DE1462161B2 - Druckempfindliches Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches, F i g. 8 zeigt das Schaltbild für den Wandler nach

gegen mechanische Überbeanspruchung gesichertes Fig. 3;

Halbleiterbauelement, bei dem ein pn-übergang F i g. 9 zeigt eine Anordnungsform für das druck-

durch den Druck beeinflußt wird. empfindliche Halbleiterbauelement nach Fig. 1,2

Es sind Ausführungsformen von druckempfind- 5 oder 3;

liehen Halbleiterbauelementen bekannt, bei denen Fig. 10 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der

eine einwirkende Kraft Druckänderungen herbei- Anordnungsform nach F i g. 9, die ein Schallgerät

führt, die durch eine das Halbleiterbauelement be- darstellt;

rührende starre Sonde oder einen Stift auf den pn- Fig.il zeigt eine weitere Anordnungsform für

Übergang des Bauelementes ausgeübt wird, wodurch io ein druckempfindliches Halbleiterbauelement nach

auch eine entsprechende Änderung in dem durch den F i g. 1, 2 oder 3, und

pn-übergang fließenden Strom bewirkt wird (vgl. ■ F i g. 12 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der

»Bell Laboratories Record«, Dezember 1962, S. 418 Anordnungsform nach F i g. 11.

bis 419, und »Journal of Applied Physics«, Wie zuvor erwähnt, besteht ein bereits für druck-

August 1962, S. 2479 bis 2480, und Juli 1963, 15 empfindliche Halbleiterbauelemente nutzbar ge-

S. 1958 bis 1970). machter Effekt in der Stromverstärkungsänderung,

Es ist auch möglich, anstatt mit einem Stift auf die sich aus einem auf einen pn-übergang, z. B. den

den Halbleiterkörper zu drücken, diesen einer Biege- Basis-Emitter-pn-Übergang eines Transistors aus-

beanspruchung auszusetzen (vgl. USA.-Patentschrift geübten örtlichen Druck ergibt.

2 866 014). Grundvoraussetzung für beide Aus- 20 Es wurde noch eine weitere Erscheinung beobbildungen ist es jedoch, daß der Halbleiterkörper achtet, die man als Feldeffekt zum Unterschied von mechanisch beansprucht wird. Bei nichteinwirkender einem Druckeffekt kennzeichnen kann. Es hat sich mechanischer Kraft treten daher auch keine Ände- gezeigt, daß der Stromfluß eines in Sperrichtung vorrungen der elektrischen Parameter auf. gespannten pn-Übergangs durch Annäherung einer

Druckempfindliche Halbleiterbauelemente dieser 25 dritten vorgespannten Elektrode verändert werden

Art sind möglichen Beschädigungen infolge zu stark kann.

ausgeübten Druckes ausgesetzt, wie er beispielsweise Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, kann es sich bei

bei zufälligem Fallenlassen des Halbleiterbau- dem betreffenden pn-übergang um den zwischen

elementes auftritt. Basis 1 und Kollektor 2 eines Epitaxial-Planar-Tran- _f

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Empfindlich- 3° sistors befindlichen handeln. Dieser pn-übergang'

keit gegen mechanische Überlastungen zu beseitigen. wird durch eine Batterie 3 in Sperrichtung vorge-

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß spannt, während eine dritte Elektrode 4 durch eine

darin, daß der Druck auf einen in Sperrichtung vor- Batterie 5 positiv vorgespannt wird. Ebenso kann eine

gespannten pn-übergang durch Veränderung des negative Vorspannung an die Elektrode 3 gelegt

Abstandes eines im Abstand vom Halbleiterkörper 35 werden.

angeordneten, elektrisch vorgespannten Organs ein- Wird nun die vorgespannte dritte Elektrode 3 der

wirkt. Transistoroberfläche im Bereich des Basis-Kollektor-

Zwar sind elektromechanische Wandler mit aus pn-Überganges genähert, so ergibt sich eine 10°/oige

magnetischem oder magnetfeldempfindlichem Mate- Änderung des Stromflusses vom Kollektor zur Basis

rial bestehendem Wandlerelement ebenfalls bekannt 4° bei Annäherung der dritten Elektrode, wobei das

(vgl. die USA.-Patentschriften 2 553 491 und elektrische Ausgangssignal an einem zwischen Basis

3 046 361 sowie die britische Patentschrift 699 746), und Kollektor in Reihe geschalteten Widerstand entjedoch tritt hierbei auf Grund der bekannten Eigen- nommen wird. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn schaft eines magnetischen Feldes, auf magnetfeld- hierfür der pn-Ubergang zwischen Emitter 7 und empfindliches Material ohne Zwischenschaltung eines 45 Basis 1 benutzt wird.

mechanischen Übertragungsgliedes Kräfte einwirken Durch Anordnen eines geeigneten mechanischen

lassen zu können, das der Erfindung zugrunde Antriebs zur Bewegung der dritten Elektrode kann

liegende Problem gar nicht auf. jede gewünschte Form eines elektromechanischen

Weiters vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin- Wandlers unter Ausnutzung dieses Feldeffektes erzielt

dung, sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in 50 werden. Es sind somit Vorrichtungen zum Anzeigen

den Unteransprüchen gekennzeichnet, wobei als von Druck, Geschwindigkeit oder Beschleunigung

Halbleiterkörper insbesondere Dioden, Planar-Tran- außer Formen von elektroakustischen Wandlern

sistoren und Feldeffekttransistoren dienen können. (Mikrophonen) möglich, die nun nachstehend be-

Die Erfindung wird nun an Hand der in der Zeich- schrieben werden,

nung dargestellten Figuren beschrieben, 55 Der Wandler nach F i g, 1 läßt sich so anordnen,

F i g. 1 zeigt schematisch ein druckempfindliches daß er als Mikrophon arbeitet, indem die bewegliche

Halbleiterbauelement mit einem Transistor als dritte Elektrode mit einer Schallmembran gekoppelt

Wandlerelement; wird, und zwar in gleicher Weise, wie es die F i g. 2

F i g. 2 zeigt schematisch ein druckempfindliches zeigt, in der das druckempfindliche Halbleiterbau-Halbleiterbauelement mit einer Diode als Wandler- ^6o element eine durch die Batterie 9 in Sperrichtung element; vorgespannte Diode 8 mit pn-übergang darstellt.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch ein druckempfind- Eine bewegliche Elektrode 10 ist an einer Membran

liches Halbleiterbauelement mit einem Feldeffekt- 11 befestigt und wird durch eine Batterie 12 positiv

transistor als Wandlerelement; vorgespannt, obwohl auch eine negative Vorspannung

F i g. 4 bis 7 zeigen alternativ Einzelheiten von ⁶5 denkbar ist. Ein elektrisches Ausgangssignal, das

Teilen des Wandlers nach F i g. 3 in Richtung auf entsprechend der Modulation des Abstandes der

und über dem Teilstück zwischen den Pfeilen A-A Elektrode 10 infolge Ansprechens der Membran 10

bzw. B-B gesehen; auf empfangene Schallwellen moduliert wurde, wird

an einem zwischen die positive und negative Elektrode der Diode 8 seriengeschalteten Widerstand abgenommen.

In F i g. 3 ist das Wandlerelement ein sogenannter Feldeffekttransistor mit einer beweglichen Gatterelektrode. Der Transistor besteht aus einem n-leitenden Block 14, der auf einer einen Teil des Mikrophongehäuses bildenden isolierenden Unterlage 15 gelagert ist. Die nahe beieinanderliegenden p-leitenden Zonen 16 werden im η-leitenden Block 14 durch bekannte Diffusionstechniken gebildet.

Eine Siliciumoxydschicht oder eine sonstige schützende Isolierschicht 17 wird auf den Block 14 auf jeder Seite der p-Zonen 16 und auf den Block 14 zwischen den Zonen 16, bis zur Hälfte der letzteren reichend, aufgetragen. Die elektrische Verbindung zum Transistor erfolgt über den über der Isolierschicht 17 angeordneten, zu den beiden p-Zonen 16 rührenden Metallbelag 18. Nach der Terminologie der Feldeffekttransistoren sind der η-leitende Block und eine der p-Zonen über eine gemeinsame Leitung 19 mit einem positiven Potential zur Bildung der Quelle (source) und die andere p-Zone über die Leitung 20 mit einem negativen Potential zur Bildung der Senke (drain) verbunden.

Die Gatterelektrode 21 ist beweglich und an einer Membran 22 angebracht; sie besteht aus einer auf eine mit ihrem Rand am Mikrophongehäuse befestigten dielektrischen Membran aufgedampfte Aluminiumschicht.

Die beiden p-leitenden Zonen 16 können nach F i g. 4 ringförmig ausgebildet sein oder nach F i g. 6 bandförmig nebeneinanderliegen, während die Gatterelektrode 21 entsprechend F i g. 6 und 7 ausgebildet ist.

In jedem Fall verläuft ein Band 23 aus Aluminium zum Membranrand zwecks Herstellung einer elektrischen Verbindung von diesem aus über eine Leitung 24 zu einer positiven oder negativen Vorspannungsquelle.

Die die beiden η-leitenden Zonen 16 tragende Transistorseite ist genau im Abstand von 0,025 mm von der die Gatterelektrode tragenden gestreckten Membran 22 angebracht. Die Bewegung der Gatter- ^! elektrode 21 unter dem Einfluß einer Schallquelle ist dann' nicht größer als 0,0025 mm.

Die Schaltungsanordnung geht aus F i g. 8 hervor, wobei die Gatterelektrode 21 durch eine Batterie 25 vorgespannt und das elektrische Ausgangssignal vom Transistor 26 an den Klemmen 27 über einen der Potentialzuführung zur Quelle 29 und zur Senke 30 dienenden Blockkondensator 28 abgenommen wird. Eine Veränderung im Senkenstrom ist annähernd proportional der Bewegung der Gatterelektrode bei ; kleinen Abweichungen, so daß, um die Ausgangsj leistung bei Frequenzänderung unter konstantem ; Schalldruck konstant zu halten, die Amplituden-I bewegung der Gatterelektrode bei Frequenzänderung \ konstant gehalten werden muß. Bei einem Druckmikrophon muß also die die bewegliche Elektrode j tragende Membran durch akustische Steifheit gei steuert werden.

[ Dies ist aus der Konstruktion nach F i g. 9 ersicht- ! lieh, in der eine die bewegliche Elektrode 32 tragende j Membran 31 an einem geschlossenen Mikrophonj gehäuse 33 angebracht und das Halbleiterbauelement 34 auf einer Lochplatte 35 gelagert ist.

Das elektrische Ersatzschaltbild des Aufbaues nach F i g. 9 ist in Fi g. 10 wiedergegeben, worin F die Antriebskraft einer aufgenommenen Schallwelle, Ll die Masse der Membran, C1 die Nachgiebigkeit der Membran, C2 das Gehäusevolumen und Rl den Schallwiderstand der Platte 35 darstellen.

Bei der Ausbildung nach Fig. 11 liegen beide Seiten der Membran im wesentlichen frei, und die reine Antriebskraft, d. h. die Differenz zwischen Fl und F2 (Fig. 12), nimmt proportional zur Frequenz zu. Bei schwacher Ausgangsleistung muß die steuernde akustische Impedanz Widerstandscharakter haben, wie durch Rl in Fig. 12 angedeutet wird, womit der akustische Wirkwiderstand der Lochplatte 35 in F i g. 11 bezeichnet ist.

In allen obigen Konstruktionen steht die Membran (und damit die bewegliche Elektrode) nicht in Kontakt mit dem Halbleiterbauelement und übt auch keinerlei mechanische Kraft auf dieses aus. Somit kann der akustische Teil des druckempfindlichen Halbleiterbauelements unabhängig von irgendeiner Rückstoßkraft aus dem Halbleiterbauelement konstruiert werden, das somit vor mechanischer Beschädigung durch überhöhte Belastung von der Membran her gesichert ist.

Obwohl in allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Halbleiteranordnung mit pn-übergang das Wandlerelement bildet, kann das Wandlerelement auch aus einem Halbleiter bestehen, dessen Eigenschaften durch ein elektrostatisches Feld beeinflußt (gesteuert oder moduliert) werden können.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Druckempfindliches, gegen mechanische Überbeanspruchung gesichertes Halbleiterbauelement, bei dem ein pn-übergang durch den Druck beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf einen in Sperrrichtung vorgespannten pn-übergang durch Veränderung des Abstandes eines im Abstand vom Halbleiterkörper angeordneten, elektrisch vorgespannten Organs einwirkt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Planartransistor besteht (F i g. 1).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer Diode besteht (F i g. 2).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Feldeffekttransistor besteht (F i g. 3).

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als -elektrisch vorgespanntes Organ die Gatterelektrode des Feldeffekttransistors dient.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch vorgespannte Organ mit einer Schall· membran gekoppelt, ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallmembran nur von einer Seite auf einfallende Schallwellen anspricht.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallmembran von beiden Seiten auf einfallende Schallwellen anspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen