DE1215399B - Druckempfindliche Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIl

H04r

Deutsche KL: 42 k-7/05

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1215 399
S86346IXb/42k
23. Juli 1963
28. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 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 Kollektorstroms zur Folge. Der Wirkungsgrad derartiger Systeme ist bis zu lOOmal 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 Drucks erreichen zu können, wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Spitze auf einen Oberflächenbereich aufgesetzt ist, der durch Lage und Geometrie der Elektrode, insbesondere der Basis- und Emitter- 3-5 elektrode, und gegebenenfalls der von diesen kontaktierten Halbleiterzonen eine gegenüber benachbarten Oberflächenbereichen erhöhte Stromdichte aufweist.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen wurden an einem Transistor des Planartyps vorgenommen. Dieser Transistortyp bietet unter anderem den Vorteil, daß die an die Oberfläche tretenden pn-Übergänge durch eine Oxydschicht, im Fall eines Siliziumtransistors durch eine Siliziumdioxydschicht, geschützt sind. Dadurch sind Planartransistoren gegen die Oberflächenbeschädigungen durch die Spitze unempfindlich.

In der F i g. 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 η-leitenden Emitterschicht 3 besteht. Die Emitter-Druckempfindliche Halbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Wolfgang Touchy, München

zone 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 der Fig. 1 ist das Ergebnis der vollständigen Abtastung eines solchen Planartransistors dargestellt. In Richtung des Pfeils ist die Kollektorstromänderung, die durch den Druck an den entsprechenden Oberflächenbereichen des Transistors hervorgerufen wird, aufgetragen. Durch die gestrichelten Linien zwischen den F i g. 1 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 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 kontaktierten Halbleiterzonen Oberflächenbereiche zu schaffen, die eine gegenüber 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.

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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 zugewandt, angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Ausführungsform der Erfindung ist in der F i g. 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 entsprechender Verunreinigungen der IH. Gruppe des Periodischen Systems eine p-leitende, als Basiszone wirksame Schicht 12 erzeugt. In dieser Schicht 12 wird unter der Verwendung der Oxydschicht als Maskierung nach der bekannten. Planartechnik durch Eindiffusion einer η-dotierenden Verunreinigung, also eines Elements der V. Gruppe des Periodischen Systems, die η-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 ElektrodelS versehen, die ebenfalls tropfenförmig ausgebildet ist und im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa die Größe der Emitterzone aufweist. Die spitz zulaufenden Enden der Elektroden bzw. der Emitterzone liegen auf einer Geraden und sind einander zugewandt. Dadurch entsteht an dem mit 16 bezeichneten Bereich ein Gebiet sehr hoher Stromdichte und damit großer Druckempfindlichkeit. Die Spitze, die zur Ausübung des Drucks 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 der Druckempfindlichkeit vom Kollektorgleichstrom besteht. Diese Abhängigkeit ist im Prinzip in der F i g. 4 dargestellt. In dieser Figur ist als Ordinate der Kollektorstrom I_c 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 der F i g. 4 kann man erkerinen, daß sich die¹· Steilkante des'Kollektorstromabfalles, die dem Gebiet größter Empfindlichkeit gegen Druckschwankungen entspricht, mit dem Kollektorstrom verschieben läßt,, und zwar verschiebt es sich mit steigendem Kollektorstroml nach hohen Druckwerten, wie die Kurven 8 bis 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 Kollektorstroms, der ohne Druckeinwirkung durch entsprechende Einstellung des Basisstroms eingestellt wird, der beste elektrische Arbeitspunkt für Druckschwankungsäufzeichnungen

einstellen. ;

Für die Einstellung des günstigsten Anfangsstromes, also des günstigsten ^elektrischen Arbeitspunktes, ist noch ehe weitere Betrachtung der Kurven notwendig.. Die Kurven lassen erkennen, daß es einen Bereich gibt, in dem die Beeinflussung des Kollektorstroms durch dem Druck nicht sehr groß ist, wie dies durch die sehr schwache Steigung der Kurven ersichtlich wird. Dieser Bereich entspricht bei den Kurven 8 und 9 gleichzeitig/einem Druck-

bereich, in dem eine elastische Verformung des Halbleiterkristalls stattfindet, d h. in dem bei Entlastung der Halbleiteranordnung sich sofort wieder der ursprüngliche Stromwert einstellt, Dieser Bereich ist jedoch wegen der geringen Druckempfindlichkeit für Druckschwankungsaufzeichnungen nicht sehr . ge-'' eignet.

Diesem Bereich folgt der bereits vorher erläuterte steile Abfall des Kollektorstroms, d.h. ein Bereich großer Druckempfindlichkeit, Bei den Kurven 8 und 9 entspricht dieser Bereich jedoch einem Druckgebiet, in dem eine plasto-elastische Deformation der Halbleiteroberfläche auftritt, d.h., nach Aufhören der Belastung verschwindet ein sehr kleiner Stromwert erst nach einer endlichen Zeit, und zwar ist diese Erholungszeit des Gitters um so größer, je größer der vorher angewendete Druck ist. Diese Relaxationszeit bedingt eine obere Frequenzgrenze für die angewendeten Druckschwankungen, und¹ es ist daher wünschenswert, 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 Druckwert von 100 kg/qmm festgelegt. Es hat sich gezeigt, daß für Drucke, die kleiner als dieser Wert sind, eine elastische Deformation der Oberfläche stattfindet, während für Drucke, die darüberliegen, zunächst eine plasto-elastische und dann eine unelastische Deformation bis zur vollkommenen Zerstörung nicht nur der Oberfläche sondern auch des Volumens des Halbleiterkristalls erfolgt.

Zweckmäßig ist es, den Arbeitspunkt, d. h. den Kollektorstrom vor der Druckanwendung, so einzustellen, daß die in Fig. 4 dargestellten Kurven so weit nach links verschoben werden, daß der Bereich des Kollektorstromabfalls, 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 Ein-

dringtiefe der pn-Übergänge auf die Pruckenipfindlichkeit. Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Emittereindringtiefe von 20 μ und einer Basiseindringtiefe von 60 μ . der Drucken⁷ekt gerade . noch nachweisbar ist. Allgemein kann man sagen, daß die pn-Übergänge möglichst dicht, d. h. mit einem Abstand, der kleiner als 1 μ 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 steilen Abfall des Kollektorstroms bedingte hohe Druckempflndlichkeit vorhanden ist.

Im Zusammenhang mit der Fig.4 sei außerdem noch darauf hingewiesen, daß, wie sich aus der Betrachtung der Kurven 8 bis 10 ergibt, die Einstellung eines möglichst geringen Kollektorstroms vor Ausübung 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 Kollektorstroms, die natürlich abhängig vom Transistorsystem sind, darf verständlicherweise nicht gearbeitet werden. .

Außer den eingangs angegebenen Verwendungsmöglichkeiten für eine druckemfindliche 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 F i g. 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 doppelwandiges Druckausgleichsgefäß 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 das Transistorsystem 25 übertragen und elektrisch verstärkt. Ein besonderer Vorteil ist für Flugzeugführer, daß eine Anzeige akustisch erfolgen kann.

Zur Prüfung einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung als Mikrophon ist es günstig, die im Takte 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,., .bz^y./.dje: Emitterzone, aufgesetzt. Mit einem Federdruckgeber,. ~ der über eine weitere Feder an die Spitze angekoppelt wird, bzw. mit zusätzlichen Gewichten kann, die nofwendige Vorspannung eingestellt wurden* Es ist zweckmäßig, den Vordruck auf diese Weise einzustellen und nicht durch Vorspannen der Membran, da dadurch die Empfindlichkeit der Membran verringert wird.

ίο 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 Basisstrom aber praktisch konstant bleibt, d. h., bei sich änderndem Druck ändert sich die Stromver-Stärkung, die durch das Verhältnis I_c: I₈ gegeben ist. Durch Einstellung des Druckes, also z.B. durch entsprechende Wahl des Vordruckes, kann also auch die Stromverstärkung in gewünschter Weise beeinflußt werden.

Claims (8)

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 veränderbarem Auflagedruck aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze auf einen Oberflächenbereich aufgesetzt ist, der durch Lage und Geometrie der Elektroden des Systems, insbesondere der Emitter- und der Basiselektrode und gegebenenfalls der von diesen kontaktierten HaIbleiterzonen, eine gegenüber benachbarten Oberflächenbereichen erhöhte Stromdichte aufweist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Basiselektrode spitz zulaufend ausgebildet und auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers, die spitz zulaufenden Enden einander zugewandt, angeordnet sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Basisübergänge einen Abstand von dem Oberflächenteil, auf dem die Spitze aufsitzt, aufweisen, der kleiner als 1 μ ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Spitze eine mechanische Vorspannung vorgesehen ist, der sich der veränderliche Auflagedruck überlagert.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze an der Berührungsstelle abgeplattet ist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze aus Saphir oder Rubin besteht.

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze aus Borcarbid besteht.

8. Verfahren zum Betrieb einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auf-

drücken der Spitze durch Regelung des Basisstromes ein Anfangswert für den Kollektorstrom eingestellt wird, für den der Bereich größter Druckempfindlichkeit, der sich aus der Abhängigkeit des Kollektorstromes vom angewendeten Druck ergibt, in einen Druckbereich verschoben

wird, in dem eine elastische Verformung der Halbleiteroberfläche erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift: »Bell Laboratories Record«, Dezember 1962, S. 418/419.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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