DE1573720A1

DE1573720A1 - Elektro-mechanischer Wandler

Info

Publication number: DE1573720A1
Application number: DE19661573720
Authority: DE
Inventors: Masaru Tanaka; Akio Yamashita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-12-10
Filing date: 1966-12-07
Publication date: 1970-09-17
Also published as: US3518508A; DE1573720C2; NL6617309A; FR1504253A; NL144780B; GB1174269A

Description

PATENTANWÄLTE

me. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

Postscheck-Konto: Bank-Konto: Telefon Tel.-Adr.

München 22045 Dresdner Bank AG. München (0811) 261989 Lelnpat München

r> /ir η. _ _MUndien 2, Marlenplatz, Kto.-Nr. 92790

,1,5,13720

den 7. Dezember 1966

8 München 2, Rosental

(Kustermann-Passage)

MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO. LTH, Osaka / Japan Elektro-mechanischer Wandler

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung zum Umwandeln mechanischer in elektrische Signale.

Es sind schon verschiedene Vorrichtungen zum Umsetzen mechanischer in elektrische Signale vorgeschlagen worden. Sie arbeiten beispielsweise mit Halbleiterbauelementen, in denen sich die Gleichrichterkennlinie einer p-n-Grenzschicht ändert, wenn auf die Grenzschicht Druck einwirkt. Bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente für derartige Vorrichtungen wird die p-n-Grenzschicht nahe unter die Oberfläche gelegt. Wird in einem solchen Fall auf die Grenzschicht Druck ausgeübt, so steigt sowohl der Vorwärts- als auch der Rückwärtsstrom an. Tritt weiter an der p-n-Grenzschicht ein Tunnel-Effekt auf, so kann durch den ausgeübten Druck etwa eine Änderung der aufgrund des Tunnel-

-2-00 3 8 38/0273

Effekts negativen Widerstandskennlinie erzielt werden.

Als Grund für die Änderung der Strom-Spannungskennlinie der p-n-Grenzschieht beim Ausüben von Druck auf diese Grenzschicht werden zwei Möglichkeiten angenommen: danach werden in der Grenzschicht durch die Druckwirkung entweder ßrzeugungs- bzw. Rekombinations-Zentren gebildet oder es wird die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters verringert.

Neuerdings erscheint die erste dieser beiden Möglichkeiten wahrscheinlicher, da entdeckt wurde, daß die Lebensdauer von freien Ladungsträgern sich mit dem Druck ändert. Aus dem oben Gesagten geht hervor, daß es bisher durch Ausüben von Druck auf die p-n-Grenzschieht lediglich möglich war, die Gleichrichterkennlinie oder die negative Widerstandskennlinie eines spannungsgesteuerten Halbleiterbauelements mit Tunnel-Effekt zu ändern. Es ist auch schon versucht worden, mit. Hilfe dünner Germaniumschichten od. dgl. mechanische Beanspruchungsmessungen durchzuführen. Dabei wird ein piezoelektrischer Widerstandsänderungseffekt der Germaniumschicht ausgenützt. Bei keiner der bekannten Vorrichtungen wird jedoch ein Tiefniveau-Störstoff verwendet. Es war deshalb bisher nicht möglich, durch Druckeinwirkung den negativen Wider-

—3— 009838/0273

stand eines Halbleiterbauelements zu steuern, das stromgesteuert ist.

Durch die Erfindung erhält man nun ein elektrisches Gerät, das gegenüber der Druckeinwirkung empfindlicher ist als die herkömmlichen Geräte und in dem der negative Widerstand eines stromgesteuerten HalbleitErbauelements durch Druckeinwirkung gesteuert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, daß ein Festkörper mit einem verbotenen Band, wie ein Isolator oder ein Halbleiter, mit einem Tiefniveau-Störstoff gedopt wird, daß mindestens zwei elektrische Anschlüsse zum Abgreifen eines elektrischen Signals am Festkörper vorgesehen sind und daß ein Druckübertragungsteil in beliebiger Stellung zum Festkörper bzw. zu den elektrischen Anschlüssen mit dem Festkörper in Kontakt gebracht wird.

Man erhält dadurch erfindungsgemäß eine Einrichtung, deren Widerstand sich mit dem auf sie ausgeübten Druck deutlich ändert.

Weiter ergibt sich bei Anwendung der Erfindung die Möglichkeit, die negative Widerstandskennlinie eines stromgesteuerten Halbleiterbauelements durch Druckeinwirkung zu

009838/0273 ~⁴~

ändern.

Schließlich können bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der "ein-¹¹ bzw. der "aus-" geschaltete Zustand elektrisch durch die Druckeinwirkung gesteuert werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert, und zwar zeigen

Fig. 1 im Schnitt eine Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm der Spannungs-Stromkennlinie der Einrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5 im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6 ein Diagramm der Spannungs-Stromkennlinie der Einrichtung nach Fig. 5.

Die Einrichtung nach Fig. 1 zeigt den Grundaufbau der elektrischen Einrichtung nach der Erfindung. Ein Fest-

009838/0273

körper 11, z.B. ein Isolator oder ein Halbleiter oder dergleichen mit einem verbotenen Band ist mit einem Tiefniveau» Störstoff gedopt. Mit dem Festkörper 11 stehen Teile 12 und 13 in Ohü^schem Kontakt, die ihrerseits elektrische Anschlüsse 14 bzw. 15 tragen. Der Druckgeber 16 ist schematisch angegeben.

Für den Festkörper 11 können bekannte Halbleiter wie Ge, Si, GaAs, CdS, InSb, CdTe od. dgl. verwendet werden. Man kann auch einen Isolator mit einem verbotenen Band wie SiOp, SiO, schichtförmige anorganische Isolatoren od. dgl. benützen. Der Festkörper ist mit einem Tiefniveau-Störstoff gedopt. Zweckmäßigerweise wird, wenn der Festkörper ein Halbleiter ist, dafür ein Element wie Cu, Fe, Ki, Co, Mn, Au od. dgl. benützt. Besteht der Festkörper aus einem Oxyd wie SiO„, SiO od. dgl., so benützt man vorteilhafterweise ein Element, dessen Valenz von dem des Metallatoms deutlich abweicht, das einen Sauerstoffdefekt hat oder ein Oxyd bildet. Für d§s Dopen einer anorganischen Schicht mit Störstoff genügt es z.B., den Molekülen nach beispielsweise für eine Polymerisationsreaktion stöchiometrischen Verhältnissen ein elemen tares Metall anzugeben. Für die Herstellung der elektrischen ■Anschlüsse am mit dem Tiefniveau-Störstoff gedopten Fest-

-6-009838/0273

körper sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Eine dieser Methoden besteht einfach darin, mit dem Festkörper 11 Metall in Berührung zu bringen. lach einer anderen Methode wird im Festkörper 11 ein η-leitender Bereich ausgebildet, also ein Bereich, in dem die Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit sorgen und an diesen η-leitenden Bereich eine Elektrode angebracht. Im Gegensatz zu dieser Methode wird nach einem anderen Verfahren ein p-leitender Bereich, also ein Bereich, in dem Löcherleitung für die elektrische Leitfähigkeit sorgt, im Festkörper ausgebildet und an diesem eine Elektrode vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse können an beliebigen Stellen des Festkörpers angeordnet werden und auch ihre Anzahl ist beliebig, solange sie nur mindestens·zwei beträgt.

Der Druckgeber 16 muß mit dem Festkörper 11 in Berührung stehen. Auch der Druckgeber kann auf dem Festkörper beliebig angebracht werden und kann auch mit einem der elektrischen Anschlüsse iii Berührung stehen. Für die Druckübertragung kann entweder Gas, beispielsweise Luft, Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Öl od. dgl* oder ein Festkörper wie ein Metall, Keramik, Glas od. dgl. verwendet werden. Der Druckgeber kann von den elektrischen Anschlüssen isoliert sein oder, wenn er beispielsweise aus Metall besteht, selbst

-7-009838/0273

als Elektrode dienen.

Es soll nun die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben werden.

Sorgfältige Untersuchungen haben ergeben, daß Erzeugungs- bzw. Bekombinations-Zentren bei Druckeinwirkung mit großer Wahrscheinlichkeit gebildet werden, wenn der Festkörper einen Tiefniveau-Störstoff enthält. Werden, wie oben beschrieben, am Pestkörper mehr als zwei elektrische Anschlüsse angebracht, so können die elektrischen Änderungen bei Druckeinwirkung vom Festkörper abgenommen werden. Steht also der Festkörper unter Druckeinwirkung, so nimmt der elektrische Widerstand ab. Wenn gleichzeitig ein starkes elektrisches Feld am Festkörper angelegt wird, so wird es zu einem Lawineneffekt kommen und dadurch eine Schaltwirkung erzielt werden. .

Die Erfindung wird nun weiter anhand verschiedener elektrischer Vorrichtungen beschrieben, bei denen sie eingesetzt werden kann.

1. Ein Germanium-Halbleiterbauelement wird mit einem Störstoff wie Cu, Fe, Au od. dgl. gedopt. Anschließend wird es au,, einen biegsamen Träger aus Isoliermaterial, beispiels-

009838/0273 _«_

weise auf einen Plastikfilm oder auf einen mit einem Isolator beschichteten Metallträger vakuumaufgedampft.

Anschließend werden noch zwei Metallelektroden auf die Ge-Schicht aufgedampft. In Fig. 2 sind die Ge-Schicht 21, der Träger 22 und die Elektroden 23 und 24 zu erkennen. Wird nun auf den Träger 22 ein Druck ausgeübt, so ändert sich der Widerstand der Ge-Schicht 21 und damit auch der Widerstand zwischen den Elektroden 23 und 24. Auf diese Art kann ein mechanisches Signal in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Es ist ein Kennzeichen dieser Anordnung, daß sie hochempfindlich auf Druck anspricht, da in der G-e-Schicht ein Tiefniveau-Störstoff enthalten ist. In diesem Fall kann das Gei?- maniüm nach einer der bekannten Methoden mit dem Tiefniveau-Stör stoff gedopt werden, der beispielsweise thermisch in einen hochreinen Ge-Kristall eindiffundiert werden kann. Als Material für die Elektroden empfiehlt sich Eh oder Au. Die Ansprechempfindlichkeit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Druck ist um den Faktor 10 bis 100 gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen verbessert, die kein mit einem Tiefniveau-Störstoff gedoptes Germanium benützen.

2. Ein, Si-Einkristall wird mit einem Störstoff wie CJu, Au, Co₁Fe, Ni od. dgl. gedopt. Dafür kann eine bekannte

009838/0273

Diffusionsmethode verwendet werden. Dann werden eine Metallelektrode und eine Legierungsverbindung, die miteinander in Ohm¹schein Kontakt stehen, als Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes ausgebildet, mit dem danach eine weitere Metallelektrode in Ohm¹sehen Kontakt gebracht wird. Weiter wird ein Druckgeber mit der Oberfläche der Legierungsverbindung in Berührung gebracht, und zwar in geeigneter Stellung zur Elektrode. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 3 zu sehen. Der Si-Einkristall 31 ist mit einem Tiefniveau-Störstoff gedopt und hat eine beispielsweise η-leitende Schicht 32, mit der eine Metallelektrode 33 aus Au (0,8$ Sb) in Ohm'schem Kontakt steht. Eine weitere Elektrode 34 besteht aus Al, wenn der Si-Einkristall zum Erhalt einer p-Leitfähigkeit mit Kupfer gedopt ist und aus Au (0,8$ Sb), wenn der Einkristall η-leitend ist. Der Druckgeber 35 besteht aus Glas. Die Spannungs-Stromkennlinie dieser Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Linie 41 gibt dabei den ^Haus-"geschalteten Zustand ohne Druckeinwirkung und die Linie 42 den ^Wein-^M geschalteten Zustand, wenn ein Druck von 50 g/cm auf die Vorrichtung einwirkt. Diese Schaltwirkung unter dem Einfluß von Druck wird als eine Folge der Tatsache angesehen, daß beim Einwirken des Druckes bei an der Legierungsverbindung vorhandenen Umkehr-Vorspannung freie La-

-10-009838/0273

dungsträger entstehen, die unter Wirkung eines hohen elektrischen Feldes einen Lawinendurchschlag zur Folge haben. In der Beschreibung wurde hier oben von einer Legierungs-Verbindung gesprochen, doch kann anstatt dieser ohne Änderung der erfindungsgemäßen Wirkung auch jedes andere Metall verwendet werden, das in Block-Kontakt mit dem Si-Einkristall stehen kann, der mit Cu gedopt ist. Das ist mit nahezu allen Metallen möglich.

3. Durch Vakuumaufdampfen wird eine SiOp-Schicht gebildet und zum Erhalt der tiefen Niveaus ein Störstoff wie Au oder Cu in diese Schicht eindiffundiert. Der Diffusionsvorgang wird vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre vorgenommen. Anschließend wird in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Dicke eine Metallelektrode aufgebracht. Es wird also SiOp auf einen Metallträger aus Ta aufgedampft und anschließend Au oder Cu in die entstehende Schicht einduffundiert. Anschließend wird Al aufgedampft. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. Die Siöp-Schicht 51 ist mit einem Tiefniveau-Störstoff gedopt. Auf die SiO₂-Schicht ist eine Al-Elektrode 52 aufgedampft. Der Metallträger 53 aus Ta trägt die SiOp-Schicht, der Druckgeber 54 sitzt auf der Al-Elektrode auf. In Fig. 6 ist die Strom-Spannungskennlinie

009838/0273 ^₁₁..

der Einrichtung nach Fig. 5 zu erkennen. Die Kurve 61 gibt den ^Itaus-^Hgeschalteten Zustand bei fehlender Druckeinwirkung und die Kurve 62 einen "ein-¹¹ geschal te ten Zustand bei fehlender Druckeinwirkung an. Die Kurve 63 zeigt die erhaltene Kennlinie,

wenn eine Druckwirkung von 30 g/cm über den Druckgeber ausgeübt wird. Für die Vorrichtung nach Fig. 5 ist es kennzeichnend, daß sie bei fehlender Druckeinwirkung die durch die Kurven 61 und 62 angegebene negative Widerstandskennlinie hat, daß aber die Haltespannung des ^wein-*geschalteten Zustanäs sehr niedrig wird, wie das aus Kurve 63 zu entnehmen ist.

Aus der Beschreibung geht also hervor, daß die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung aus einem Festkörper mit verbotenem Band besteht, der mit einem Tiefniveau-Storstoff gedopt ist, daß mindestens zwei elektrische Anschlüsse am Festkörper vorgesehen sind und daß ein Druckgeber an einem beliebigen Punkt auf die Oberfläche des Festkörpers einwirkt. Dadurch sind die elektrischen Eigenschaften, wie Widerstand oder negativer Widerstand, durch die Druckwirkung steuerbar. Die Vorrichtung kann für elektro-mechanische Wandler, Druck-Knopf schalter , Mikrophone oder dergleichen angewandt werden. ,

Die Erfindung wurde oben anhand von Vorrichtungen mit zwei elektrischen Anschlüssen beschrieben, doch kann sie

009838/0273 _1O

-12- Ί573720

selbstverständlich auch bei Vorrichtungen mit mehr als zwei elektrischen Anschlüssen verwendet werden. Weiter kann die negative Widerstandskennlinie verbessert werden, wenn Verbindungen mit Gleichrichterwirkung als elektrische Anschlüsse eingesetzt sind.

-13-

009838/0273

Claims

Patentanspruch :

Elektro-mechanischer Wandler für Druck-Knopfschalter, Mikrophone od. dgl., gekennzeichnet durch einen Festkörper (11) mit einem verbotenen Band, beispielsweise einem -Isolator oder einem Halbleiter, der mit einem Tiefniveau (deep-level)-Störstoff gedopt ist, zum Abgreifen elektrischer Signale mindestens zwei elektrische Anschlüsse (14,15) trägt und an einer in bezug auf die elektrischen Anschlüsse (14,15) und den Festkörper (11) selbst beliebigen Stelle in Kontakt mit einem Druckgeber (16) steht.

009838/0273

Leerseite