DE1473590A1 - Transistor,auf den mittels einer harten Spitze ein Druck ausgeuebt wird - Google Patents

Description

• Transistor, auf den mittels einer harten Spitze ein Druck ausgeübt wIrd

  Zusatz zur Fatentanmeldung S 8§ 674 fIIle/21g (PA 63/2249)

  Das Hauptpatent bezieht sich auf eine einen pn-Übergang enthaltende Halbleiteranordnung, auf die mittels einer harten Spitze ein Druck ausgeübt wird. .

  Anordnungen dieser Art sind beispielsweise durch den Aufsatz

  "Hiehly Sensitive Microphone Uses,Transistor As Basel' in der Zeit-

  schrift Bell Lab:Fecord, Dezember.1962, Seiten 418-419 bekanntge-

  worden.

  Gemäß den Hauptpatent wird eine Empfindlichkeitseteigerung der

  bekannten Anordnungen dadurch erzielt, dafl die Spitze am pn-Übergang oder in der unmittelbaren Umgebung desselben auf dem Halbleiter auf liegt.
• 'Ger:äß dem Hauptpatent kann man.nun als Halbleiter einen Transistor verwenden und die Spitze am Emitter-Dasis-Übergang anbringen. Durch Druckschwankungen, die über die Spitze-auf den Transistor übertragen werden, ergeben- sich bei dieser Anordnung entsprechende Änderungen des Kollektorstromes, wozu aber die Basis des Transistors einen entsrrechenden Ruhestrom erhalten muß. Elektrisch handelt es sich bei dieser Anordnung also um einen Dreipol. Für viele Zwecke ist diese Einschaltung als Dreipol unzweckmäßig. Die Erfindung zeigt nun einen 17eg, wie man zu einer reinen Ztreipolanordnung kommen kann, die durch Druckschwankungen mittels einer Spitze gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch ermöglicht, daß an dem Transistor nur die Emitter- und die Kollektorelektrode angebracht sind und der wegen der fehlenden Basiselektrode von außen nicht zuführbare Basisstrom .in-seiner `Wirkung durch den Druck einer am Kollektor-Basis-Übergang oder in der unmittelbaren Umgebung desselben aufliegenden Spitze ersetzt wird.
• Überraschenderweise hat sich,nämlich gezeigt;' daß eine derart an Kollektor-Dasis-Übergang wirkende Spitze das fließen von Kollektorotrori.@erröglicht und darüberhinaus diesen auch steuert, ohne daß dem Transistor von außen Basisstrom zugeführt wird. Auf diese Weise ist es r:ögl:ch, den Transistor als reiner, Ztreipol in einen Stromkreis einzuschalen, in der bei an der Spitze wirkenden Druckschvrankungen entsprechende Stromschwankungen erzeugt werden.
• Das Prinzip dieser Anordnung ist in Pig. 1 dargestellt. Auf dem pnpr-Transietor T liegt direkt am pn-Übergang von der Kollektorzone 0 zur Basiszone D eine harte Spitze, z.B. aus Saphir, auf, die an dieser Stelle in der gezeichneten Pfeilrichtung einen mehr oder minder starken Druck auf den Transistor ausübt. Die Folge davon ist ein entsprechend schwankender Kollektorstrom, der an der Kollektorelektrode Kc austritt und an der Emitterelektrode Xe wieder eintritt. Wie ersichtlich, besitzt der Transistor T nur diese beiden Elektroden. Geliefert wird der Strom aus einer Batterie G und wird in einem Anzeigeinätrument,A geessen: Der Wirkung nach handelt es sich also bei dem Transistor T um einen 'in einem Stromkreis liegenden Widerstand, dessen Widerstandswert durch den jeweils auf die Spitze, S ausgeübten Druck eingestellt wird: In Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 anhand eines Diagramms dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms ist der auf die Spitze S wirkende Druck P eingetragen, auf der Ordinate der von dem I,_eßinstrument M angezeigte Strom I. Wie ersichtlich, fließt über den Transistor T bei dem Druek 0 der Sperrstrom I.. Dieser Sperrstrom'entspricht dem gleichen Strom, der über den Transistor T fließen würde, wenn dieser in normaler Ausführung mit angebrachter Basiselektrode keinen Bäsisstrom zugeführt bekäme. Wirkt nun .auf die Spitze ein Druck P und nimmt dieser zu"-so erhält ran den in der Diagram durch die eingezeichnete Kurve dargestellten "Verlauf für.den Strom I., Handelt es sich nun beispielsweise darum, daß auf die

  Spitze S wirkende Druckschwankungen in entsprechende Strcmänderun-

  genumgesetzt werden sollen, so gibt man der Spitze s einen Vor='

  druck Po, Womit sich auf der dargestellten-Kennlinie ein Arbeits-

  punkt A einstellt, in welchem der Transistor= den ua:estro@x @a führt;

  Überlagern sich nun dieselt Vordruck Po die. erwähnten Druckschwankun-

  ,.en, so ergeben sich entsprechende Stromschwankungen um den Ruhe-

  strcm Io, d.h. in der, Stromkreis fließt als Gleichstrom der Ruhe=

  Strom Io mit diesem überlagerter Wechselstrokomponente. Je nach

  den.gewünschten Betriebsbedingungen kann man nun den-Arbeitspunkt A

  so festlegen, daß.er beispielsweise in der Mitte eines weitgehend

  geradlini8en Kennlinientelles liegt, .iodurch man im Wesentlichen

  lineare Zusammenhänge zwischen den Druckschiv$nkungen,und den Stror-

  änderungen erzielt. Andererseits ist en auch möglich, für den Ar-

  beitzpunkt ein besonders-steiles Kennlinienetück -auszuwählen, vrenn

  es sich darum handelt,:nur geringfügige Drucketsigelngen in mög-

  lichst große Stromsteigerungen umzusetzen: In jedem Falle ist dabei

  darauf zu achten, daß der Vordruck Po und der ihm überlagerte zu

  messende Druck nicht einen Wert übersteigen, bei welchem sich der

  Transistor elastisch deformiert.

  In Fig. 3 ist eine besonders zweckmä@üge Verviendungsmöglichkeit der

  erfindungsgerUen Anordnung dargestellt. Hier wird der Transistor T'

  mit Kollektor-, -Basis- und Emitterzone ü, D und 'E als zweipoliger

  ttändler berrlutzt, welcher in Druckschwankungen umgesetzte Schall-

  Schwingungen in entbtrechende Stromschwankungen umwandelt: Der Schall

  gelangt hier auf die tembrane 11, mit der 'die Spitze S direkt verbun-:

  -..`

  den ist. Die Spitze liegt mit einem ,eingestellten Vordruck auf dem*

  pn-Übergang 'wischen Xollektorzone C uhd Zaeiazone B auf 'und ruft.

  somit einen Ruhestrom über den: Transistor m hervor $ dem sich gemäß .

  dem. Schall entsprühcnde Stromschwankungen überlagern. Die Schaltung

  ist so ausgebildet, daß der von der Batterie G gelieferte Ruhestrom

  infolge Wirkung der Drosseln D I und D2 :von der Weohselstromkomponente

  getxennt werden kann, die über die Xondensdtoren St und G2 zu dorr

  Klerren ni und 2 geleitet wird. Diese Schaltung läßt sich bei-

  spielsweise iür Pernsprechstationen.verlvenden,` wobei dann der Ruhe-.

  strcm. aus der zentralen Amtsbatterie ,geliefert wird. Ruhestrom-und

  Vlechselsträin werden Uann durch entsprechende Siebmittel in der Zen-

  trale getrennt. Die aua Transistor T und Membrane M mit der Spitze S

  bestehende Anordnung läßt sich:' ohne:weiterea baulich so gestalten,

  daß man diese Elemente in einem Gehäuse unterbringen' kennt das den

  handelsüblichen &ikretonkapseln entspricht. : .

  Tie `7irkung der erfindungsgemäß am; Kollektor-Basis-Übergang auflie-

  genden Spitze läßt sich nunWnoch verstärken, wenn man auch am Emit-

  .ter-Dasis-Übergeng eine Spitze anbringt.-Eine derartige Anordnung

  läßt sich auf zweierlei Weise betreiben. Einerseits ist es möglich,

  einen Differenz- bsw. Stuümenvrert xweler Größen anzuzeigen, . die in'

  Form von mechanischen üeken den beiden Spitzen zugeführt s7erden:

  Andererseite :kann -man. die beiden Opitz.en nur :durch eine Größe -beeis-

  fluesen,- wobei. die Größe auf die eine Spitoc. druckverstärkend und

  auf die Wandere Spitge ,druckvermindernd wigkt.

  n der zig. 4 iet dasPrinzip der Verstehend beschriebenen .nördnung-

  dargestellt. Bo liegeÄ` Bier sowohl. am.KolheikXrBaois-Übergang als auch

  ;nm £mitter L-I>ssis#-Überg«g. des Tranel,ntars f ` je eine 0 1tse'' auf,-

  und zwar die Spitza1 S1 'und S2. Der über den Transistor T fließende

  Strom wird von. der Batterie G geliefert und in dem Anzeige-Instru-

  ment A gemessen. Will man nun beispielsweise die Differenz oareier

  Trücke messen, so läßt man diese Drücke direkt auf.die beiden Zpit-

  zen 31 und S2 wirken. Es ergibt sich dann durch den Druck 'auf -die

  Spitze. 81 eine Te #siehe Fig@# # .`# dtich .

  @.jenz der Stromerhöhung .7,## dure@ den Druck aufdie

  den Earitter-Dasis-Lbergang mittels der

  'Spitze S2 gerade die gegenteilige-Tendenz, wodurch ein Strom über

  den Transistor entsteht, dessen Wert ein Maß tür den Differenzviert

  zwischen den beiden wirkenden Drücken ist. Es `ist auch möglich, mit

  dieser Anordnung den Summenwert zweier Größen zu erfasseng indsn man

  die eine Gröe als Druckverminderung wirken lä.t. Handelt en sich

  beispielsweise wieder tim zwei Drücke, so läßt man den einen Druck

  direkt auf die eine Spitze wirken, während der andere"Druck so zu

  wirken. hat, daß- er gegenüber einem eingestellten Vordruck bei der

  anderen Spitze druckvermindernd wirkt. läßt,man nun den direkten

  Druck auf die Spitze S1 wirken, so ergibt eich unter dieser Wirkung

  die Tendenz einer Stromerhöhung. Wirkt dagegen die Druckverminderung

  auf die Spitze S2, so entsteht auch hier die Tendenz der Stromer-

  höhung, se daß sich im Effekt«ein Strom einstelltf dessen Größe ein

  Maß für die Summe der beiden Drücke ist'.

  In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die 3etriebsvicise. darge-

  stellt,-bei welcher die beiden Spitzen von einer Größe derart'@beein-

  - ' @evei@.t@

  flußt werdet, daß die Grö£e/auf die eine Spitze drückveretärkend

  und auf die andere Spitze druckvermindernd wirkt: Die zu messende -

  Größe ist hier der Schall g der auf eine Membrane M wirkt. Die. bierr.-

  brane ist direkt mit einem Rebel H verbunden, der 'in einem Dreh-

  punkt Mr so gelagert ist, daß eich bei Irin-. und kierbevregungen der

  1tembrane Hebelbewegungen einstellen, welche .die gggeneinfige Bewe-

  gung der beiden an. der. Hebel H befestigten Spitzen Sl und S2 bewir-

  ken. Ein in der Zeichenebene von links nach rechts wirkender Druck

  auf die Membrane M verursacht somit einen Druck auf die Spitze S1

  und einen Zizg auf die Spitze S2, was zu einer Stromzunahme führt.

  Voraussetzung ist hierbei, 'daß die beiden Spitzen mit einen bestimm-

  ten Vordruck auf dem Transistor T aufliegen. Der Transistor T liegt

  in einer Schaltung, die völlig derjengen ,gemäß Pig. 3 entspricht,

  so daß`hinsichtlich deren Funktion auf die Erläuterungen.zu fig: 3

  verwiesen werden kann. _ `-

  Ein weiterer Anwendungsfall für das anhand der Pig. 5 beschriebene

  rrinzip besteht darin, den mit zwei. Spitzen ausgestatteten Transistor

  als Abnahmeorgan für Törsionsschwingungen in einen mechanischen

  laufzeitglied -zu vervrenden, wobei die Torsonsschwingungen an.' den

  Enden des laufzeitglieden über mechanische ,opplungsglieder gegen-

  phasig in beiden Spitzen zugeführt werden: Derartige laufzeitglieder

  werden in Zeitmultiplex-Vermittlungsanlagen verwendet und sind bei-

  spielsweise veröffentlicht in : einem Aufsatz aus den. froc: ZEE,Fart B, Supplement Nr. 3, April 1956, Seiten 497-508 (siehe insbe-

  sondere Pig. 7 auf Seite 501). Derartige @Laufzeitglieder bestehen

  aus einem Draht, dem an seinem einen Ende ein Impuls in form einer

  Tflrsicnsspannung eingegeben wird, der sich in Form einer Torsions-.

  tcLtinFung den Draht entlang fortpflanzt und an seinem Ende über

  . zwei Bänder oder. Hebel abgenommen wird, die tangential an dem Draht

  'befestigt sind. Befestigt man diese Hebel nun so an den Draht, daß

  sie-parallel zueinender und in einer Richtung von dem Draht wegetre-

  ben, und verbindet man diese Hebel direkt mit zwei Spitzen, die je--.

  @".'neiatern aufliegen, so , ergbt eich bei. ` % ihW@ te msochwingu

  den -Vrehtes Über @ 'die eine Spitze eire Dckverstärkuund die an=

  ete Spitze eine »rucerminserung-'@äuf der Ti`s nt-'it °'i

  nteprothende Stromsteuerung:

  n Vig; 6 ist dieees rrinzip-@:dergeätellt,ee:gt .;st='3i dz .@Y

  z3i.eh in 'blden ttUglichen Itichtunge,t.:eeir@sc .,ähsb.. clc;;xx:,°

  bei. n.t er die teng"t@al,` an. i.h `bet t:,@ ' und 'B2

  anit$ die unter einem bestimmun` YardrÜck- ate eh@Üri -,ebr@@ee-

  aung dee Drahten R en der einen gtelle des Trßitorl eiDruck--°

  'Verstrkun, und an zier andern .ßtelle eine Dteindcx=g bewir---

  ken: Die felge. davon. istä deßj Torsionschwingungen des Mrten E

  eich .als entspreohee'ifber den Transietor fließende '`hselatrcner

  @u@err@;

  Es hat sieh' herausgestellt, daß sieh tlü tnnslator^ Mr die er'i

  düngs$E,emä£e Vermrendung einseleher vom `eogenaten pleartbeecn-- : -

  dere t eignet. Dieser Trssietörtyp beeitzt E eise 8ohrxtt- ,gegen

  mesphärische Einflese eine Schutzschicht, ` dies ao. dünn iete dun skr:

  auf ihr direkt eihe@ Bpitz.b sursetzehltanni@"-tvobb.i: liesse ausreicheri4

  die @iceäs~bh@nkuen auf. dass eigentliche Traietottriül über-

  trugt ohne daß. di.e '-,Sohutzrphieht -hierbei störend`. j-4-e, 'idhbinuntrj,-w

  In -gen Pig. 7 '-xd 8' aitd Zwei Ausgführungabei4piele,- hieri'(Lr darge_

  stellt, wo'ei 'ü der Pig. '- ein Tränsetor^ miti-'ifi.r -gritte Sam Kör.

  8 ein

  .aitey smrltorssgie-rund am Ui,ew@@ rge

  . , . s. r. . ..,. _. ., _

  gezeigt 1 c :.:@ir#att ist xoht : daleateat.

  beiden AusfUIr=gebe@sVlen de: g1 Ob' Trensieort.'ndellegt,,.

  - . 1. :. . _ . . -i Zug

  seien beide Pigutus&=en beeebriabe,esei für gleiche `Fiesta

  gleiche Beusiha#. Gexc 'aenet sindR Zugrundege:Legt ie-eins

  _ xxn-reneetordez aua den Halblditereohichten.1x und. 3 'b-äeteht!

  vobel die Halbl@Itersccht 't .. `äier .zätterzontt t' sich - Schiebt '2 die'

  maeazonßd die'91c44oht,3@ die, xellfiktorzche it*:Äu:rcer Bitter

  Zone ist de' r`]#mitteirtakt 4 arid auf; der Zollektoxzce der Xc:.lek-.

  totkentakt . aufoeÄ'et,. der hier: eich$eiti$ die' Tterpla-Ite, de$

  - Transistors derst$UtDie r.-leitende itterzone '1. ist. So . IU d10

  P-leitende Bautst-che @2 und ,letztere su in die n,.Ieitncear-@

  rohe. 3 eiebxgchtrt ds die 'n-berge 7 .@anü . 'der odche

  des Transistors zugIieh sind. :e Unbettuxg` sOWohl .der itter-

  schi.cht als auch. der-`oieeehicht erfolgt dabei sät daß die Pläehen

  der pr.--tberä#ie neexecht in diö Deefläche des Tralstöro

  mUnden. An diesen rbzw. in umittelbarer :uebunii exsel-,,.

  beb ist bzw. Bind #x#4"ee j#iten- 9 und 10 ge'gebenen:Calle it einen

  Vordruck atge,te: 'Die ear;t-aseenden. Upke _ p Üerde`eo' in- ent-

  spreehende

  rensi.atota' emge@rrri.t.

  Aue den e@ien}-deligl @7' und g beschriebenen, Aueeptölen :.

  ist ea ereichtlich# ciao ci.c. erndtgeettaße.'1otdnuauch *it `

  tf,£wB@'1#.f#13,". au:tggb.t .vlerderi kann. gilt äölbotverßtähdliob

  auch fUr ellc anderen,täurbe@i.a.l . d.h, ea :e4en sich tut ,

  dio erfindumsgeße@ Veenduna

  rni)-ala - auch nn*@rertei;ctö@."`

  @$I@x

  'dich kann man- eetoren; auch .invero , betreiben dh. dureh.:

  @Uolung der no=alerueie.e":ter und Xol:#ektor lienden $pan-

  nuerzeugt man

  umgekehrten Stromfluß, trobei die norlertiel-

  ee ale itter und, Rollektor bezeichneten Zwien Ihre Puztktion vor-.

  ,täuschen, d.h. der Emitter zum Xollekter Und. der @Kaxlektor zum Fait-

  ter Wird. Gegebenenfalls- uß hierbei eine sich eue der 4eometr$o' .den

  Transistors ergebende Verringerung der gtromver'otlrkung in uf ice-

  honen werden. E$ -ist nun auch m#glichx =den exfindungegemüs Prin

  zIp- hei Inverse=r ]Betrie%eweise von Traneistören' aliturenden, %7ob4

  : ,

  die gZebhen gt$ekte, .e vorstehend beschrieben,' entstehen. Kehrt,

  xan also frei eine=n Transistor die normalerweise. vorgeschriebene. Za-

  lu der hetriebsopsuumx so daß der Emitter zum Kollektor ud

  der Kollektor Zum itter wird, und setzt eine gpitzc auf die ur- . .

  eprünglich als EmMer-eeie-Übergen bezeiehneto Stelle, nunmehr.

  aber den Kollektor-Baaie-bergang dere-tea..erxede :` steli.e auf,. so er

  gibt sich genau wie vorstehend besehriebe*h, des geyMnscnte -Effekt

  der Stromsteuerung, ohne dad eine besonaero' Stromzuführung zur Beeis

  erforderlich ist. s _

Claims (1)

1. t rene,itor, auf den mittels einer arten Atze .ein Druck auege@- @Ü.bt *ird@: Obei dia .: p. e1 -Übergang oder in der un- nitte.8area@.ebu@u; , ci.es@eli@en ati' dn albleiter an.itgt,nat tatent .. » .. "(:@eldun,; S 8@ 67 eo''°ig :@ ` A 63/2249), " dadu@cgeketieijp)inets' daß" an. dem eransistor () nur d. E.t- er.@.ae` und ,die-el;ectx@eie:ktrdeei angebracht: eind ünd :(.er wegen `der fehlenden Eaeiselektxode von' außen nicht tufrba eie°xom in, 'ee.nea @i.rn _duch den Drück einer am Xotlekter-:-,- e3 -Vbergaoder in der mittelbaren Umgebung deeeä.«üen Spitze '(0 AraetZt 17.@. i 2. xre-neistor nagt Anspruch. 1 , dadurch gekennzeichnet, . daß Ju ei. . Fitze (281 ) acohl äm.tt@er-a.s.s:er,n, ale auum Kollektor.]Basie-Ubezgang bzii. iü ,der uittelbaren Uebung die: aer Uber.ge auflegt (Pig. 4.)_: 3. Transistor nah Anspruch 2, gekennzeichnet durch' die VexveAdung als Anzeigeäran @fUr einen Differenz=. bze7Summenwert Zweier Grüßen, die in Form von mechanischleh -DrUcken den beiden spitzen Buße führt .6i'eT'den., - Transistor nach Anspruch 2 9 ,dadurch gekea.oiet".ßet.:c be. den Svitzen (81. 82) veri einer mechanischen Grüße derart beein-.# .: Jeweils flußt werden, da.ß die rüße/auf: die .eire Spitze dceratUrexd und auf die-andere Spitze druckvergindernd wirkt (?i. 5). 5. Transistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einschaltung als reinen Zweipol in einen Stromkreis, in der bei Druckschwank-ungen an der Spitze entsprechende Stromschwankungen erzeugt vrerden. 6. Transistor nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzvr. den Spitzen in Ruhezustand ein Vordruck zugeführt wird, durch welchen sich ein Arbeitspunkt einstellen läßt, dem sich Druckschwankungen überlagern können. 7. Transistor'nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Druckmesser. #3. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzei.,ch= net., daß die zugeführten Druckschwankungen von einer beschallten l'enbrane (1,i) abgeleitet werden (Fig. 3, 5) . . Transistor nach Anspruch 4, gekennieichnet durch die Verwendung als Abnahmeorgan für Torsionsschwingungen in einem mechanischen Zaufzeitglied (R), die an den Enden des Laufzeitgliedes über mechanische Ankopplungsglieder gegenphasig den beiden Spitzen (S1, S2) zugeführt werden (fig. 6). 10. Transistor nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher vom sogenannten 'flanartyp verwendet wird (Pik. 7, 8).