DE1573948A1 - Elektromechanischer Umsetzer - Google Patents
Elektromechanischer UmsetzerInfo
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Description
Western Electric Company inc· 27<>6β1966
195 Broadway Kahug-Wemple 9-2
New York. N. Y. A 29 119 fd
USA
Die Erfindung "betrifft einen elektromechanischen Umsetzer,
bestehend aus einer Halbleiterdiode mit einem Halbleiterkristall und zwei mit verschiedenen Kristallflächen verbundenen Metallkontakten,
deren erster eine gleichrichtende Grenzschicht und deren zweiter einen ohmschen Anschluß der Diode bildet, wobei
Vorrichtungen für die Zuführung der einen Energieform und für die Abnahme der anderen Energieform an der Diode vorgesehen sind.
Bekanntlich werden Kohlemikrophone unter bestimmten Betriebsbedingungen
vergleichsweise unempfindlich· Diese Empfindlichkeitsabnahme ist eine Folge der Zusammenballung von Kohlekörnern, wobei
jedoch über die mechanische Zusammendrückung der Körner hinaus noch weitere Erscheinungen auftreten. Diese Zusammenballung macht
sich besonders stark bei senkrecht hängend angeordneten Umsetzern in Fernsprech-Wandapparaten bemerkbar, die bei üblicher Benutzung
nur selten eine Drehung ihrer Lage erfahren. Diese Wandapparate machen etwa 25$ der Teilnehmer st at ionen in Fernsprechnetzen aus,
weshalb die Empfindlichkeitsverminderung infolge Zusammenballung der Kohlekörner ein wesentliches Problem darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines elektromechanischen
Umsetzers, z.B. für Mikrophone, Tonabnehmer und dergleichen, der sich durch hohe Empfindlichkeit und Betriebssicherheit
auszeichnet. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung
-2-
davon aus, daß die Impedanz einer gleichrichtenden Grenzschicht
in einem Halbleiter druckabhängig ist. Diese Erscheinung ausnutzende Halbleitermikrophone, die eine PN-Grenzschicht in einem
elementaren Halbleiter wie Germanium oder Silizium aufweisen, sind bekannte Die Grenzschicht ist hier durch zwei benachbarte
Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (Pfi-Leitfähigkeit) in
einem Körper aus einer elementaren Halbleitersubstanz gebildet . (siehe z.B. US-Patentschrift 2 632 062). Zur praktischen Konkurrenzfähigkeit
mit den bekannten Kohlemikrophonen bedürfen diese bekannten Halbleitermikrophone jedoch noch einer wesentlichen Verbesserung
der ümpfindlichkeit und Betriebssicherheit.
Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe kennzeichnet sich bei einem elektromechanischen Umsetzer der eingangs genannten
Art hauptsächlich dadurch, daß die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleiters größer als 100 ist» Es hat sich
herausgestellt, daß dielektrische Eigenschaften des Halbleiters entsprechend dem angegebenen unteren Grenzwert zu der erstrebten
Verbesserung der Empfindlichkeit bzw. Betriebssicherheit führen.
In Ausgestaltung der Erfindung kann als Halbleiter eine ferroelektrische Substanz der Perovskit-Klasse verwendet werden,
wobei die Betriebstemperatur oberhalb oder unterhalb des Curiepunktes liegen kann. Mit besonderem Erfolg ist ein zusammengesetzter
Halbleiter mit einer Ladungsträgerdichte in der Größen-
' 1 7 19
Ordnung von 10 ' bis 10 ^ Trägern pro ecm verwendet worden, Untersuchungen
haben ergeben, daß durch die Kombination einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer hohen Ladungsträgerdichte eine
bisher nicht mögliche Druckempfindlichkeit und Konstanz der hier wesentlichen Eigenschaften des Umsetzers erreichbar ist.
Bei einer besonderen Ausführung des erfindungsgemäßen Umsetzers wird ein IT-leitender Halbleiterkristall aus Kaliumtanta-
1R
lat (KTaOx) mit einer Ladungsträgerdichte von 5 x 10 Elektronen
pro ecm verwendet. Dabei wird eine gleichrichtende luetall-Halb- .
leitergrenzschichb durch Vakuumniederschlag von Gold auf einer
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BAD ORiGlNAt
Kristallfläche sowie ein ohmscher Kontakt durch Aufdampfen von
ölirom mit einem Überzug aus Gold auf einer zweiten Kristallfläche
gebildete Für die Verwendung als Mikrophon wird der Schalldruck
durch einen mit einer Membran verbundenen, abgerundeten Stift auf die Halbleiterdiode übertragen. Ein solches Mikrophon
wird über eine Lastimpedanz von einer Gleichstromquelle gespeist. Durch Beaufschlagung mit ochalldruck wird die Druckspannung innerhalb
der gleichrichtenden Grenzschicht und damit deren Impedanz verändert, wodurch sich eine Modulation des über die Halbleiterdiode
fließenden Stroms ergibt. Die hierfür maßgebende Abhängigkeit ist über einen vorteilhaft weiten Druckbereich linear
und über einen ebenfalls weiten Tonfrequenzbereich gleichförmig.
Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen erläutert. Hierin zeigt:
Pig. 1 den schematischen Aufbau und Anschluß eines erfindungsgemäßen
Halbleiterumsetzers,
Fig. 2 den Iconstruktiven Aufbau eines Mikrophons mit erfindungsgemäßem
Umsetzer und
Fig. 3 die Ausführung und Anordnung eines erfindungsgemäßen
HpJ.bleitermikroph.ons in einem Fernsprech-Handsatz.
Der Umsetzer nach Fig. 1 umfaßt ein Kristall 10 aus einer
zusammengesetzten, halbleitenden Substanz, deren Dielektrizitäts-.
konstante wegen der hiervon abhängigen Druckempfindlichkeit des Umsetzers erfinduiigsgemäß einen hohen Wert, z.B. einen solchen
der relativen Dielektrizitätskonstante von 100 - 1000 aufweist. Außerdem ist eine Sättigungspolarisation des Halbleiters von
mehr als 10 xiikr ο coulomb pro qcm von Vorteil. Insbesondere haben
Halbleiter der Perovskit-Klasse und deren Mischungen, z.B. Kaliumtantalat-ITiobat,
die für die Erfindung wesentlichen ferroelektrischen
und uoiirati^en Eigenschaften (bezüglich dieser Substanzen
siehe die Abhandlung "Ferroelectric Crystals", by F.Jons and G.Shirane, p\iblisheä by the MacMillan Company, New York, 1962).
Airs beüüjjders geeignet hat sich Kaliumtantal at erwiesen.
009851/0412
BAD ORIGINAL ,
Von "besonderem Interesse ist auch Kaliumtantalat-Hiobat
xNb^xO,). Bin Vorteil dieses Stoffes ist die Abhängigkeit
der Curietemperatur und damit der Dielektrizitätskonstante von dem Zusammensetzungs- bzw. Mischungsverhältnis, aufgrund deren
die gewünschte Dielektrizitätskonstante durch entsprechende Veränderung des Verhältnisses von Tantalat zu Niobat eingestellt
werden kann»
Wegen der Abhängigkeit der Druckempfindlichkeit von der Ladungsträgerdichte
werden Kristalle mit einem hohen Wert dieser Dichte bevorzugt» überhalb von 10 Trägern pro ecm kann die
Ladungßträgermangelzone im Halbleiter jedoch so schmal werden,
daß Tunneleffekte auftreten. Demgemäß soll eine obere Grenze in
19
der Größenordnung von 10 Trägern pro ecm eingehalten werden.
Ein beispielhafter Wert der Ladungsträgerdichte beträgt etwa
18
5 χ 10 Elektronen pro ecm.
5 χ 10 Elektronen pro ecm.
Die gewünschte Ladungsträgerdichte kann in bekannter Weise durch Einführen von Fremdstoffen·in den Halbleiter oder durch
Einführung von Gitterfehlstellen bzw. beiden genannten Erscheinungen eingestellt werden. Bei Kaliumtantalat-Kristallen können
z.B. Sauerstoffehlsteilen im Kristallgitter als Elektronen-Donator
wirken.
An der oberen Fläche des Halbleiterkristalls 10 gemäß Fig.1
ist durch an sich bekannte Aufbringung eines Kontaktes 11 aus einem Metall, dessen Austrittsenergie größer als diejenige von
Kaliumtantalat liegt, eine gleichrichtende Grenzschicht gebildet. Dieser Kontakt besteht z.B. aus Gold oder Platin (bezüglich der
hier gebildeten Grenzschicht siehe z.B. " The Properties, Physics, and Design of Semiconductor Devices," published by the
D, Van Nostrand Company, Inc, of New Jersey, Chapter 20.
An der unteren Fläche des Halbleiterkristalls ist ein ohmscher
Kontakt 12 aus einem Metall aufgebracht, das hohe Affinität
gegen Sauerstoff aufweist, z.B. Chrom, Aluminium oder Titan· '
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157394S
Bei der Ausführung nach Fig„ 1 besteht der Kontakt 12 z.B«, aus
einem unmittelbar auf dem Halbleiter liegenden Ghromfilm mit einem Schutzüberzug aus reinem G-OId0
Bei dem Umsetzer nach Fig. 1 wird die mechanische Energie über einen Stift 13 mit abgerundeter Spitze auf den Eontakt 11
und damit auf die gleichrichtende Grenzschicht übertragen. Bei Verwendung für elektroakustische Wandler kann der Stift 13 z.B.
mit der Spule eines Lautsprechers oder einem Tonabnehmer und dergleichen
verbunden werden..
Bei der Schaltung nach Fig. 1 werden die infolge der Druckänderungen
in der Grenzschicht eintretenden Impedanzänderungen, vor allem solche der Widerstandskomponente, in einem in Reihe
mit der Halbleiterdiode gestalteten Stromkreis ausgewertet, der in Reihe eine Gleichstromquelle 15» eine Lastimpedanz 14, einen
Umschalter 16 sowie die Halbleiterdiode umfaßt. Letztere ist
durch die Stromquelle in Durchlaßrichtung der gleichrichtenden Grenzschicht vorgespannte Diese Betriebsweise ist wegen der geringeren
Temperaturabhängigkeit und der besseren Beständigkeit der Betriebswerte vorzuziehen, obwohl eine umgekehrte Vorspannung
in Sperrichtung ebenfalls grundsätzlich anwendbar ist.
Beim Betrieb des Umsetzers als Mikrophon erhält die gleichrichtende
Grenzschicht durch den Stift 13 eine Druckvorspannung. Hierfür wird zweckmäßig eine nicht dargestellte mechanische Einstellvorrichtung
verwendet. Bei Änderungen des Drucks in der Grenzschicht infolge über die Membran und den Stift 13 einwirkenden
Schalldruckes ändert sich die Impedanz der Grenzschicht und damit der Strom in der Lastimpedanz 14, die somit das elektrische
Äquivalent der eintreffenden Schallenergie erhält.
Die Richtung der.Energieumsetzung in der Frequenzschicht des
Halbleiters ist zweiseitig. Demgemäß ruft nicht nur eine Veränderung der meohanliohen Spannung in der Grenzschicht durch eine
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Bewegung des Stiftes 13 eine entsprechende Veränderung des fjp uinungsabfalls
an der Grenzschicht hervor, sondern uagekGhrt eine
Veränderung de« die Grenzschicht durchfließenden Btroioa bzw. des
damit verbundenen Spannungsabfalls auch eino Formänderung der
Grenzschicht hervor, die sich in einer mechanischen .iieiregung des
angekoppelten Stiftes 13 äußert. Der Umsetzer kann d.dier auch
mit umgekehrter Wirlamgsrichtung zur Überführung von elektrischer
Energie in mechanische, d„ho als Lautsprecher oder .u\-;;.'nypreelihörer
verwendet werden, Kit der Schaltung nach Fig» 1 erfolgt der
Übergang zwischen beiden entgegengesetzten Betriebst ι L-ton einfach
durch Betätigung des Umschalters 16, der eine Signalntromquelle
17 in den Diodenkreis einschaltet»
Im Folgenden seien noch einige Daten eines speziellen Ausfuhrungsbeispiels
gemäß Figo 1 angegeben» Der Halblei i.orkrist'i.ll
10 besteht aus einem Kaliumtantaln.t-Block mit den Abmessungen
0;1 χ 0,2 zz 0,05 Zoll bei einem spezifischen ΐ/iderstand des Halbleiters
von 0,1 0hm.cm. Die gleichrichtende Grenzschicht besternt
aus einem Goldfleck von etwa 2000 A Stärke und einem Radius von etwa 0,05 Zoll auf einer frisch gespaltenen Kristall"lache. Der
ohmsche Kontakt besteht aus einem Chromfilm von 200 - 500 A Stärke mit einem Goldüberzug von etwa 2000 A Stärke, Der Abrundungsradius
der mit dem Goldfleck in Berührung stehenden Stiftspitze
beträgt etwa 0,001 - 0,01 Zoll» Die Gleichstromspeisung der Diode erfolgt über einen Widerstand von 100 0hm mit einer Quelle von
3 V Klemmenspannungο Für einen typischen Wert des üchalldrucks
von etwa 10 dyn/cm ergab sich 3OB„ eine Spitzenspannung von etwa
5 mV am Lastwiderstand. Dies entspricht einer Ausgangsleistung
von -75 db unter 1 W an dem lastwiderstand von 100 Ohm« Durch verbesserte
Leistungsanpassung der Last läßt sich jedoch eine Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 db erreichen. Dieser './erb
liegt zwar immer noch unter demjenigen von üblichen Kohlenmikrophonen, wegen der Möglichkeit der neueren Technik, mittels int ;-grierter
Schaltkreise hohe Leistungsvei^atarkungon mit Bauelementen
von geringem Raumbedarf zu verwirklichen, lot dieser Umstand jedoch von geringerer Bedeutung. Wesentlich wichtiger 1st jedenfalls
der dem gegenüberstehende Vorteil, daß die Folgen der Zusammen-
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BAD ORtGiNAL ~7*"
ballungserscheinungeii bei Kohlemikrophonen vermieden sindo Entspro
eilendes gilt auch für die erfindungsgemäße Vermeidung von
Amplitudenverzerrungen, für die bessere chemische Beständigkeit und die daraus folgende Verminderung der Alterungserscheinungen
sowie für den im Vergleich zu üblichen Kohlemikrophonen wesentlich geringeren Platzbedarf <,
Bekanntermaßen sind bereits Umsetzer mit Silizium und Germanium
als TM-Halbleitern aufgebaut worden, die in der Leistungsempfindlichkeit etwa dem erfindungsgemäßen Umsetzer entsprechen«.
Dies konnte jedoch nur auf Kosten der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Betriebseigenschaften erreicht werden» Dieser
Hachteil der bekannten Halbleiterumsetzer ergibt sich daraus, daß
bei diesen im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Umsetzern ein etwa um den Faktor 1Ü stärkere Flächenpressung des Kristalls angewendet
werden muß, um au vergleichbaren Empfindlichkeitswerten aii gelangen« Üblicherweise wird diese erhöhte Flächenpressung
durch Verminderung des Spitzendurchmessers des Druckstiftes erreicht, womit jedoch wiederum eine erhöhte Stoßempfindliohkeit
verbunden ist, welche der praktischen Verwendbarkeit in Geräten mit hohen Zuverliösigkeitsanf orderungen im Wege steht«
Andererseits läßt sich bei den bekannten Halbleiterumsetzern mit größerem Stiftspitzendurchmesser eine vergleichbare Leistungseiiipfindliohkeit
durch Vorspannung der Kristalloberfläche bis zu deren vorsätzlicher Beschädigung erreichen. Auch hierdtirch wird
jedoch die Zuverlässigkeit und Eigenschaftskonstanz des Umsetzers beeinträchtigte Insgesamt ist der erfindungsgemäße Umsetzer demgegenüber
hinsichtlich Stoß- und Temperaturunempfindlichkeit sowie
Heproduzierbarkeit der Betriebseigenschaften im Vorteil.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Umsetzers
für '..-inen Femsprech-Handsatz. Das Mikrophon umfaßt eine druckempfindliche
Halbleiterdiode 20 der bereits beschriebenen Art, die auf einem Hebel 21 angebracht ist. Letzterer ist einseitig
an einem Isoliorblock 22 befestigt. Die ganze Vorrichtung ist in
BAD OfIiOJNAt
009851/0412
einem Gehäuse 23 angeordnet, dessen Öffnung durch eine Membran
24 abgeschlossen ist. Der auftreffende Schalldruck wird durch
einen an der Membraninnenseite mittig angebrachten Druckstift
25 auf -die Halbleiterdiode 20 übertragen. Die Druckvorspannung
der Diode wird mittels Stellschraube 26 einreguliert, die von unten auf den Hebel 21 einwirkte Der Anschluß der Diode erfolgt
über Leitungen 27, 28.
Fig* 3 zeigt einen Fernsprech-Handsatz 30 mit erfindungsgemäßem
Mikrophon, welches hier zwischen zwei gegenüberliegenden Membranen 31» 32 angeordnet ist. Die druckempfindliche Halbleiterdiode
ist hierbei an der Innenseite der Membran 31 befestigt, während der Druckstift mit der gegenüberliegenden Membran 32
verbunden ist. Die Membranen sind innerhalb des Handsatzes dor- '
art angeordnet, daß der eindringende Schalldriick beide Membranaußenseiten
gleichzeitig beaufschlagt- Die Membranscliwingungen unter der Wirkung des Schalldrucks sind daher gegenphasig. i'.uf
die Halbleiterdiode wird bei dieser Anordnung die Differenz der beiden Membranbewegungen übertragen, so daß sich die Druckbeaufschlagung
beider Membranen im Halbleiter addiert. Demgegenüber können beide Membranen bei Stoßbeanspruchung gleichsinnig ausschwingen,
ohne daß auf den Halbleiter eine Wirkung ausgeübt wird. Daraus ergibt sich eine hohe Ötoßunempfindlichkeit des erfindungsgemäßen
Mikrophons.
In den Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Dioden mit gleichrichtender Grenzschicht zwischen Metall und Halbleiter
zugrunde ge legt worden. Grundsätzlich iet die Ji'rfiiidung jedoi'h
nicht auf solche Ausführungen beschränkt. Zum Beispiel können ebenso gleichrichtende PN-LJbergänge in ferroelektrischen Stoffen
als !^druckempfindliches Element gemäß der Erfindung verwendet
werden.
009851/0412 0R,G1NftU
Claims (1)
- Western Eleotrio Company Inc 27.Juni 1966195 Broadway Kahug-Y/emple 9-2New York« N,Y. A 29 119 fd USAPatentansprüche1, Elektromechanisch^ Umsetzer, bestehend aus einer Halbleiterdiode mit einem Halbleiterkristall und zwei mit verschiedenen Kristallflächen verbundenen ketallkontakten, deren erster eine gleichrichtende G-renzschicht und deren zweiter einen ohmschen Anschluß der Diode bildet, wobei Vorrichtungen für die Zuführung der einen Energieform und für die Abnahme der anderen Energieform an der Diode vorgesehen sind, dadurch gekennzeich η e t , daß die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleiters größer als 100 ist.2, Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleiters zwischen 100 und 1000 beträgt.3* Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter eine zusammengesetzte Substanz17 mit einer Ladungsträgerdichte in der Größenordnung von 10 bis19
10 Trägern pro ocm vorgesehen ist.4· Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß als Halbleiter eine ferroelektrische Substanz der Perovskit-Klasse vorgesehen ist.5· Umsetzer naoh Anspruch 3 oder 4* dadurch.gekennzeichnet, daß als Halbleiterkristall Kaliumtantalat oder eine Mischung von Kaliumtantalat mit Kaliumniobat vorgesehen ißt.009851/OA12 *AD.oR1GINAL6. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kontakt aus einem Metall besteht, dessen Austrittsenergie größer als diejenige des Harbleiterkristalls ist.7. Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Metallkontakt aus Gold oder Platin besteht·8. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kontakt aus einem mit Sauerstoff reaktionsfähigen Metall besteht.9 ο Umsetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Metallkontakt aus Chrom, Aluminium oder Titan besteht.BAD009851/OA 12 BAD
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