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Feldeffekttransistor
Unter einem Feldeffekttransistor versteht man einen Transistor, bei dem in einer Halbleiterzone unter der Wirkung eines transversalen elektrischen Feldes eine Stromsteuerung herbeigeführt wird. Derartige Feldeffekttransistoren sind beispielsweise in der Zeitschrift "Electronic Industries" März 1963, Heft 48, S. 44 - 47 beschrieben.
Die Erfindung zeigt einen Weg, wie man dieAnwendungsmöglichkeiten von Feldeffekttransistoren erheblich erweitern kann. Erfindungsgemäss geschieht dies durch einen Steuermechanismus, der darin besteht, dass auf einem Feldeffekttransistor eine isolierte harte Spitze, die einem veränderbaren Druck ausgesetzt ist, im Bereich seiner Raumladungszone aufliegt, wo diese die stärkste Strompfadeinschnürung verursacht.
Die Steuerung von Halbleiteranordnungen, auf die mittels einer harten Spitze ein Druck ausgeübt wird, ist an sich bekannt. Anordnungen dieser Art sind beispielsweise in der Zeitschrift"Bell Lab. Rec." Dez. 1962, S. 418 und 419 beschrieben. Bei diesen Anordnungen handelt es sich jedoch um Flächentransistoren, bei denen also ein grundsätzlich andersartiger Steuermechanismus als bei einem Feldeffekttransistor vorliegt.
Die Wirkungsweise des druckgesteuerten Flächentransistors stellt man sich so vor, dass durch den Druck eine elastische Verformung eintritt, welche das Gefüge im Bereich eines pn-Überganges und damit dessen Widerstandswert ändert. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass bei einem Feldeffekttransistor durch einen Druck mittels einer isolierten harten Spitze im Bereich der Raumladungszone eine Wirkung entsteht, welche diese Raumladungszone genau so beeinflusst, wie dies mittels der bisher üblichen Steuerung durch einespannung an derSteuerelektrode eines Feldeffekttransistors und das dadurch verursachte elektrische Feld vor sich geht.
Nachstehend seien einige Ausführungsbeispiele für die Erfindung erläutert. In Fig. l ist ein Feldeffekttransistor dargestellt, welcher die n-leitende Zone 1, die schraffiert gezeichnete p-leitende Zone 2 und eine weiteren-leitende Zone 3 enthält. In und um die p-leitende Zone 2 bilden sich die punktiertgezeichnetenRaumladungszonen 10 aus, welche je nach ihrer Stärke einen mehr oder minder um- fangreichen Strompfad in der p-leitendenZone 2 freilassen, in welchem der Transport der Ladungsträger stattfindet.
Durch eine Feldsteuerung wird nun in bekannterweise der Umfang dieses Strompfades ver- ändert, wodurch die Steuerwirkung herbeigeführt wird, An beiden Enden der p-leitenden Zone 2 sind Elektroden 4 und 5 sperrschichtfrei angebracht, über welche der äussere Stromkreis angeschlossen ist.
Diese Elektroden 4 und 5 dienen als Ausgangselektroden des Transistors. Der dargestellte Transistor besitzt weiterhin eine Steuerelektrode 6, welcher eine aus der Batterie U1 gelieferte Vorspannung zugeführt wird. Diese Vorspannung ruft im Ruhezustand eine bestimmte Raumladung und einen dementsprechend eingestelltenStrompfadquerschnitthervor. Der an die Ausgangselektroden 4 und 5 angeschlossene Ausgangsstromkreis enthält die Batterie U2 und das Messinstrument A. Die Spannung der Batterie U2 treibt damit je nach Widerstandswert des Feldeffekttransistors einen Strom über diesen, dessen Grösse am Messinstrument A abgelesen werden kann.
Bei einem derartigen Feldeffekttransistor wurde nun die Steuerung bisher dadurch herbeigeführt, dass man die der Steuerelektrode 6 zugeführte Vorspannung veränderte, wodurch sich dann ein entsprechender Strom über seine Ausgangselektroden ergab.
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In Fig. 1 ist nun weiterhin eine isolierte harte Spitze 9 dargestellt, die z. B. aus Saphir bestehen kann und die auf dem Feldeffekttransistor im BereichseinerRaumladungszone aufliegt. Je nach dem Druck, welchen die Spitze 9 auf den Feldeffekttransistor ausübt, ergibt sich nun eine mehr oder minder starke Einschnürung des Strompfades, d. h. bei auf den Feldeffekttransistor wirkenden Druckschwankungen ver- ändert sich der zwischen den Ausgangselektroden 4 und 5 messbare Widerstand des Feldeffekttransistors in entsprechender Weise, was zu einem entsprechend schwankenden Strom über das Messinstrument A führt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich unter Wirkung der Grösse und der gewählten Polarität der Batterien U1 und U2 eine Raumladungsverteilung, die sich im wesentlichen über den rechten Teil der p-leitenden Zone 2 erstreckt. Setzt man nun die Spitze im Bereich dieser relativ starken Ausdehnung der Raumladung an, so ergibt sich eine entsprechend hohe Steuerwirkung durch die Spitze. In Fig. 1 ist die Spitze 9 an einer derart wirksamen Stelle dargestellt. Es hat sich gezeigt, dass bei Zunahme des Druckes durch die Spitze 9 sich eine Erhöhung des Stromes über den Feldeffekttransistor ergibt.
Es ist auch möglich, die Spitze an einer andern Stelle des Feldeffekttransistors anzusetzen, beispielsweise in einer Lage, die durch die gestrichelt gezeichnete Spitze 11 wiedergegeben ist. Die Wirkung von Druckänderungen durch die Spitze 11 ist geringer als die der Spitze 9, da im Bereich der Spitze 11 nur eine relativ geringe Raumladungsstärke vorliegt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem Druck auf die Spitze 11 eine Verminderung des über den Feldeffekttransistor fliessenden Stromes eintritt.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass es nur erforderlich ist, die beiden Ausgangselektroden 4 und 5 zu beschalten, dagegen die Steuerelektrode 6 unbeschaltet zu lassen. Dies ist insofern von Bedeutung, als man damit einen Zweipol erhält, der schaltungstechnisch wesentlich einfacher zu handhaben ist als ein Dreipol, welcher vorliegt, wenn auch die Steuerelektrode 6 beschaltet ist. Auch bei unbeschalteter Steuerelektrode 6 ergibt sich die vorstehend beschriebene Wirkung der Spitzen 9 und 11 auf den Widerstandswert des Feldeffekttransistors.
Die inFig. l dargestellte Verteilung derRaumladung ist nun auchmassgebend unter der Voraussetzung, dass die Batterie Ul fehlt und die Steuerelektrode 6 unbeschaltet ist. Polt man nun unter dieser Voraussetzung die Batterie U2 um, so verschiebt sich der Bereich starker Raumladungen von der Elektrode 5 weg zur Elektrode 4, d. h. es stellt sich eine Raumladungsverteilung ein, welche der in Fig. 1 darge- stellten spiegelbildlich ist. Damit ergeben sich auch für die Spitzen 9 und 11 entsprechend andersarti- ge Wirkungen, u. zen., derart, dass sichdie Spitzen 9 und 11 hinsichtlich ihrer Wirkungsweise gewissermassen vertauschen.
Das bdeutet, dass eine derartige Anordnung polaritätsabhängig ist, was für viele Zwecke unerwünscht ist.
Es hat sich nun gezeigt, dass es mindestens eine Stelle im Bereich der Raumladungszone gibt, an wel- cher eine aufliegende Spitze bei beiden möglichen Polungen der Ausgangselektroden 4 und 5 die glei- che Wirkung durch einen auf die Spitze ausgeübten Druck ausübt. Diese Stelle liegt bei einer Anordnung gemäss Fig. 1 etwa in der Mitte zwischen den Spitzen 9 und 11. Eine solche Anordnung besitzt keinerlei Polaritätsabhängigkeit und wirkt daher wie ein steuerbarer Widerstand ohne jede Richtungsempfindlichkeit.
Die vorstehenden Darlegungen gelten übrigens auch für einen Feldeffekttransistor, der nach dem MOS-Prinzip aufgebaut ist (s."Electronics" Nov. 63, Heft 48, S. 44), Die zur Steuerung benutzte Spitze sitzt hier zwischen den beiden p-leitenden Zonen und wirkt dort auf die sich zwischen diesen beiden Zonen einstellende Raumladung ein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäss gesteuerten Feldeffekttransistors besteht darin, diesen mit einem Flächentransistor zu kombinieren, welcher durch eine oder mehrere weitere Spitzen gesteuert wird.
EineentsprechendeAnordnung ist inFig. 2 dargestellt. Hier ist einHalbleiterblock 12 aus n-leitendem Material gezeigt, in welchen eine p-leitende Zone 13 und in diese eine n-leitende Zone 14 eindiffundiert sind. Dies geschieht beispielsweise mittels Diffusion durch Oxydmasken hindurch, die auf photochemischem Wege hergestellte Formgebung besitzen. Die drei Zonen 12,13 und 14 stellen zusammen einen npn-Flächentransistor dar. Dabei bildet die p-Zone 13 die Basis, die n-Zone 12 den Kollektor und die n-Zone 14 den Emitter des Flächentransistors. Am Kollektor und am Emitter sind die beidenAnschlüsse 15 und 16 als Kollektor- und Emitterelektrode angebracht.
Jie Steuerung dieses Flä- chentransistors wird einerseits durch die Spitzen 17 und 18 herbeigeführt, welche in bekannter Weise die Leitfähigkeit des Flächentransistors beeinflussen, und anderseits durch den aus der p-Zone 13 und
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der n-Zone 19 bestehendenFeldeffekttransistor,der in seinemAufbau und inseinerWirkungsweise voll- kommen dem Feldeffekttransistor gemäss Fig. 1 entspricht. Auf diesen Feldeffekttransistor wirkt nun die Spitze 20 und steuert damit den über die Elektrode 21 in die p-Zone 13 fliessenden Strom, welcher gleichzeitig den Basisstrom für den Flächentransistor bildet. Damit ergibt sich also insgesamt eine Steuerung des über die Elektroden 21 und 16 fliessenden Stromes, hergeführt durch die drei Spitzen 17,18 und 20.
Jede der drei Spitzen steuert rückwirkungsfrei die Anordnung, so dass hiemit beliebige Steuereffekte, wie sie z. B. in Modulationen benötigt werden, erzielt werden können. Zweckmässigerweise werden Transistor 12,13, 14 und Feldeffekttransistor 12,13, 19 gleichzeitig nach demselben Diffusionsverfahren hergestellt.
In Fig. 3 ist die Anordnung gemäss Fig. 2 in Draufsicht dargestellt. Wie ersichtlich, enthält der n-leitende Block 12 die p-leitende Zone 13, welche durch die n-leitende Zone 19 an der Oberfläche des Blockes in zwei Teile geteilt ist. Auf dem im Bild unteren Teil der Zone 13 ist die Elektrode 21 aufgebracht. Innerhalb des oberen Teiles der Zone 13 liegt die n-leitende Zone 14 mit in der Mitte befindlicher Elektrode 16. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die in Fig. 2 dargestellten Spitzen in Fig. 3 weggelassen.
Den vorstehend beschriebenen Feldeffekttransistor mit der erfindungsgemässen Steuerung kann man zweckmässig als Druckmesser verwenden. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit besteht darin, den Feldeffektransistor und die ihn steuernde Spitze mit einer Membran eines Mikrophons zu kombinieren. Auf diese Weise lässt sich ein besonders empfindliches Mikrophon aufbauen.
Bei einem Mikrophon handelt es sich darum, Schallwellen in elektrische Wechselspannungen umzusetzen. In einem solchen Fall, bei dem also Druckschwankungen in entsprechende Stromänderungen umzusetzen sind, gibt man der Spitze zweckmässig einen Vordruck, womit sich ein Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors einstellt, in welchem dieser einen bestimmten Ruhestrom führt. Überlagern sich nun diesem Vordruck die erwähnten Druckschwankungen, so ergeben sich entsprechende Stromschwankungen um den Ruhestrom, d. h. in dem angeschlossenen Stromkreis fliesst als Gleichstrom der Ruhestrom mit diesem überlagerter Wechselstromkomponente.
Je nach den gewünschten Betriebsbedingungen kann man nun den Arbeitspunkt so festlegen, dass er beispielsweise in der Mitte der Kennlinie des Feldeffekttransistors liegt, insbesondere in einem weitgehend geradlinigen Kennlinienteil, wodurch man im wesentlichen lineare Zusammenhänge zwischen den Druckschwankungen und den Stromänderungen erzielt. Anderseits ist es auch möglich, für den Arbeitspunkt ein besonders steiles Kennlinienstück auszuwählen, wenn es sich darum handelt, geringfügige Drucksteigerungen in möglichst grosse Stromsteigerungen umzusetzen. In jedem Fall ist dabei darauf zu achten, dass der Vordruck und der ihm überlagerte zu messende Druck nicht einen Wert übersteigt, bei welchem sich der Transistor plastisch deformiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch einen Steuermechanismus, der darin besteht, dass auf dem Transistor eine isolierte harte Spitze (9), die einem veränderbaren Druck ausgesetzt ist, im Bereich seiner Raumladungszone dort aufliegt, wo diese die stärkste Strompfadeinschnürung verursacht.
2. Feldeffekttransistor nachAnspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kombination mit einem Flächentransistor (12, 13, 14), welcher durch eine oder mehrere weitere Spitzen (17, 18) gesteuert wird.