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Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische
Es ist bereits bekannt, zur Umwandlung mechanischer Auslenkungen in elektrische Signale den pie- zoelektrischen Effekt auszunutzen.
Weiter ist es bereits bekannt, zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische, Halblei- ter zu verwenden, welche den sogenannten piezoresistiven Effekt aufweisen. Dieser besteht darin, dass in Abhängigkeit von einer auf den Halbleiter wirkenden mechanischen Spannung sich die elektrische Leit- fähigkeit des Halbleitermaterials verändert.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische, bei der ein piezoelektrischer Halbleiterkörper vorgesehen ist, in dem durch Einwirkung einer periodischenDruckschwankung, insbesondere einer Schallwelle, ein elektrisches Mikrowellenfeld erzeugt wird.
Dabei ist es das wesentliche Merkmal der Erfindung, dass das Mikrowellenfeld in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie ein durch Anlegen eines Driftfeldes im Halbleiterkörper erzeugter Ladungsträgerstrom, dessen Driftgeschwindigkeit gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mikrowellenfeldes im Halbleiterkörper ist, wobei der Halbleiterkörper aus einem den Piezowiderstandseffekt aufweisenden Halb- leiterstoff besteht, dem durch Ausnutzung des Piezowiderstandseffektes im Halbleiterkörper ein weiteres Mikrowellenfeld induzierbar ist, so dass durch Überlagerung eine Verstärkung des ersten auf piezoelektrischem Wege erzeugten Mikrowellenfeldes erreicht wird.
Gemäss der Erfindung wird also zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische ein Halbleiterkörper verwendet, der aus einem Halbleiterstoff besteht, der zusätzlich zu einem piezoelektrischen Effekt auch den Piezowiderstandseffekt zeigt.
In einem solchen Halbleiter wird eine hochfrequente, periodische Druckschwankung, insbesondere ein hochfrequentes Schallwellenfeld erzeugt, das in dem Halbleiterkörper infolge lokaler Dichteschwankungen auf piezoelektrischem Wege elektrische Mikrowellenfelder erzeugt. In diesem periodischen Mikrofeld werden die durch den Halbleiter driftenden Ladungsträger, die durch Anlegen einer Spannung an den Halbleiterkörper in der Ausbreitungsrichtung des Mikrofeldes bewegt werden, beschleunigt und es wird dann, wenn die Geschwindigkeit der driftenden Ladungsträger etwa gleich der Geschwindigkeit des Mikrowellenfeldes ist, eine Verstärkung des auf piezoelektrischem Wege erzeugten elektrischen Feldes und damit der periodischen Druckschwankung, insbesondere der Schallwelle bewirkt.
Weist nun der Halbleiterkörper gleichzeitig den Piezowiderstandseffekt auf, so kann eine weitere Verstärkung des Mikrowellenfeldes erzielt werden. Infolge des Piezowiderstandseffektes wird im Falle eines überlagerten Gleichstromes ebenfalls ein elektrisches Mikrowellenfeld erzeugt. Dieses überlagert sich dem ersten Mikrowellenfeld und bewirkt eine Verstärkung desselben.
Wie bereits ausgeführt wurde, Ist für die Rückkopplung auf die periodische Druckschwankung, insbesondere auf die Schallwelle die Voraussetzung, dass zusätzlich zum Piezowiderstandseffekt ein piezoelektricher Effekt auftritt. Gemäss der Erfindung wird daher weiter vorgeschlagen, bei der Anordnung zur Um- wandlung mechanischer Schwingungen in elektrische, polare Halbleiter zu verwenden. Bei polaren Halbleitern, wie dies die A.-B-Verbindungen sind, tritt gleichzeitig neben dem Piezowiderstandseffekt auch
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der piezoelektrische Effekt auf. Germanium und Silicium als nichtpolare Halbleiter habensich demgegen- über für die Verwendung in der gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Anordnung als ungeeignet er- wiesen.
Die an Halbleitereinkristallen auftretenden Piezoeffekte sind anisotrop, d. h. abhängig von der Kri- stallrichtung, in der die mechanische Spannung wirkt. Gemäss der Erfindung wird daher weiter vorge- schlagen, solche Halbleiter zu verwenden, bei denen der maximale Widerstandseffekt in Richtung der polaren Achse auftritt. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine besonders gute Rückkopplung auf die periodische Druckschwankung, insbesondere auf die Schallwelle, erzielt werden kann. Als Materialien für den Halbleiterkörper seien als Beispiele Galliumarsenid und Galliumantimonid genannt. Bei Gallium- antimonid tritt bei p-leitendem Material der maximale Widerstandseffekt in Richtung der polaren Achse auf. Aber auch n-leitendes Galliumantimonid ist wegen seines sehr hohen Piezoeffektes interessant.
Gal- liumarsenid ist besonders vorteilhaft, da es sich durch relativ einfache präparative Massnahmen sehr hoch- ohmig (p = 107-108 sa cm) herstellen lässt. Galliumarsenid mit p-Leitfähigkeit weist ein Maximum der
Piezoeffekte in der [111]-Richtung des Kristalls auf.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist der Halbleiterkoi'perstabförmig ausgebildet und an seinen beidenEnden mit Elektroden versehen. Das elektrische Driftfeld wird dann durch Anlegen einer Spannung längs des Halbleiterkörpers erzeugt.
Die gemäss der Erfindung vorgeschlagene Anordnung kann in Mikrophonen und Tonabnehmern oder ganz allgemein bei der Umwandlung von mechanischer Auslenkung in elektrische Signale verwendet werden.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mit einem stabförmigen Halbleiterkörper dargestellt ; Fig. 2 zeigt das infolge lokaler Dichteschwankungen auf piezoelektrischem Wege erzeugte Mikrowellenfeld und in Fig. 3 sind die Widerstands-bzw. Spannungsschwankungen, die infolge des piezoresistiven Effektes auftreten, dargestellt.
Der in Fig. 1 dargestellte stabförmige Halbleiterkörper besteht z. B. aus p-leitendem Galliumarsenid.
Er ist an seinen beiden Enden mit ohmschen Elektroden 2 und 3 versehen. Die beiden Elektroden sind über eine Gleichspannungsquelle miteinander verbunden. Auf das eine Ende des stabförmigen Halbleiter- körpers 1 trifft eine periodische Druckschwankung, z. B. eine Schallwelle auf, deren Richtung durch den Pfeil 5 angedeutet ist. Bei Verwendung einer derartigen Anordnung in einem Schallverstärker kann z. B. das mit der Elektrode 2 kontaktierte Ende des Halbleiter körpers l über ein starres Glied mit der Schallquelle verbunden sein und so die Schallschwingungen auf den Halbleiterkörper übertragen werden.
Die auftreffende Schallwelle bewirkt periodische Druckschwankungen im Halbleiterkörper, die infolge des piezoelektrischen Effektes zu periodischen Spannungsschwankungen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, führen.
InFig. 2 ist die infolge des piezoelektrischenEffektes entstehende EMK E inAbhängigkeit von der Länge L des Ha1bleiterkristalls aufgetragen. Es ergibt sich das durch die Kurve 6 angedeutete Mikrowellenfeld, dassichentlangdesHalbleiterkörpers1verschiebt.BestehtderKörperausp-leitendem Material, so ist die Elektrode 2 in Fig. l mit dem Pluspol und die Elektrode 3 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 4 verbunden. Die elektrische Spannung wird so gewählt, dass die längs des Halbleiterkörpers infolge der Spannung driftenden Löcher eine Geschwindigkeit erreichen, die etwa gleich der Geschwindigkeit des Mikrowellenfeldes in Richtung der Längsachse des Stabes ist.
Nach dem Prinzip der Wanderfeldröhre wird auf diese Weise eine Verstärkung des elektrischen Mikrowellenfeldes und damit der auftreffenden periodischen Druckschwankung, also insbesondere der Schallwelle, erzielt.
In Fig. 3 gibt die Kurve 7 die Abhängigkeit der Leitfähigkeit o von dep Länge L des Halbleiterkörpers an. Mit 0'ist die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 1 bezeichnet. Da der Halbleiterkörper gemäss der Erfindung gleichzeitig mit dem piezoelektrischen Effekt auch den piezoresistiven Effekt aufweisen soll, wird durch die periodische Druckschwankung im Halbleiterkörper eine periodische Schwankung des Widerstandes, wie sie durch die Kurve 7 angedeutet ist, erzeugt, die ebenfalls den Halb leiterkörper entlangwandert.
Durch diese periodische Schwankung des Widerstandes wird ein durch die Kurve 8 angegebenes zweites Mikrowellenfeld gleicher Geschwindigkeit wie das erste erzeugt, das sich dem ersten in Fig. 2 dargestellten überlagert und auf diese Weise eine Verstärkung desselben und somit eine weitere Verstärkung der periodischen Druckschwankung, insbesondere der auftreffenden Schallwelle bewirkt.
Es ist besonders günstig, und wird erfindungsgemäss weiter vorgeschlagen, dass im Impulsbetrieb
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EMI3.1