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Elektroakustischer Wandler auf Halbleiterbasis
Seit der Entwicklung der Halbleitertechnik hat es an Versuchen nicht gefehlt, eine Halbleiteranordnung als elektroakustischen Wandler, meist als Mikrophon, aufzubauen.
Eine Veröffentlichung zielt darauf ab, den Abstand der beiden Spitzenelektroden eines Spitzentransistors nach geeigneter Verbindung der Spitzenelektroden zwischen den Membranen durch Schall druck zu verändern und hiedurch den Transistor zu steuern (USA-Patentschrift Nr. 2, 647, 162).
Eine andere Lösung sieht vor, durch geeignete Zuführung mechanischer Schwingungen die Sperreigenschaften eines entsprechend vorgespannten pn-Überganges durch Auslösung von Defektelektronen zu verändern (USA-Patentschrift Nr. 2, 497, 770).
Eine weitere Lösung ist durch eine dielektrische Schicht zwischen einer elektrisch gut leitenden Steuerelektrode und einem aus elektrisch verschiedenartig leitenden Schichten bestehenden Halbleiterblock gekennzeichnet. Auch hier erfolgt die Steuerung durch Ladungsträgererzeugung in der Grenzschicht eines pn-Überganges (deutsche Auslegeschrift 1006169).
Auch ist es bekannt, einen Halbleiterverstärker durch Feldstärkeänderungen zu steuern, welche in
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Gleichvorspannung nötig, welche das Anwendungsgebiet stark einengt.
DieErfindunggehtgegenüberdenbisher bekanntgewordenen Versuchen einen andern Weg zur Lösung der Aufgabe eines elektroakustischen Wandlers und macht sich dabei einige neue Erkenntnisse der Halbleitertechnologie zunutze.
In der neueren Literatur ist nämlich eine Erscheinung beschrieben, bei welcher durch Anlegen eines elektrischen Feldes an eine nach den Methoden der Planartechnik aufgebrachte Siliziumdioxydschicht die Inversionszone in den darunterliegenden Halbleiteroberflächen beeinflusst wird. Befindet sich ein pn-Übergang in unmittelbarer Nähe, so kann diese Änderung an der Veränderung des Sättigungssperrstromes gemessen werden. Diese Änderung kann auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Oxydschicht erzeugt werden.
Es ist bereits bekannt, diese Erscheinung zur Steuerung einer räumlich begrenzten Inversionszone an der Halbleiteroberfläche, im angelsächsischen Sprachgebrauch als"Channal"bezeichnet, technisch auszunutzen. Dabei handelt es sich um einen Unipolartransistor, dessen Torelektrode als eine sehr hochohmige Siliziumdioxydelektrode zur Steuerung des"Channals"ausgebildet ist (Proc. IEEE 51 (1963) 9, S. 1190).
Weiters ist ein elektroakustischer Wandler auf Halbleiterbasis bekannt, bei dem auf einem einseitig eingespannten Piezokristall auf einer Seite ein als Unipolartransistor wirkender Halbleiterfilm angeordnet ist, so dass sich durch Influenz eine direkte Wechselwirkung zwischen der Leitfähigkeit des Halbleiterfilrns und dem elektrischen Feld des Piezokristalls ergibt (USA-Patentschrift Nr. 2, 898, 477).
Die Erfindung macht von der gleichen Steuerungsmethode Gebrauch. Bei ihr wird ein Piezoelement und ein hochohmiger Halbleiterblock mit je einer Quellen- und Senkenelektrode und einem zwi-
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schen den beiden Elektroden in der Oberfläche desHalbleitersverlaufenden, räumlich begrenzten Inversionszone (Channal) als Strompfad verwendet.
Erfindungsgemäss ist zwischenQuellen- und Senkenelektrode an der räumlich begrenzten Inversionszone als Piezoelement eine epitaxisch auf einem hochohmigen Siliziumhalbleiter aufgewachsene Siliziumdioxydschicht (Quarz) angeordnet, welche an ihrer Oberfläche metallisiert ist und eine Elektrode trägt, so dass sich durch Influenz eine direkte Wechselwirkung zwischen der Ausdehnung der räumlich begrenzten Inversionszone und dem elektrischen Feld des Piezokristalls ergibt. Dadurch wird eine besonders raumsparende und einfach herzustellende Ausführungsform erzielt.
Vorteilhaft ist die vom Halbleiter abgewandte Seite des Piezokristalls elektrisch mit der Quellenelektrode verbunden.
Der elektroakustische Schallwandler nach der Erfindung eignet sich sowohl als Schallempfänger als auch als Schallsender.
Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispieles eines nicht unter das Schutzbegehren fallenden Schallwandlers, der im Prinzip einer bekannten Ausführungsform entspricht. Auf einem Halbleiterblock -- 1 - aus eigenleitendem Silizium sind zwei sperrfreie Kontakte-2 und 3- einlegiert, welche als Quellen- und Senkenelektroden für den zwischen den beiden Elektroden an der Oberfläche des Halbleiters in der räumlich begrenzten Inversions- zone - 4 -- fliessenden Mehrheitsladungsträgerstrom dienen. Insofern entspricht der Aufbau dem eines Unipolartransistors.
Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungsformen derartiger Unipolartransistoren wird keine an einer Steuerspannung liegende Torelektrode, auch keine hochohmige Oxydelektrodever- wendet. Vielmehr ist diese durch einen Piezokristall -- 5 -- ersetzt, dessen Ladung direkt oder durch eine Schicht von amorphem Siliziumdioxyd -- 6 -- durch Influenz auf die Inversionszone des Strompfades (Channals)-4- einwirkt. Der Piezokristall wird in bekannter Weise zu mechanischen Schwingungen angeregt und wirkt demzufolge als Schallempfänger oder wandelt als Schallsender elektrische La- dungen in mechanische Schwingungen um.
Das vom Halbleiter abgewandte Ende des Piezokristalls -- 5 -ist mit einem Belag -- 7 -- versehen und elektrisch mit der Quellenelektrode-2-verbunden. Als Material für den Piezokristall wird man zweckmässig wegen der hohen Piezospannungen sogenannte Blei-
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EineAusführung gemäss der Erfindung zeigt Fig. 2. In bezug auf den Unipolartransistor entspricht sie derAnordnungnachFig. 1. Nur ist hier die Siliziumdioxydschicht nach einem der bekannten oder einem von der Patentinhaberin kürzlich vorgeschlagenen Verfahren epitaxisch aufgewachsen. Sie weist also als Quarzschicht bereits beachtliche piezoelektrische Eigenschaften auf und kann deshalb ohne weiteres direkt als Piezokristall-- 5 -- verwendet werden.
Das Wirkungsprinzip dieser Anordnung beruht wie das der Fig. 1 auf der direkten Wechselwirkung des piezoelektrischen Feldes mit der räumlich begrenzten Inversionszone durch Influenz.
Die vorbeschriebenenAnordnungen können selbstverständlich auch mit reziproker Wirkung als Schall- geber eingesetztwerden. In diesem Falle wird dem Halbleiter-l-über die Quellenelektrode -- 2 -eine Tonfrequenz zugeführt, welche über die räumlich begrenzte Inversionszone -- 4 -- durch Influenz im Piezokristall-5-Ladungsänderungen verursacht, die ihrerseits wieder Kontraktionen bzw. Dilationen des Piezokristalls -- 5 -- zur Folge haben.
Die Steilheit der bis jetzt gebauten Unipolartransistoren mit einer Torelektrode im Siliziumoxyd beträgt zwischen 2 bis 5 mA/V. Die piezoelektrische Empfindlichkeit, insbesondere der piezoelektri-
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Bei einer wirksamen Steuerfläche von 10-6 cm2 und einem Schalldruck von 1 Dyn/cm2 ist eine genügende Aussteuerung des Unipolartransistors sichergestellt.
Das Prinzip der Erfindung kann für alle Arten von Unipolartransistoren, also auch für die neuerdings bekanntgewordenen (TFT) Transistoren, d. h. in Dünnfilmtechnik ausgeführte Unipolartransistoren, Verwendung finden (s. z. B. Proc. IEEE Nov. 1963, S. 1642 ff).
Ein nach dem Prinzip der Erfindung aufgebauter Unipolartransistor als elektroakustischer Wandler hat einen sehr hochohmigen Eingang und einen verhältnismässig niederohmigen Ausgang, eignet sich also für nachgeschaltete Transistorenverstärker mit bipolaren Transistoren.