transistoren zur Erzielung einer hohen Endmeßausbeute (nach
dem Ritzen, Brechen, Markieren und Verkappen) entsprechend seinen Leistungsdaten
in bestimmte Kategorien eingeordnet und gekennzeichnet oder verworfen werden kann.
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Diese genaue Vormessung jedes Transistors bzw. jedes Leistungstransistors
noch auf der Scheibe ist jedoch bezüglich der sogenannten ilochstromparameter (beispielsweise
der Sättigungsspannung bei hohen Strömen) ausgeschlossen, und zwar wegen der beim
Vormessen nur begrenzten Möglichkeit der, beispielsweise von einer Meßapparatur
oder auch einem Meßautomaten herrührenden Meßsonden oder Nadeln, hohe Ströme zu
führen, wegen der begrenzten Stromkapazität des Meßautomaten, wegen der nicht kontrollierbaren
Ubergangswiderstände an der Scheibenauflage bei solchen hohen Strömen und überhaupt
wegen der Unmöglichkeit, bei diesen sehr schnellen Vormeßvorgängen im getakteten
Ablauf die erforderlichen hohen Ströme zu schalten und zuzuführen, ganz abgesehen
davon, daß die Meßsonden oder Nadeln selbst sehr schnell beschädigt werden würden,
da hier Ströme in der Größenordnung von 30 Ampere, je nach Leistungstyp auch mehr
oder weniger, zu beherrschen sind.
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Im Prinzip besteht zwar die Möglichkeit, durch entsprechende Verfahrensvorschriften
(z. B. bezüglich des Grundmaterials, der Scheibendicke) und durch die Auswartung
bestimmter Vormeßparameter (z. B. der Verstärkung) Aussagen bezüglich der lioc;;stromparameter
zu machen, diese sind jedoch nur bedingt gültig, so daß stets
ein
gewisser, wenn auch geringer Prozentsatz der Elemente bei der Endmessung die vorgeschriebenen
Hochstromwerte nicht erreicht, was zumindest unnötige Montagekosten verursacht.
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Es besteht daher Bedarf nach einer Möglichkeit, noch auf der Scheibe
befindliche Leistungstransistoren auch bezüglich ihrer Hochstromparameter zu erfassen
und darüber einwandfrei auswertbare und gültige Aussagen machen zu können.
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In der IC-Technik sind Testmuster in der Weise bekannt, daß auf der
Haibleiterscheibe (Si-Scheibe) bestimmte Elemente wegfallen und an ihrer Stelle
ein Testmuster eingeblendet wird. Hierdurch kann aber nur die Scheibe als Ganzes,
nicht jedes Element einzeln getestet werden, so daß als Ergebnis eines solchen Testes
auch nur die Scheibe ila ganzen verworfen werden muß oder als brauchbar bezeichnet
werden kann, nicht die einzelnen Elemente.
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Bekannt ist weiterhin aus der DE-AS 22 01 833 die lierstellung mehrerer
Transistoren aus einer halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps. Hierbei
wird jeweils ein Teil der Basisschicht durch ein ringförmiges Gebilde isoliert,
welches zusammen mit den Emittergebieten in die Basisschicht eindiffundiert wird.
Es wird dann noch vor der Metallisierung und dem Zerteilen der Scheibe der elektrische
Flächenwiderstand der p-leitenden Basisschicht zwischen dem Emitter und der Kollektorschicht
dadurch gemessen, daß Stromund Spannungsmessungen durchgeführt werden zwischen dem
von dem kreisförmigen Gebilde isolierten Teil der Basisschicht und
einem
Punkt der Basisschicht außerhalb dieses ringförmigen Bereichs. ist dann der elektrische
Flächenwiderstand der Basis, von dem die Eigenschaften der hergestellten Transistoren
abhängen, zwischen den Emittern und der Kollektorschicht zu niedrig, dann kann die
Scheibe erneut in den Ofen gebracht werden, so daß die Emitter solange rediffundiert
werden, bis der gewünschte elektrische Flächenwiderstand erreicht ist. Es werden
bei diesem bekannten System also Flächenwiderstände von Basisbereichen überprüft,
nicht jedoch echte Transistordaten an dif fundierten Transistorscheiben. Dabei ist
noch wesentlich, daß bei diesem bekannten Verfahren für die einzelnen Transistoren
keine getrennten t1asisgebiete vorhanden sind; der Basisbereich geht ohne Benutzung
von Degrenzunjsmasken über die ganze Scheibenfläche.
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zeigen dieses durchgehenden Basisbereichs ist eine Vermessung der
einzelnen Transistoren auf der Scheibe vor dem Trennen nicht möglich, tatsächlich
werden die zusätzlichen kreisförmigen Gebilde, die Emitterbereiche darstellen können,
auch nicht direkt zur Messung von Parametern benutzt, sondern sind Isolierbereiche.
Die bei dieser Veröffentlichung vorgenommene Messung des Basisquerwiderstand gibt
allenfalls eine Ersatzniöglichkeit über eine vorher geprüfte Korrelation zwischen
Basiswiderstand und beispielsweise der Verstärkung an, soweit diese nicht durch
noch andere Parameter, wie z.B.
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Trägerlebensdauer, bestimmt wird, so daß maximal eine Voraussage über
die am Haupttransistor zu erwartende Verstärkung emacht werden kann. Mit Hochstromparametern
beschäftigt sich das System dieser DE-AS 22 01 833 nicht.
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Bekannt ist schließlich aus der GB-PS 993 388, zusätzlich zu den gewünschten
Bauwlementen auf der Scheibe in vollständig planar Technik Eli.fstransistoren zu
erstellen, die eine eigene Basis und eigene Emitterbereiche haben. Es ergeben sich
so Hilfstransiltoren, und es ist erforderlich, neben dem Emitterkontaktfteck einen
zusätzlichen, vom Basisbercich des Haupttransistor; getrennten Basiskontaktfleck
vorzusehen.
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Entscheidend ist ab,>r, daß ein solcher kleiner I1ilfstransistor
dem Haupttransistor allenfalls benachbart, aber nicht in diesem enthalten ist. Dadurch
entfällt jedoch die Möglichkeit eines direkten Datenvergleichs mit dem Haupttransistor,
da lokale Ungleichmäßigkeiten, die durch die Herstellungsprozesse auf der Scheibe
auftreten können, zu Unterschieden in den Daten von Haupt- und Hilfstransistor führen.
Gerade die Messung von Hochstromparametern ist dann auf diese Weise nicht möglich,
da das Vormessen des Hilfstransistors keine eindeutige Korrelierung zwischen an
diesem Hilfstransistor gemessenen llochstromwerten mit denen des Haupttransistors
zuläßt.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vormessung
von Hochstromparametern mit den kennzeichnenden Merkmalen des llauptanspruchs bzw.
der erfindungsgemäße Transistor mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Vorrichtungsanspruchs
haben gegenüber der Testmuster-Technik den Vorteil, daß auch die Iiochstromparameterder
einzelnen Leistu?#9' transistoren noch auf der Scheibe und in Verbindung mit dem
Vormeavorgang geprüft und mit erheblicher Präzision festgestellt werden können,
so daß es möglich ist, Fertigungstrends schon beim Vormessen und nicht erst beim
Endmessen nach dem Ritzen, Brechen, Markieren und Verkappen sowie dem Montieren
des Leistungstransistors zu erfassen. Außerdem ist vorteilhaft, daß sich
so,
beispielsweise durch unterschiedliches Einfärben (Inken) Selektionen der auf der
Si-Scheibe befindlichen Leistungstransistoren nach ihren Hochstromparametern durchführen
lassen, um den Einbau in unterschiedliche Gehäuse vornehmen zu können. Eine sonst
übliche Familienbildung beim Endmessen setzt gleiche Gehäuse voraus.
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Vorteilhaft ist weiterhin, daß nur solche Transistor-Kristalle gelagert
zu werden brauchen, die später nach der Montage gute Hochstromwerte ergeben, so
daß sich eine der Unsicherheiten einer Kristallagerung eliminieren läßt. BEi solchen
Transistorkristallen, die zwar intakt sind, aber ungenügende Hochs trome igenschaf
ten haben, kann dann von einer Montage abgesehen werden. Dieser Vorteil ist insbesondere
wesentlich bei sehr aufwendigen Montagearten, z. B. Hybrid-Anordnungen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft
ist, daß durch die Gewinnung einer empirischen Korrelation zwischen den Testtransistor-Parametern
auf der Scheibe zu den Hochstromparametern bei auf einem Sockel montiertem Transistor
eine für alle weiteren Vormessungen gültige Voraussage über das Hochstromverhalten
von mittels des Testemitters überprüften Tiansistoren gemacht werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist Es schließlich bei vorliegender Erfindung
allgemein, daß die Testemitterstrukturen jeweils innerhalb der einzelnen Transistoren
angebracht sind, ueber welche eine Aussage gemacht werden soll, um unmittelbar
zur
Vorausbestimmang von Parametern an den zugehörigen Transistoren benutzt zu werden.
Infolge der auch für die Basishersteiiuny benutzten,photolithographischen Prozesse
ist bei vorliegender Erfindung auch die Begrenzung der Basisgebiete möglich, wodurch
sich bereits auf der Scheibe eine Definition der Transistoren ergibt; der Testemitter
fahrt dann zu einer zusätzlichen Information über die normal beim Vormejsen meßbaren
Daten hinaus und ermöglicht die Bestimmung der Hochstromparameter jedes einzelnen
Leistungstransistors auf der Scheibe.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnun;
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine monolithisch integrierte Transistorschaltung, hier
bestehend aus Treibertransistor und Leistungstransistor in Darlington-Schaltung,
gemäß der Erfindung, Fig. 1a eine Draufsicht auf eine unzerteilte Si-Scheibe mit
einer Vielzahl von auf ihr befindlichen Transistorstrukturen, Fig. 2 in einer Teilschnittdarstellung
längs der Linie II-II der Fig. 1 durch einen Emitterzahn mit separatem Testemitter
an einer Transistorstruktur und Fig. 3 in Form eines Diagramms den Streuungsbereich
der Voraussagegenauigkeit von Leistungstransistoren, deren Ilochstromverhalten durch
Vormessung am Testemitter bestimmt worden ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Erfindung basiert auf der
Erkenntnis, daß für die Beurteilung der Hochstromparameter eines (Leistungs)Transistors
nicht die absolute Stromstärke maßgebend ist bzw.
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für eine Messung benötigt wird, sondern die Stromdichte, also die
Stromstärke pro Fläche, eine wesentliche Angabe beinhaltet und zur Voraussage über
das Hochstromverhalten dieses Transistors ausgewertet werden kann.
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In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel in sehr starker Vergrößerung
die Draufsicht eines monolithisch integrierten Darlington-Transistors (sargestellt,
wobei aber nur eine Teildarstellung unterhalb der Bruchkante detailliert angegeben
ist, während der restliche Verlauf nur schematisch in einfacher Linienfübrung für
den Treibertransistor TT sowie den Leistungstransistor LT gezeigt ist.
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Es kommt im übrigen auch nicht darauf an, ob es sich bei dem dargestellten
Ausführuns,sbeispiel um einen Darlington-Transistor bzw. überhaupt um einen ausgesprochenen
Leistungstransistor handelt; wesentlich ist lediglich, daß der dargestellte Transistor
als einer von vielen in der bekannten Planartechnik hergestellten Transistoren sich
noch auf der unzerteilten Si-Scheibe befindet, wie dies in der Fig. 1aschematisch
angedeutet ist und die Merkmale aufweist, die eine Beurteilung seiner Hochstromparameter
zulassen.
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Wie üblich sind in das einheitliche Kollektorgrundmaterial 2 der Silizßumscheibe
1 von oben her zunächst die Basiszonen 3 mit ihren Kontakt-Fenstern 4 und ihrer
Metallisierunq 5 und in diese Basiszonen (herrührend aus einer zweiten Belichtung)
hinein die Emitterzonen der beiden Transistoren TT und LT eindiffundiert, wobei
in der Zeichnung detailliert lediglich die Emitterzone 6 mit dem inneren Emitterkontakt
7 und der zugehorigen Metallisierung 8 dargestellt sind.
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Aus der Zeichnung erkennt man, daß an einer beliebigen Stelle im Verlauf
dazu Emitterzone ein Endbereich oder ein sonstiger Teilb##reich, der im Grunde nur
eine extrem kleine Fläche der gesamten Emitterflächen etwa des Treibertransistors
oder auch des Leistungstransistors ausmacht (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
dss Leistungstransistors LT),ausgespart, auf jeden Fall aber von der eigentlichen
Emitterfläche getrennt ausgebildet ist. In der dargestellten Zeichnung endet die
Emitterfläche 6 bei dem hier speziell ins Auge gefaßten, nach oder ezn unten geführten
Bog<#n9aer an der Kante 6a und im Abstand zu dieser Kante wird in die Basis jedes
auf der Scheibe befindlichen Leistungstransistors, vorzugsweise gleichzeitig zusammen
mit dem eigentlichen Emitter eine emitterähnliche Fläche, die im folgenden als sogenannter
Testemitter bezeichnet wird, eindiffundiert. Diese Fläche trägt in der Fig. 1 das
Bezugszeichen 10 und ist kreisrund. Zum besseren Verständnis ist in dem links neben
dem den Testemitter 10 tragenden Bogen 9 im Bogen 9a die dort und im gesamten Bereich
des Treibertransistors TT und des Leistungstransistors LT verlaufende eigentliche
Leistungsemitterfläche mit schräger Schraffur und dem
Bezugszeichen
11 versehen.
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Das Kontaktgebiet dieser bevorzuyt kreisrund ausgebildeten Testemitterflache
10 ist mit 12 bezeichnet. Auf dieses kleine Kontaktfenster 12, welches zur Kontaktierung
mit einer PrAf- oder Meßsonde oder -nadel zu klein ist, wird dann eine der eigentlichen
Kontaktierung dienende btetallisierung 13 aufgebracht, die dann für die gewünschten
Zwecke ausreichend groß ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Metallisierung
8 für die Leistungsemitterfläche entsprechend der Randkante 8a etwas zurückgenommen
und die Metallisierung 13 des Testemitters überdeckt, selbstverständlich gegenüber
der Leistungsemítterfläche 6 durch entsprechende Oxidschichten, wie beim Planarverfahren
ueblich, isoliert, auch zum Teil clie Leistungsemitterfläche, muß dies aber nicht
notwendigerweise.
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Die Größe der Testemitterfläche, also die Größe des eindiffundierten
bereichs 10 ist dabei so zu bemessen, daß mit cler Stromkapazität beispielsweise
einer vorhandenen Vormeßeinrichtun, die selbstverständlich nicht für ilochstromparameter
ausgelegt ist und aus den weiter vorn erwähnten Gründen hierzu auch nicht in der
Lage ist, an diesem Testemitter Stromdichten von der Höhe entstehen, wie sie bei
der Hochstrommessung am eigentlichen Leistungsemitter für die erforderlichen Hochstromstärken
auftreten.
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Für eine Stromdichte von 200 A/cm2 waren daher bei 100 mA Meßstrom
höchstens etwa 0,05 mm2 Fläche für den Testemitter zweckmäßig, wobei eine kleinere
Fläche, beispielsweise 0,03 mm2 noch günstiger wäre, um bei noch kleineren Testemitter-Strömen
noch höhere Stromdichten erzielen zu können. Es versteht sich, daß es sich bei diesen
Angaben um ledigliche Hinweise für in besseres
Verständnis der
Erfindung handelt, die nicht einschränkend zu verstehen sind. Die Bildung des Kontaktfensters
12 und die gesonderte Metallisierung 13 beim Testemitter können gleichzeitig mit
den entsprechenden Diffusions schritten beim übrigen Element durchgeführt werden,
was besonders im Planarverfahren keine Schwieriqkeiten bereitet. Der bei späterem
Betrieb auftretende, geringfügige Verlust an ungenutzter Leistungsemitterfläche
ist bedeutungslos; er liegt bei großflächigen Leistungstransistoren im Promille-Bereich.
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Zur Durchmessung des Testemitters kann es zweckmäßig sein und stellt
daher eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dar, an jeden Transistor, und
zwar sinnvollerweise an dessen (Ritz)-Rand ein zusätzliches, nach oben gerichtetes
Kontaktfenster 14 bezüglich der Kollektorkontaktierung sowie einen dieses Kontaktfenster
14 über deckenden Metallisierungsfleck 15 anzubringen. Bei der normalerweise Durchmessung
jedes Transistors auf der Scheibe bildet/ deren untere Fläche den gemeinsamen Kollektorkontakt.
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Es kann aber aufwendig sein, unten an der Scheibe dicPotential-Meßsonde
anzubringen, insbesondere wenn man die jeweiligen Metallisierungen von im vorliegenden
Fall Testemitter, normaler Basis und des Kollektors mit sogenannten Kelvin-Sonden
zur Doppelkontaktierung durchführt, wobei eine der beiden, jeweils die gleiche Metallisierung
kontaktierenden Sonden der Stromzuführung dient und die andere dazu bestimmt ist,
die Spannung ohne Verfälschung durch eventuelle Ubergangswiderstände zu erfassen.
Da sich die sämtliche durchzuprfends Transistoren tragende Si-Scheibe auf einem
Tisch befindet und an diesem beispielsweise durch Vakuumansaugung gehalten ist,
ergibt
sich an diesem Tisch ein einheitliches Potential und eine
Doppelkontaktierung ist nicht möglich. Andererseits ist allerdings an der Scheibenauflage
bei den hier vorliegenden geringen Meßströmen sowie der auf der Kollektorseite eines
jeden Leistungselementes zur ohmL schen Kontaktierung stets vorhandenen Emitterdiffusion
und der stets aufgebrachten Metallisierung eine so geringe Stromdichte zu erwarten,
daß Einflüsse der Kontaktwiderstände dort praktisch keine Rolle spielen.
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Der eigentliche Vormeßvorgang spielt sich dann so ab, daß man an der
Testemittermetallisierung 13 eine (Test)-Emittersonde, auch Doppelsonde, anbringt,
und desgleichen am Kollektor-Metallisierungsfleck 15 zur Kollektorkontaktierung.
Zur Ansteuerung des Testemitters läßt sich der normale Basisanschluß benutzen, also
die Basissonde, die an der Basismetallisierung unter Umständen ohnehin schon anliegt,
wenn der jeweilige Transistor auf andere Parameter durchgemessen wird. Man legt
dann zwischen Kollektorsonde und Emittersonde eine bestimmte Spannung an, beispielsweise
UCEt P 1 Volt und steuert dann einen gewissen Basisstrom an, beispielsweise 10 mA.
Es ergibt sich dann ein bestimmter, durch den Testemitter bewirkter Kollektorstrom
ICt in mA, der beispielsweise zwischen 50 und 100 mA liegen könnte. Es versteht
sich, daß auch diese Angaben lediglich beispielhaft sind.
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Anschließend und nachdem man eine vorgegebene Anzahl solcher Transistorelemente
auf der Scheibe einzeln mit Hilfe des Testemitters durchgemessen und die Ergebnisse
festgestellt hat, werden diese Transistoren montiert und dann wieder einzeln bezüglich
ihrer Hochstromparameter
durchgemessen. Es ergibt sich so eine
Korrelation zwischen den auf der Scheibe mit Hilfe des Testemitters gewonnenen Parametern
zu den Hochstromparametern auf dem Sockel und diese Korrelation wird dann dazu benutzt,
um ein empirisch gewonnenes Vormeßprogramm für die Fertigung zu erstellen.
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Die Darstellung der Fig. 3 zeigt genauer, was gemeint ist. Das Diagramm
der Fig. 3 zeigt längs der Abszisse Testkollektorströxj I t in mA, wie sie durch
Vormessung mit dem Testemitter bei gegebenen Daten des Basisstroms (1 = 10 mA) und
der Kollektoremitterspannung (UCE = 1 Volt) gewonnen sind, während die Ordinate
in Ampere den entsprechenden Kollektorstrom zeigt, der als Hochstroni IDC bei der
Endmessung des auf dem Sockel montierten Kristalls erzielt worden ist, wiederum
bei konstantem Basisstrom und konstanter Kollektoremitterspannung (ru = 320 mA,
UCE 1,5 Volt).
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Aufgrund der durch die Meßgenauigkeit und die Verarbeitungsschritte
der Vor- und Endmessung verursachten Streuung ergibt sich ein durch die gestrichelten
Kurvenverläufe beidseitig begrenztes Kurvenfeld, wobei die durchgezogene Linienführung
den gemittelten Wert zeigt, mit welchem bei der Vormessung zur Erzielung einer Voraussage
bezüglich des Hochstromverhaltens gearbeitet werden kann. Man erkennt, daß dann,
wenn sich bei der Vormessung lediglich ein Kollektorstrom von 50 mA einstellt, der
normale Kollektorstrom bei der Endmessung im Bereich von lediglich etwa 13 A liegt,
während bei einem erzielten Vormeß-Kollektorstrom von 90 mA mit etwa 31 A bei der
Endmessung gerechnet werden kann.
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Es ist daher möglich, die bei Leistungstransistoren besonders wesentlichen
Hochstromparameter schon während des Vormessens zu erkennen und über diese eindeutige
Aussagen zu machen, und zwar ohne daß der Vormeßvorgang zur Feststellung sonstiger
Transistorparameter aufwandsmäßig merklich beeinflußt wird.
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Bevorzugte Ausgestaltungen bestehen darin, daß bei einem beliebigen
Leistungstransistor der Bereich des Testemitters in diesem und möglichst in dessen
Mitte angebracht wird; alternativ kann bei einem Darlington-Leistungstransistor
der Testemitter in die Basis jedes Treibertransistors eindiffundiert werden. Es
empfiehlt sich außerdem, den Abstand des Emitter-Basisübergangs des Testemitters
zum Basis-Kontakt analog zu wählen wie isn Leistungstransistor selbst.
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Es versteht sich, daß bei der Herstellung erfindungsgemäßer Transistoren
auf der Si-Scheibe für deren Basisherstellung durch die benutzten photolithographischen
Prozesse auch eine begrenzung der Basisgebiete der auf der Scheibe befindlichen
Transistoren vorgenommen wird, so daß bereits auf der Scheibe eine Definition der
jeweiligen Transistoren vorliegt.