<Desc/Clms Page number 1>
Druckempfindliche Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine druckempfindliche Halbleiteranordnung mit drei hintereinander- liegenden, als Emitter, Basis und Kollektor wirksamen, flächenhafte pn-Übergänge bildenden Halbleiter- zonen. bei der auf der Emitterzone bzw. der mit dieser verbundenen Elektrode eine Spitze mit gegebe- nenfalls um einen konstanten Vordruck veränderbarem Auflagedruck aufsitzt.
Es ist bekannt, dass die Druckempfindlichkeit von Transistoren für Mikrophone, Schwingungsmesser,
Beschleunigungsmesser, Tonabnehmer, Hörgeräte, Barometer, Staudruckmesser usw. ausgenutzt werden kann. Bei einem bekannten Transistormikrophon sitzt die Spitze aus Saphir, mit der der Druck ausgeübt wird, auf der Emitterzone eines eine diffundierte Basis aufweisenden Transistors auf und ist mit einer Membran verbunden, die durch Schallwellen erregt wird. Die Druckänderung, die bei Erregung der Membran erfolgt, hat eine Änderung des Kollektorstromes zur Folge. Der Wirkungsgrad derartiger Systeme ist bis zu hundertmal höher als der eines Kohlemikrophons.
Derartige bekannte Systeme haben den Nachteil, dass eine hohe Empfindlichkeit nur durch hohen, punktförmigen Druck erreicht werden kann. Dadurch wird jedoch die Systemoberfläche verletzt, was leicht zu einer Zerstörung des Systems führen kann, und ausserdem nutzt sich die Spitze selbst relativ schnell ab.
Um bei derartigen Bauelementen eine hohe Empfindlichkeit auch ohne Anwendung eines hohen, punktförmigen Druckes erreichen zu können, wird erfindungsgemäss eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Spitze auf einen Oberflächenbereich aufgesetzt ist, der durch Lage und Geometrie, z. B. durch eine gebietsweise Verjüngung der Elektrode des Systems, insbesondere der Emitter- und der Basiselektrode und gegebenenfalls der von diesen kontaktierten Halbleiterzonen eine gegenüber benachbarten Oberflächenbereichen erhöhte Stromdichte aufweist.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung sind zur Erzielung eines eine erhöhte Stromdichte führenden Oberflächenbereiches Emitter- und Basiselektrode spitz zulaufend ausgebildet und auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers, die spitz zulaufenden Enden einander zugewendet, angeordnet.
Gemäss einer weiterenAusgestaltung desErfindungsgedankens weisen die Emitter- und Basisübergänge einen Abstand von dem Oberflächenteil, auf dem die Spitze aufsitzt, auf, der kleiner als 1 ist.
In Fig. 1 ist ein Planartransistor dargestellt, der aus einer Kollektorzone 1, die z. B. aus n-leitendem Silizium gebildet wird und einer diffundierten, p-leitenden Basisschicht 2 sowie einer diffundierten, n-leitenden Emitterschicht 3 besteht. Die Emitterzone 3 ist mit einem streifenförmigen, z. B. aus Aluminium bestehenden Kontakt 4 versehen. Als Basiskontakt 5 dient ebenfalls Aluminium. Der Basiskontakt weist die Form eines Hufeisens auf.
In Fig. 1 ist das Ergebnis der vollständigen Abtastung eines solchen Planartransistors dargestellt. In Richtung des Pfeiles ist die Kollektorstromänderung, die durch den Druck an den entsprechenden Oberflächenbereichen des Transistors hervorgerufen wird, aufgetragen. Durch die gestrichelten Linien zwischen den Fig. l und 2 ist die Zuordnung zu den einzelnen Oberflächenbereichen des Transistors hergestellt. Wie man diesen Figuren entnehmen kann, tritt die grösste Druckempfindlichkeit im Emittergebiet nahe am
<Desc/Clms Page number 2>
Emitterrand auf. Bekanntlich bedingt bei Flächentransistoren die Geometrie, dass am Emitterrand die grösste Stromdichte herrscht. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich, dass eine Drucksteuerung in der Nähe des Emitterrandes die grösste Wirkung hat.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es nun, durch Lage und Geometrie der Elektrode und gegebenenfalls auch der von diesen kontaktiertenHalbleiterzonenOberflächenbereiche zu schaffen, die eine gegen- über benachbarten Oberflächenbereichen erhöhte Stromdichte aufweisen, und dann auf diese Bereiche erhöhter Stromdichte die Spitze, mit der der Druck auf die Halbleiteroberfläche ausgeübt werden soll, aufzusetzen. Eine besonders günstige Ausführungsform einer derartigen Halbleiteranordnung ist gemäss einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gegeben, dass das Emittergebiet und die Basiselektrode spitz zulaufend ausgebildet und auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers, die spitz zulaufenden Enden einander zugewendet, angeordnet sind.
Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige. Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Transistor besteht z. B. wieder aus Silizium und wird zweckmässig mit der bekannten Planartechnik hergestellt. In einem Halbleiterkörper 11, der z. B. n-Leitfähigkeit aufweist, wird durch Diffusion entspre- chender Verunreinigungen der dritten Gruppe des periodischen Systems eine p-leitende, als Basiszone wirk- same Schicht 12 erzeugt.
In dieser Schicht 12 wird unter der Verwendung der Oxydschicht als Maskierung nach der bekannten Planartechnik durch Eindiffusion einer n-dotierenden Verunreinigung, also eines Elementes der fünften Gruppe des periodischen Systems die n-leitende Emitterschicht 13 erzeugt, die mit einem tropfenförmigen, auf einer Seite spitz zulaufenden Aluminiumkontakt 14 versehen ist.
Die Emitterzone 13 weist eine der Emitterelektrode kongruente Form auf. Die Basiszone 12 ist mit einer Elektrode 15 versehen, die ebenfalls tropfenförmig ausgebildet ist und im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel etwa die Grösse der Emitterzone aufweist. Die spitz zulaufenden Enden der Elektroden bzw. der Emitterzone liegen auf einer Geraden und sind einander zugewendet. Dadurch entsteht an dem mit 16 bezeichneten Bereich ein Gebiet sehr hoher Stromdichte und damit grosser Druckempfindlichkeit.
Die Spitze, die zur Ausübung des Druckes dient, wird also entweder auf die Emitterelektrode selbst bzw. innerhalb der Emitterzone, jedoch immer in der Nähe des spitz zulaufenden Endes der Elektroden bzw. der Zone aufgesetzt.
Die erhöhte Druckempfindlichkeit, der durch Lage und Geometrie der Elektroden erzeugten Bereiche erhöhter Stromdichte, hat den Vorteil, dass nun auch abgeplattete Spitzen verwendet werden können. Dadurch wird die Gefahr einer Zerstörung der Oberfläche während der Ausübung des Druckes erheblich vermindert und ausserdem ist eine Anordnung mit abgeplatteter Spitze auch gegenüber äusseren Einflüssen weit weniger störempfindlich.
Als Spitzenmaterial hat sich Saphir, Rubin bzw. Borcarbid als besonders geeignet erwiesen. Es kann auch Molybdän verwendet werden. Dieses erweist sich jedoch in den meisten Fällen als zu weich.
Weitere Untersuchungen der Druckempfindlichkeit von Transistorsystemen haben gezeigt, dass ausser einer örtlichen Abhängigkeit der Druckempfindlichkeit bei festgehaltener Druckstelle auch eine Abhängigkeit derDruckempfindlichkeit vom Kollektorgleichstrom besteht. Diese Abhängigkeit ist im Prinzip in Fig. 4 dargestellt. In dieser Figur ist als Ordinate der Kollektorstrom IC und als Abszisse das Gewicht aufgetragen. Es ist bei dieser und den folgenden Darstellungen immer die Abhängigkeit von der auf die Spitze wirkenden Kraft gezeichnet, weil es nur annähernd möglich ist, die Spitzenfläche und damit den Druck genau zu bestimmen. Vor allem kann sich während des Aufdrückens der Spitze durch eine Deformation derselben auch deren Fläche ändern, so dass der Druck nicht mehr proportional der Belastung ist.
Aus Fig. 4 kann man erkennen, dass sich die Steilkante des Kollektorstromabfalles, die dem Gebiet gröss- terEmpfindlichkeit gegenDruckschwankungen entspricht, mit dem Kollektorstrorp verschieben lässt, u. zw. verschiebt es sich mit steigendem Kollektorstrom nach hohen Druckwerten, wie die Kurven 8 - 10 zeigen, bei denen die Kurve 8 einem höheren Kollektorstrom als die Kurve 10 entspricht. Wie bereits ausgeführt, entsprechen die steilsten Stellen der Kurven den Gebieten höchster Druckempfindlichkeit. Es lässt sich also durch Wahl des Kollektorstromes, der ohne Druckeinwirkung durch entsprechende Einstellung des Basisstromes eingestellt wird, der beste elektrische Arbeitspunkt für Druckschwankungsaufzeichnungen einstellen.
Für die Einstellung des günstigsten Anfangsstromes, also des günstigsten elektrischenArbeitspunktes ist noch eine weitere Betrachtung der Kurven notwendig. Die Kurven lassen erkennen, dass es einen Bereich gibt, in dem die Beeinflussung des Kollektorstromes durch den Druck nicht sehr gross ist, wie dies durch die sehr schwache Steigur. t ; derKurven ersichtlich wird. Dieser Bereich entspricht bei den Kurven 8 und 9 gleichzeitig einem Druckbereich, in dem eine elastische Verformung des Halbleiterkristalles stattfindet, d. h. in dem bei Entlastung der Halbleiteranordnung sich sofort wieder der ursprüngliche Stromwert ein-
<Desc/Clms Page number 3>
stellt. Dieser Bereich ist jedoch wegen der geringenDruckempfindlichkeit für Druckschwankungsaufzeich- nungen nicht sehr geeignet.
DiesemBereich folgt der bereits vorher erläuterte steile Abfall des Kollektorstromes, d. h. ein Bereich grosserDruckempfindlichkeit. Bei den Kurven 8 und 9 entspricht dieser Bereich jedoch einem Druckge- biet, in dem eineplasto-elastischeDeformation der Halbleiteroberfläche auftritt, d. h. nach Aufhören der
Belastung verschwindet ein sehr kleiner Stromwert, erst nach einer endlichen Zeit, u. zw. ist diese Erho- lungszeit des Gitters umso grösser, je grösser der vorher angewendete Druck ist. Diese Relaxationszeitbe- dingt eine obere Frequenzgrenze für die angewendeten Druckschwankungen und es ist daher wünschens- wert, nicht im plasto-elastischen bereich sondern im elastischen Bereich zu arbeiten und trotzdem eine grosse Druckempfindlichkeit zu erzielen.
Durch die gestrichelt gezeichnete Gerade 17 ist ein Druck- wert von 100 kg/mm2 festgelegt. Es hat sich gezeigt, dass für Drucke, die kleiner als dieser Wert sind, eine elastische Deformation der Oberfläche stattfindet. Während vor Drucke, die darüberliegen, zunächst eineplasto-elastische und dann eine unelastische Deformation bis zur vollkommenen Zerstörung nicht nur der Oberfläche sondern auch des Volumens des Halbleiterkristalles erfolgt.
Zweckmässig ist es, den Arbeitspunkt, d. h. den Kollektorstrom vor der Druckanwendung so einzustel- len, dass die in Fig. 4 dargestellten Kurven so weit nach links verschoben werden, dass der Bereich des
Kollektorstromabfalles, also der grössten Druckempfindlichkeit in den elastischen Bereich fällt, wie dies bei der Kurve 10 der Fall ist und damit Relaxationszeiten zu vermeiden.
Eine Linksverschiebung der Kurven ergibt sich auch, je geringer der Abstand der pn-Übergänge von der Oberfläche ist. Je geringer dieser Abstand ist, desto steiler verläuft ausserdem der Kollektorstromabfall. Es ergibt sich also auch ein Einfluss der Eindringtiefe der pn-Übergänge auf die Druckempfindlichkeit. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Emittereindringtiefe von 20 J1 und einer Basiseindringtiefe von 60p derDruckeffekt gerade noch nachweisbar ist. Allgemein kann man sagen, dass die pn-Übergänge möglichst dicht, d.h. mit einem Abstand der kleiner als 1J1 ist, unter der Oberfläche liegen sollen.
Es muss jedoch dabei immer sichergestellt bleiben, dass der Abstand der pn-Übergänge von der Oberfläche noch so gross ist, dass der pn-Übergang durch die drückende Spitze nicht zerstört werden kann. Es ist auch möglich, diesen geringen Abstand praktisch nur unter der Stelle, auf der die Spitze aufsitzt, z. B. durch örtliches Abätzen einzustellen.
Gemäss der Erfindung wird weiter eine Halbleiteranordnung vorgeschlagen, bei der für die Spitze eine mechanische, abhängig von der Tiefe. der pn-Übergänge und dem gewünschten elektrischen Arbeitspunkt eingestellte Vorspannung vorgesehen ist, der sich der veränderliche Auflagedruck überlagert.
Durch einen mechanischen Vordruck, dem sich der veränderliche Druck überlagert, kann erreicht werden, dass auch bei sehr kleinen veränderlichen Drucken die Druckänderung nur in einem Bereich erfolgt, in dem eine durch den steilenAbfall des Kollektorstromes bedingte hohe Druckempfindlichkeit vorhanden ist.
Im Zusammenhang mit der Fig. 4 sei ausserdem noch darauf hingewiesen, dass, wie sich aus der Betrachtung der Kurven 8 - 10 ergibt, die Einstellung eines möglichst geringen Kollektorstromes vor Aus- übung des Arbeitsdruckes günstig ist. Es muss dabei jedoch darauf geachtet werden, dass bei zu kleinen Strömen der Transistor nicht mehr richtig arbeitet und die Stromverstärkung praktisch verschwindet. Mit so geringen Werten des Kollektorstromes, die natürlich abhängig vom Transistorsystem sind, darf verständlicherweise nicht gearbeitet werden.
Ausser den eingangs angegebenen Verwendungsmöglichkeiten für eine druckempfindliche Halbleiteranordnung ist die Anordnung gemäss der Erfindung wegen ihrer hohen Empfindlichkeit besonders auch zur Verwendung als Variometer geeignet. Derartige Instrumente dienen dazu, das Steigen und Fallen eines Flugzeuges anzuzeigen. Sie bestehen, wie in Fig. 5 dargestellt, im wesentlichen aus einer Kapsel 18, die durch eine Membran 19 in zwei Räume 20 und 21 geteilt ist. Ein Raum 20 steht mit der Aussenluft in Verbindung, der andere Raum 21 mit einem Druckausgleichsvolumen, das durch ein dop- pelwandigesDruckausgleichsgefäss gebildet wird. Die Membran 19 hat eine Kapillaröffnung 22, über die sich Druckänderungen der Aussenluft (sinkender Luftdruck in grösseren Höhen) zum Ausgleichsgefäss hin ausgleichen.
Dabei wird die Membran 19 ausgelenkt und die entstehende Kraft über eine Spitze 24 auf d. s Transistorsystem 25 übertragen und elektrisch verstärkt. Ein besonderer Vorteil ist für Flugzeug- führer, dass eine Anzeige akustisch erfolgen kann.
Zur Prüfung einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung als Mikrophon ist es günstig, die im Takt der Schallwellen schwingende Membran nicht direkt mit der aufsitzenden Feder, sondern über einen Luftpolster mit dieser zu verbinden. Mit Hilfe eines Mikromanipulators wird die Spitze auf die gewünschte Stelle der Halbleiteranordnung, insbesondere auf die Emitterelektrode bzw. die Emitterzone aufgesetzt.
<Desc/Clms Page number 4>
Mit einem Federdruckgeber, der über eine weitere Feder an die Spitze angekoppelt wird bzw. mit zusätzlichenGewichten kann die notwendige Vorspannung eingestellt werden. Es ist zweckmässig, den Vordruck auf diese Weise einzustellen und nicht durch Vorspannen der Membran, da dadurch die Empfindlichkeit der Membran verringert wird.
Die als Beispiele angegebenen, nach der Planartechnik hergestellten Transistoren können natürlich auch durch andere Transistortypen mit dicht unter der Oberfläche liegenden pn-Übergängen, also z. B. doppelt diffundierten Transistoren, Epitaxialtransistoren oder Mesatypen ersetzt werden.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass bei Druckänderung sich zwar der Kollektorstrom ändert, der Basistrom aber praktisch konstant bleibt, d. h. bel sich ändemdemDruck ändert sich die Stromverstär-
EMI4.1
B.çhende Wahl des Vordruckes kann also auch die Stromverstärkung in gewünschter Weise beeinflusst werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckempfindliche Halbleiteranordnung mit drei hintereinanderliegenden, als Emitter, Basis und Kollektor wirksamen, flächenhafte pn-Übergänge bildenden Halbleiterzonen, bei der auf der Emitterzone bzw. der mit dieser verbundenen Elektrode eine Spitze mit gegebenenfalls um einen konstanten Vordruck veränderbaremAuflagedruck aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, dass dieSpitze auf einem Ober- flächenbereich aufgesetzt ist, der durch Lage und Geometrie, z. B. durch eine gebietsweise Verjüngung der Elektroden des Systems, insbesondere der Emitter- und der Basiselektrode und gegebenenfalls der von diesen kontaktierten Halbleiterzoneneinegegenüberbenachbarten Oberflächenbereichen erhöhte Stromdichte aufweist.