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Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische
Bei der Umwandlung einer mechanischen Auslenkung in ein elektrisches Signal ist es bekannt, den Piezoeffekt eines Seignettekristalles auszunützen. Derartige Systeme haben bei der Anwendung als Tonabnehmer Nachteile. Sie stellen ein hochohmiges Bauelement dar und sind demnach zum Betrieb mit Transistoren ungeeignet. Der kapazitive Charakter verleiht ihnen einen Frequenzgang, der oft störend empfunden wird. Die Leistungsabgabe ist gering, da die gesamte abzugebende Leistung mechanisch erzeugt werden muss. Sehr störend ist auch die hohe Feuchteempfindlichkeit der Seignettekristalle. Diese Nachteile haben derartigen Anordnungen zur Umwandlung von mechanischen Schwingungen in elektrische als Mikrophone keine Bedeutung zukommen lassen.
Diese Nachteile werden bei der Anordnung zur Umwandlung mechanischer, insbesondere akustischer Schwingungen in elektrische mittels eines mit sperr- schichtfreien Kontakten versehenen plättchen- bzw. streifenförmigen und aus einem dotierten Halbleitermaterial, das bei Zug bzw. Druck seine spezifische Störstellen-Leitfähigkeit ändert, bestehenden Halbleiterwiderstandes, bei der der Halbleiterwiderstand mit einer in Schwingungen zu versetzenden Membran mechanisch verbunden ist, so dass das Halbleitermaterial den Schwingungen der Membran entsprechend Zug- bzw. Druckspannungen erfährt, dadurch vermieden, dass der zwischen seinen Kontakten liegende Halbleiterwiderstand direkt auf der Biegeschwingungen ausführenden Membran und parallel zu ihr, beispielsweise mittels einer Kunstharzschicht, befestigt ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass, beispielsweise bei Überschussleitung aufweisendem Silicium, die Leitfähigkeit im Halbleitermaterial von der mechanischen Spannung abhängig ist. Dieser Effekt ist besonders stark in bestimmten Richtungen des Einkristalles, bei n-leitendem Silicium in der 100-Kristallrichtung und bei Überschussleitung aufweisendem Germanium in der 111-Kristallrichtung. Er führt zu einer relativen Widerstandsänderung, die das 150fache der relativen Längenänderung betragen kann. Als Halbleitermaterial zur Fertigung der Anordnung gemäss der Erfindung zur Umwandlung mecha-
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Schwingungenvalley"-Bandstruktur.
Nach dem einfachen Bändermodell ist die Energie eines Ladungsträgers am Bandrand proportional dem Quadrat der Wellenzahl k. Dies bedeutet, dass z. B. das Energieminimum des Leitungsbandes bei den Wellenzahlwerten k = 0 liegt. Diese Halbleiter weisen nur eine geringe Abhängigkeit des Widerstandes von mechanischen Spannungen auf.
Bei mehreren Halbleitern, zu denen beispielsweise Germanium und Silicium gehören, zeigte sich jedoch eine weit grössere Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mechanischen Spannungen, als es nach dem einfachen Bändermodell zu erwarten ist. Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass diese Effekte auf einer weit komplizierteren Struktur, im allgemeinen einer anisotropen, z. B. der sogenannten "manyvalley"-Bandstruktur des Leitungsbandes beruhen, u. zw. liegt bei diesen Halbleitern nicht eine einfache quadratische Abhängigkeit der Energie der Ladungsträger von der Wellenzahl vor. Zudem liegen die Minima der Energie der Ladungsträger bei Wellenzahlwerten, bei denen k nicht gleich Null ist.
Bei Überschussleitung aufweisendem Silicium ergeben sich vier Energieminima in den Kristallrichtungen 100 und bei Überschussleitung aufweisendem Germanium sechs Minima in den Kristallrichtun-
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gen 111. Bei mechanischen Spannungen ändern sich daher die Belastungsdichten der verschiedenen Energieminima sehr stark, so dass eine entsprechend starke Anisotropie und Druckabhängigkeit der Leitfähigkeit auftritt.
Diese oben dargelegten Eigenschaften werden gemäss vorliegender Erfindung zur Konstruktion einer Anordnung zur Umwandlung von Schall und Ultraschall in elektrische Schwingungen ausgenützt. Es sind geringe Kräfte zum Biegen eines derartigen Stäbchens notwendig.
Die Erfindung wird an Hand eines als Ausführungsbeispiel zu wertenden Prinzipbildes näher erläutert.
Eine Schallmembrane 1 besitzt die festen Einspannungen 2 und 3. Auf der Unterseite der Membrane ist das Halbleiterplättchen 4, beispielsweise über eine Kunstharzschicht 5 befestigt. Die Stromversorgung erfolgt über die Kontaktfahnen 6 und 7.
DieKontaktierung des Halbleitermaterials erfolgt beispielsweise mit Silber oder Gold, denen zur Gewährung der Sperrschichtfreiheit entsprechende Dotierungszusätze zugegeben sein können.
Wird eine Gleichspannung an die Elektroden 6 und 7 gelegt, so ergibt sich bei einer Biegung der Membrane 1 bzw. des Halbleiterplättchens 4 eine Widerstandsänderung im Halbleiterplättchen und damit eine proportionale Spannungsänderung. Aus dem in Fig. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbild sind die an dem Halbleiterstäbchen auftretenden Verhältnisse erkennbar.
Das Halbleiterstäbchen, von einer Gleichspannungsquelle UB über einen äusseren Widerstand Ra gespeist, besitzt den Widerstand R.
Bei einer Schwingung des Systems ergeben sich im Halbleiterplättchen Widerstandsänderungen von
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Zur Anpassung an einen nachfolgenden Transistorverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung hohe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so dass der Widerstand der Anordnung selbst klein, beispielsweise 100 Ohm ist.
Zur Anpassung an einen Röhrenverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung geringe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1000 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so dass der Widerstand der Anordnung selbst gross, beispielsweise 100 kOhm ist.
Die mechanische Leistung wird nur zur Steuerung der einer Gleichspannungsquelle entnommenen Leistung verwendet. Der Effekt ist im für die akkustische (Schall und Ultraschall) Wiedergabe notwendigen Frequenzbereich unabhängig von der Frequenz.
Das Bauelement weist verschwindende Feuchteempfindlichkeit auf, es ist billig herzustellen und weist trotzdem hohe Tonqualität auf. Bei der Fertigung des Materials ist darauf zu achten, dass die Oberfläche des Halbleitermaterials frei von Kerben, Rissen od. dgl. gemacht ist.
In besonderer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein, insbesondere in der Nähe des Kontaktanschlusses, befindlicher Teil des Halbleiterplättchens durch entsprechendeDotierung als Verstärker ausgebildet wird. Ebenso ist es möglich, auf dem Halbleiterplättchen das System eines Transistors aufzulegieren, der dann als erste Verstärkerstufe dienen kann.
Zweckmässigerweise ist die erfindungsgemässe Anordnung mittels einer Brückenschaltung an die Gleichstromversorgung angeschlossen, so dass eine galvanische Kopplung zur nachfolgenden Verstärkerstufe ermöglicht wird.
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Arrangement for converting mechanical vibrations into electrical ones
When converting a mechanical deflection into an electrical signal, it is known to use the piezo effect of a seignette crystal. Such systems have disadvantages when used as a pickup. They represent a high-resistance component and are therefore unsuitable for operation with transistors. The capacitive character gives them a frequency response that is often perceived as annoying. The power output is low because all of the power to be output has to be generated mechanically. The high sensitivity of the Seignette crystals to moisture is also very annoying. These disadvantages have given such arrangements for converting mechanical vibrations into electrical ones as microphones of no importance.
These disadvantages become apparent in the arrangement for converting mechanical, in particular acoustic vibrations into electrical ones by means of a lamellar or strip-shaped semiconductor resistor which is provided with barrier-free contacts and consists of a doped semiconductor material that changes its specific conductivity when subjected to tension or pressure, in which the semiconductor resistor is mechanically connected to a membrane to be vibrated, so that the semiconductor material experiences tensile or compressive stresses corresponding to the vibrations of the membrane, thereby avoiding the fact that the semiconductor resistor located between its contacts is directly on the membrane that executes bending vibrations and parallel to it it is attached, for example by means of a synthetic resin layer.
The invention is based on the knowledge that, for example in the case of silicon exhibiting excess conductivity, the conductivity in the semiconductor material is dependent on the mechanical stress. This effect is particularly strong in certain directions of the single crystal, in the case of n-conducting silicon in the 100-crystal direction and in the case of germanium having excess conductivity in the 111-crystal direction. It leads to a relative change in resistance that can be 150 times the relative change in length. As a semiconductor material for manufacturing the arrangement according to the invention for converting mechanical
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Vibration Valley "band structure.
According to the simple band model, the energy of a charge carrier at the edge of the band is proportional to the square of the wave number k. This means that e.g. B. the energy minimum of the conduction band is at the wavenumber values k = 0. These semiconductors show only a slight dependence of the resistance on mechanical stresses.
In the case of several semiconductors, including germanium and silicon, for example, the conductivity was found to be much more dependent on mechanical stresses than would be expected from the simple ribbon model. More detailed studies have shown that these effects are based on a far more complicated structure, generally an anisotropic, e.g. B. the so-called "manyvalley" band structure of the conduction band, u. between these semiconductors there is not a simple quadratic dependence of the energy of the charge carriers on the wave number. In addition, the minima of the energy of the charge carriers are at wavenumber values for which k is not equal to zero.
In the case of silicon with excess conduction, there are four energy minima in the crystal directions 100 and in the case of germanium with excess conduction there are six minima in the crystal directions.
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gen 111. In the case of mechanical stresses, the load densities of the various energy minima therefore change very strongly, so that a correspondingly strong anisotropy and pressure dependency of the conductivity occurs.
These properties set out above are used according to the present invention to construct an arrangement for converting sound and ultrasound into electrical vibrations. Small forces are required to bend such a rod.
The invention is explained in more detail using a basic diagram to be evaluated as an exemplary embodiment.
A sound membrane 1 has the fixed clamps 2 and 3. The semiconductor wafer 4 is attached to the underside of the membrane, for example via a synthetic resin layer 5. Power is supplied via contact lugs 6 and 7.
The semiconductor material is contacted, for example, with silver or gold, to which appropriate doping additives can be added to ensure that there is no barrier layer.
If a direct voltage is applied to the electrodes 6 and 7, a bending of the membrane 1 or the semiconductor wafer 4 results in a change in resistance in the semiconductor wafer and thus a proportional change in voltage. The electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. 2 shows the conditions occurring on the semiconductor rod.
The semiconductor rod, fed from a DC voltage source UB via an external resistor Ra, has the resistance R.
When the system oscillates, there are changes in resistance in the semiconductor wafer of
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For adaptation to a subsequent transistor amplifier, the semiconductor material can have high conductivity through appropriate doping, for example a specific resistance of 1 ohm cm, so that the resistance of the arrangement itself is small, for example 100 ohms.
For adaptation to a tube amplifier, the semiconductor material can have low conductivity, for example a specific resistance of 1000 ohm cm, through appropriate doping, so that the resistance of the arrangement itself is high, for example 100 kOhm.
The mechanical power is only used to control the power drawn from a DC voltage source. The effect is independent of the frequency in the frequency range required for acoustic (sound and ultrasound) reproduction.
The component has negligible moisture sensitivity, it is cheap to manufacture and still has a high sound quality. When manufacturing the material, it must be ensured that the surface of the semiconductor material is free of notches, cracks or the like.
In a particular further development of the invention, it is provided that a part of the semiconductor chip, in particular in the vicinity of the contact connection, is formed as an amplifier by means of appropriate doping. It is also possible to alloy the system of a transistor on the semiconductor wafer, which can then serve as the first amplifier stage.
The arrangement according to the invention is expediently connected to the direct current supply by means of a bridge circuit, so that a galvanic coupling to the subsequent amplifier stage is made possible.
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