DE1938316A1

DE1938316A1 - Halbleiterbauelement mit Empfindlichkeit fuer mechanische Spannungen

Info

Publication number: DE1938316A1
Application number: DE19691938316
Authority: DE
Inventors: Noboru Yukami
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1968-07-29
Filing date: 1969-07-28
Publication date: 1970-09-24
Also published as: NL6911529A; GB1220436A; FR2014764B1; US3699405A; FR2014764A1; NL142826B; DE1938316B2

Description

PATEIS T ANWALT* '

-ING H.LEINWEBER dipling. H. ZIMMERMANN

Poiltchack-Konto: Bank-Konto: Telafon Tel.-Adr.

München MO« Dr.»dn.r B.nfc AO. München (Olt1) ~ U»W Uinpat München

München 2, Marlcnplatz, Klg.-Nr. 92790

,· Z/Wy/ho

iö64y 1933316 .

8 München 2, Rosental 7, 2. Aufg. (Kustermann-Passage)

' .. ■ d.n 28, JuH 1369

MATSUSHITA ELECTKIC INDUSTRIAL CO.,LTD.,.Üsaka, Japan

Halbleiterbauelement mit Empfindlichkeit für mechanische . ■-■ ■ . ■ " Spannungen ■■-.■■

Die Erfindung betrifft ein Halblei t er bauelement mit Em- -; pfindlichkeit für mechanische Spannungen und beschäftigt sich insbesondere mit derartigen Elementen, die eine hohe Empfindlichkeit und eine verbesserte Linearität aufweisen.

2u den herkömmlichen elektromechanischen.Wandlern gehören solche Elemente, die den Piezowiderstandseffekt eines Halbleiterkörpers ausnützen. Auch das Ausnützen der Abhängigkeit des Widerstandes einer Pi-i-Grenzschicht von mechanischen Spannungen ist bereits bekannt.

Elemente, die den Piezowiderstandseffekt eines Halblei- -= terkörpers auswerten, haben den Vorteil, daß sie eine lineare Beziehung zwischen Spannungs- und Widerstands-itnderungen aufweisen. Der Nachteil dieser Elemente liegt darin, daß ihre Em-.· pfindlichkeit, also das Maß der Widerstandsänderung mit Spannungsänderungen gering ist.

Bei den die Abhängigkeit des Widerstandes einer PN-Grenzschicht von mechanischen Lpa.rnungen auswertenden Elementen an-dert sich der Widerstand in logarithmischer Abhängigkeit von der Spannung. Der Widerstand ändert sich also beim Einwirken einer einen gewissen kritischen Wert übersteigenden Spannung be-

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trächtlich. Dieser kritische Spannungswert liegt jedoch sehr nahe der dem Element eigenen Bruchgrenze. Es ist deshalb technisch sehr schwierig, ein derartiges Element praktisch zu ver- ■ wenden. Weiter ist der spezifische Widerstand eines Halbleiterträgers-, in dem die PH-Grenzschicht ausgebildet wird, mit einem sehr niedrigen Wert zu wählen. Die PK-Grenzschicht wird im Halbleiterträger sehr nahe seiner Oberfläche ausgebildet. Das : geschieht, um einen Diffusionsstrom auswerten zu können, der ~\ durch den Halbleiterträger schließt. Ein derartiges Element ^: hat nur eine begrenzte Verwendbarkeit, da eine mechanische Spannung auf die PN-Grenzschicht nur als Kompression aufgebracht werden kann. Diese Elemente sind außerdem häufig für die Einflüsse äußerer Faktoren empfindlich.

Ziel der Erfindung ist ein elektromeehaniseher Wandler, der nur die Vorteile einerseits der Wandler in sich vereinigt, ■ die den Piezowiderstandseffekt eines Halbleiterkörperö aus- . nützen, und andererseits derjenigen, bei denen die Abhängigkeit; des Widerstandes einer Pft-Grenzschieht von einer mechanischen" _: Spannung ausgewertet wird. Im Prinzip beruht dabei der erfin- . dungsgemäße Vorschlag auf einer völlig neuen Idee.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Besehreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen ' ' -' '

Fig. 1a bis Id2 verschiedene Ansichten zum Erläutern er- Λ. findungsgemäßer mechanische Spannungen umsetzender Halbleiterbauelemente,wobei Fig. la eine Draufsicht zeigt und die Fig. Td-] bis .1c, verschiedene Sehnittansichten von in der Breite.in entgegenge- ·.·.;.- ',..v, -,. setzten .Richtungen eingeschnürten Elementen, und

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zwar die Fig. Ib₁, Ic. und Id.. in Richtung der Dicke gleichförmig ausgebildete Elemente, die Fig. 1b_? und Tcp nur auf der Unterseite eingeschnürte Elemente und die Fig. 1b,, Ic^ und 1d, oben und unten eingeschnürte Kiemente,

Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäbes Element,

Fig. 3 eine mit der Vorrichtung nach Fig. 2 erhaltene Kennlinienschar, und

Fig. 4a und 4b eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines vor der Erfindung zu Versuchszwecken hergestellten Elementes. .

Fig. la bis 1dp zeigen einen dünnen, blattähnlichen Kalbleiterträger 1 aus Silizium mit einer Länge von 2OÜÜ Mikron, einer Breite von 5üü Mikron und einer Dicke von 30 Mikron in den Fällen der Fig. Vo und einer Dicke vgl 1Cü Mikron, in Fällen der Fig. 1c und 1d. Der Halbleiterträger 1 weist in seiner. Mittelteil .eine Querschnittsverringeruiig auf. Mar. erkennt "-weiter einen■ li-leitenden Bereich 4 mit einen spezifischen Widerstand von einigen bis zu einigen 16OQZl-CL. Der hereich & schlieft sich an einen P-Ie it enden bereich 2 niedrigen spezifische::

Widerstandes in einer Ri-Grrenzsc'.iicht 3 an, die in der l\ahe der Mitte des eingeschnürten Abschnitts oder in der l.ähe"der Mitte des Halbleiterträgers 1 angeordnet ist. In einigen Fällen ist es möglich, die Empfindlichkeit noch weiter dadurch anzuheben, daß man die PS-Grenzschicht etwas links von der Stelle mit dem allerkleinsten querschnitt anordnet, wie das in der Figur gezeigt ist* Dadurch wird die Länge des ίί-le it enden Bereiches mit hohem spezifischen Widerstand vergrößert. Der spezifische 'Widerstand des P-Ie it enden Bereiches 2 beträgt υ,ϋΰ^Λ-σπ.. In Fall

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;■;■ ■■■_. 4 -

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der Flg. 1b wird Bor selektiv in den Halbleiterträger 1 hineindiffundiert, und zwar von einer oder beiden seiner großen Oberflächen und derart, daß das Bor ihnnahezu oder vollständig durchdringt. Im Fall der Fig. 1c wird das Bor in den.Halbleiterträger von einer seiner großen Oberflächen her selektiv eindiffundiert, wobei die Diffusionstiefe auf die Hälfte oder weniger der Dicke des eingeschnürten Teiles beschränkt ist. Im Fall der Fig. 1d wird das Bor selektiv von beiden großen Oberflächen des Halbleiterträgers her in diesen eindiffundiert und die Diffusions- tiefe im oberen und im unteren Abschnitt mit der Hälfte oder weniger der Dicke des eingeschnürten Teiles beschränkt. Die in . den Fig. 1d vorgesehenen Bereiche 2¹, 3', 4¹, 5' und β¹ entsprechen im wesentlichen den Bereichen 2, 3> 4, 5 und 6. Sie müssen deshalb .nicht eigens beschrieben werden. Nur die Bereiche

be/-3 und 6'dürfen noch der Erläuterung. Ein K-Ieitender Bereich 3 wird dadurch erhalten, daß man Phosphor in den Halbleiterträger 1 bis zu einer Tiefe von 2 Mikron von einer seher Oberflächen her eindiffundieren .läßt, und zwar in einem Bereich von 850,Mikron vom auf der Zeichnung rechts liegenden Ende des Halbleiterträgers. Der spezifische Widerstand des N-leitenden Bereifenes 3 beträgt 0,001.It-Cm. Die Länge des Bereiches 4 hohen spezifischen 'Widerstandes in Mittelabschnitt des Halbleiterträgers 1 bzw. der Abstand zwischen der Grenzschicht bund einer Grenzschicht 6 / wird so gewählt, daß er größer oder gleich der effektiven Diffusionslänge der Ladungsträger ist. Die ^uerschnittsflache des Mittelabschnitts ist sehr klein, und zwar aufgrund der Tatsache, daß senkrecht zur Längsrichtung des Halbleiterträgers 1 eine Einkerbung ausgebildet ist. Die elektrischen Kennwerte des Elementes werden durch die Oberflächenrekombination:stark beeinflußt, was zur Folge hat, daß die effektive Träger-Diffusions-

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länge verkürzt wird.

■ ■■■ Fig. 2 zeigt eine Anwendungsform für das Element von den Fig.· Tb* Eine Isolierplatte -11 weist auf einer Oberfläche 'eine Nut 12 auf. Auf den beiden großen Oberflächen und einer Seitenkante der Isolierplatte 11 ist eine Metallschicht 13 vorgesehen» die durch die Nut 12 in zwei Abschnitte unterteilt ist. Der Halbleiterträger 1 von den Figuren T wird quer über die Nut 12 derart auf die Metallschicht aufgelötet, daß sein P-leitender Bereich 2 elektrisch mit einem der Abschnitte der Metallschicht und sein N-leitender Bereich 3 mit dem anderen Abschnitt der Metallschicht elektrisch verbunden ist* Vorab wird auf die Oberflächen des P-leitenden Bereiches 2 unddes E-Ie it end en Bereiches 3, die jeweils 'einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen, Nickel oder eine Gold-Chrom-Legierung aufgedampft. Die Isolierplatte 11 ist an einem Endabschnitt festgelegt, und eine Gleichstromquelle 14 ist mit der Metallschicht 15 elektrisch verbunden, und zwar im Hinblick auf die PN-Grenzschicht 5 in Vorwärtsrichtung. Der Abstand des freien Endes der Isolierplatte 11 vom Mittelpunkt der Nut 12 beträgt 5000 Mikron.

Wird diese Anordnung bzw. das freie Ende der Isolierplatte 11 in die durch den Pfeil 1 angegebene Sichtung gedrückt, so-wird dem Halbleiterträger 1 eine stauchende Kraft übertragen. Wird andererseits das freie Ende in die durch den Pfeil m angegebene Kichtung gedrückt, so wirkt auf das Element eine Zugkraft ein. In so einem Fall ist die auf das Element ausgeübte Kraft eine einachsige und nicht eine Biegekraft.

Die Elemente nach den Fig. 1c und Id benötigen die Isolierplatte 11 von Fig. 2 nicht. Das durch den Halbleiterträger 1 gebildete Element kann hier gebogen werden, wobei eine durch _t

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seine längsmitte gehende Linie eine Neutralachse bildet. Biegt man das freie Ende des an seinem einen Ende eingespannten Elementes in die durch den Pfeil P angegebene "Richtung, so wird die über der Neutralachse liegende obere Hälfte des Elementes einer Stauchung und die untere einer Zugspannung unterworfen » _; Es sei nun angenommen, daß die Tiefe des P-leitenden Bereiches 2"30 Mikron beträgt und daß die Dicke des eingeschnürten Teiles beispielsweise 100 Mikron beträgt. In diesem Fall liegt die PN-Grenzschicht 5 zur Gänze über der Weutralachse und ist der stauchenden Kraft ausgesetzt, die eine Folge der in Richtung des Pfeiles P einwirkenden Kraft ist. Biegt man das Element in der entgegengesetzten, durch den Pfeil Q, angedeuteten Pachtung, so wird auf die Grenzschicht 5 eine Zugspannung einwir-' ken» Keine der durch die Pfeile P und ^ in ihrer Richtung ange-< deuteten Kräfte hat auf die Hittellinie oder die Keutralachse einen Einfluß* Dort treten Dehnungen und Stauchungen nicht. _; auf» Die in den Figuren Ib gezeigten Elemente figen dem gleichen Prinzip. Sie weisen lediglich zusätzliche Bereiche 2· bis b¹ auf, die den Bereichen 2 bis β entsprechen» Biegt man jedes dieser Elemente in die durch den Pfeil P angegebene Richtung, so wirkt auf den über der rjeutralachse 7 liegenden Abschnitt eine stauchende Kraft und auf den darunter liegenden Abschnitt eine Zugkraft ein. Jedes dieser Elemente weist symmetrische ' obere und untere Abschnitte auf, die gleichzeitig einer Kornpressionskraft bzw. einer Zugspannung unterworfen werden, wenn eine Kraft am Element in einer Richtung angreift.

Fig. 3 zeigt die Änderungen in den Vorwärts-Kennlinien ,des durch den Halbleiterträger 1 gebildeten Elemente bei An-" greifen einer Kraft an das freie Ende der Isolierplatte 11 oder der in den Fig. 1c und Td gezeigten Elemente. Die Kurve A :

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gilt für die Kraft -Null,- also für den Fall, daß auf,, das Element keinerlei Kraft einwirkt. Die Kurve B und die Kurve C sind für den Fall gültig, daß eine Kraft von 10 ρ bzw. 20 p in Richtung des Pfeiles 1 einwirkt. Die Kurven D und E sind für den Fall gültig, daß Kräfte von 10 ρ bzw. 20 ρ in Richtung des Pfeiles m wirken.

Für die Elemente nach den Fig. 1d gelten als Vorwärtskennlinien zwischen den als Anschlüsse dienenden Bleichen 2 und 3 über der Neutralachse die Kurven B und C und zwischen den als Anschlüsse verwendeten Bereichen 2¹ und 3¹ unter der Heutralachse die Kurven D und E..Für eine in Richtung des Pfeiles i«i einwirkende Kraft sind diese Beziehungen umzukehren.

Aus den Kennlinien geht hervor, daß das wichtigste rierkinal des erffndungsgemäßen Elementes darin besteht, daß die Größe der Stromänderung für eine bestimmte Änderung der einwirkenden Kraft von der Vorwärtsspannung abhängig ist: je größer diese Spannung, umso größer wird die Stromänderung. Andererseits bleibt bei einem herkömmlichen Element, das die Abhängigkeit des Widerstandes einer PR-Grenζschicht von der mechanischen Spannung ausnützt, eine Widerstands- oder Stroisänderung. aufgrund einer bestimmten, an der PN-Gtensschicht einwirkenden mechanischen Spannung im wesentlichen konstant und hänjt von einer Vorwärtsspannung nicht ab. Das erfindun^sgemäße Element unterscheidet sich also vom herkömmlichen hinsichtlich seiner Kennlinien. Vorteilhafterweise weist das erfindungsgemäße Element bereits , für Spannungen sehr geringer Werte eine hohe Widerstandsänderung auf. Es-ist weiter ohne Belang, ob die mechanische Spannung ihrer Richtung nach positiv oder negativ ist.

Dieser Unterschied in den Kennlinien des erfindungsgemäßen Elementes gegenüber den Kennlinien eines herkömmlichen

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Elementes ist eine Folge des Aufbaus des erfindungsgemäßen Elementes, Dabei ist die PN-Grenzschicht im eingeschnürten Mittelabschnitt ausgebildet, der eine kleine Querschnittsfläche hat. Löcher .werden in hoher Dichte in einen !-leitenden Bereich hohen spezifischen Widerstandes injiziert, dessen Länge gleich oder . größer als die effektive Diffusionslänge der Ladungsträger ist.

Für diesen Fall kann der folgende physikalische Mechanismus in Betracht gezogen werden. Durch Anheben des spezifi- . sehen Widerstandes des Bereiches 4 und geeignete Wahl seiner Länge wird der Spannungsabfall am Bereich 4 größer als der ander PN-Grenzschicht 5. Das Ergebnis ist, daß durch den Bereich gleichzeitig ein Diffusionsstrom und ein Driftstrom fließen. An diesem Punkt sind die bewegten Ladungsträger überwiegend Löcher. Allerdings fließen auch in einem gewissen Ausmaß Elektronen. Dabei ist die Spannung (V)-Strom (I)-Kennlinie gegeben durch

I = IJ^m '. (D

Der von der Größe des Elementes abhängige Strom I " und der Exponent m der Spannung V ändern sich mit der mechanischen Spannungsbelastung. Diese Änderung ist eine Folge der Tatsache, daß die effektive Ladungsträger-Diffusionslänge L sieh ändert» Da nun der Strom I eine Funktion großer Ordnung von der effektiven Diffusionslänge L ist, wird er viel stärker geändert als diese effektive Diffusionslänge L . Auch der Exponent m der Spannung V ändert sich mit der effektiven Diffusionslänge L «

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Deshalb wird selbst dann, wenn die Spannung Y konstant bleibt, der Strom I schon für kleine Änderungen des Exponenten m stark geändert. Die Gleichung (1) ist bei Auftrag auf ein Diagramm mit - : ■ " - ■■■'"'■.." " -'■■·"■■■"" "" ''..■-.■■■ "'. ■ : -9- ■; '"' ■

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voll logarithmischen Skalen eine Gerade, deren Neigung sich
mit der Änderung des Exponenten m verändert. ' ' _:

Auf diese Weise haben Änderungen der Mobilität μ und : der Lebensdauer "f mit der mechanischen Belastung eine Änderung j der effektiven Diffusionslänge der Ladungsträger zur Folge, da ! die effektive Diffusionslänge der Ladungsträger eine Funktion : der Mobilität μ und der Lebensdauer λ. ist. Daraus ergibt sich,
daß sich der Strom I mit Änderungen der effektiven Diffusions- ! länge der Ladungsträger stark ändert. Auf diese Weise ist die ; Empfindlichkeit des Elementes erhöht. In der Praxis ändert
sich der Wert des Exponenten m mit der mechanischen Spannung ;' zwischen 1 und 6. j

Zum Vergleich soll nun eine herkömmliche PK-Grenzschichtj beschrieben werden. Die Beziehung zwischen Strom (I) und Spannung (V) ist gegeben durch

worin die Symbole folgende Bedeutung haben:

Strom
Spannung

Minoritätsträger (Anzahl der Löcher im I-leitenden Bereich ■

Minoritätsträger (Anzahl der Elektronen im P-lei tenden Bereich)

Diffusionskoeffizienten der Löcher bzw», der
Elektronen

Diffusionslägen der Löcher bzw, der Elektronen,

■ -10-

I	•^Dn
V
P η
η .
D
L P

q = Ladung, und .

k = ." die Boltzmann-Konstante ;

Werden Schwankungen des Diffusionsstromes'nach Gleichung! (2) ausgenützt, so werden beim hinwirken einer mechanischen Spannung' die Minoritätsträger mengenmäßig bzw. die Werte von P und η geändert, so daß der Strom I sich ändert. Die Änderung

des Stromes beginnt nicht, bevor die Spannung einen Wert in der Nähe der Bruchgrenze des Elementes selbst erreicht hat, wie das weiter oben schon beschrieben wurde.

Ein Vergleich der Gleichungen (1) und (2) ergibt, daß der physikalische Mechanismus der Änderungen des Stromes I mit der mechanischen Spannung, die er durch diese beiden Gleichungen wiedergegeben wird, jeweils etwas grundsätzlich anderes ist. Im Fall der Gleichung (1) ist der Faktor I durch eine Funktion großer Ordnung der effektiven Diffusionslänge der Ladungsträger gegeben, und auch der Exponent m der Spannung ¥ ändert sich mit der mechanischen Spannung. Man kann daraus entnehmen, daß der durch die Gleichung (1) wiedergegebene Mechanismus für die Stromjänderung für Wandlerelemente erhebliche Vorteile erbringt.

Es sollen nun die Vorteile beschrieben werden, die ein in seinem mittleren Abschnitt nach Fig. 1 eingeschnürtes Element; gegenüber einem Element mit gleichmäßiger Dicke hat, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Durch das Ausbilden einer PN-Grenzschicht in der Mitte des eingeschnürten Abschnittes mit kleinem Quer- Z₁ J schnitt werden aus dem P-leitenden Bereich 2 mit kleinem spe- ^: zifischen Widerstand Löcher an der Grenzschicht 5 mit kleiner· Q,uerschnittsfläche injiziert und dann plötzlich in dem Abschnitt

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expandiert, de^r eine große Querschnittsfläehe hat oder in dem Abschnitt mit der niedrigen Oberflächenrekambinationsrate« Hinsichtlich der vom.N-le.itenden Bereich 3 niedrigen spezifischen Widerstandes in den N-leitenden Bereich 4 hohen spezifischen Widerstandes injizierten Elektronen findet die Injizierung an · der Grenzschicht 6 statt, .die eine große Querschnittsfläche aufweist. Die Elektronen werden dadurch veranlaßt, plötzlich in den Abschnitt einzufließen, der eine kleine Querschnittsflache bzw. eine hohe Oberflächenrekombinationsrate aufweist. Auf diese Weise wird die Anzahl der an der Stelle kleinsten Querschnitts des eingeschnürten Abschnitts ankommenden Elektronen vermindert. Dadurch bekommt der von der mechanischen Spannung abhängige Widerstandseffekt der in den N-leitenden Bereich 4 hohen spezifischen Widerstandes injizierten Löcher das Übergewicht, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit führt. Das erfindungsgemäße Element unterscheidet sich also physikalisch vom Ell erne nt nach Fig. 4, das eine gleichmäßige Dicke und keinerlei Einschnürung , aufweist. Erfindungsgemäß wird also durch das Iiickhalten der beiden entgegengesetzten Enden des Elementes nicht nur das Anbringen von elektrischen Anschlüssen beispielsweise durch Löten erleichtert, sondern vor allem die Empfindlichkeit verbessert. Der in Fig. -1, gezeigte Aufbau des eriindungsgemäßen Elementes spielt dabei eine bedeutende Bolle.

Weiter ist der Bereich 2 durch eine Tiefdiffusion"(30 Mikron) von Bor und der Bereich 3 durch eine flache Mffusion (2 Mikron) von Phosphor ausgebildet, so daß die .Grenzschicht b tief, die Grenzschicht 6 aber flach ist. Das ist von großer physikalischer Bedeutung. So werden beispielsweise beim in Fig. 1b»i gezeigten Element zwei Pl-Grenzschichten 5 ausgebildet, die sich¹

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vertikal und horizontal erstrecken, wenn der Bereich 2 sich nicht durch die ganze Stärke des Elementes hindurch erstreckt» Von der horizontalen PN-Grenzschicht injizierte Löcher werden rekombinieren, bevor sie den Abschnitt verminderten Querschnitt erreichen. Ist weiter die vertikale Grenzschicht 5 flach, so nimmt die Anzahl der von ihr aus injizierten Löcher ab. Je flacher der Bereich 2, umso kleiner wird die Anzahl der durch den eingeschnürten Abschnitt hindurchtretenden Löcher. Die Einflüsse einer mechanischen Spannung auf ein Loch und ein Elektrör

sieh

sind entgegengesetzt gerichtet, und heben /so gegenseitig auf. \ ■ . " ..-■."."

Zum Erhöhen der Empfindlichkeit des Elementes ist es deshalb notwendig, nur eine Art von Ladungsträgern durch den eingesehnüi ten Abschnitt hindurchtreten zu lassen, soweit das möglich ist. Vorzugsweise werden in diesem Fall dafür Löcher als Ladungsträger gewählt. Um ein Verschwinden der Ladungsträger aufgrund von Rekombination zu vermeiden, ist es erfoiterlich, die Löcher im Mittelpunkt des eingeschnürten Abschnittes zu injizieren. Dafür ist es erfoiferlich, die Grenzschicht 5 so tief auszubilden, wie das.nur möglich ist. Selbstverständlich bestehen im Fall der Elemente nach den Fig. 1c und Id dafür Grenzen. Andererseiti muß so gut wie möglich verhindert werden, daß die Elektronen den eingeschnürten. Abschnitt erreichen. Deshalb muß der Bereich 3 flach ausgebildet werden, damit die Grenzschicht 6 flach wird und nur etwa eine Tiefe von 1 bis 2 Mikron aufweist.

Macht man die kleins te Querschnit tsflache des eingesehnüi ten Abschnittes kleiner als 500 Quadratmikron, so wird die Umwandlung der mechanischen Spannungsgröße in elektrische Größen in ihrer Wirksamkeit noch verbessert. Das kann aus der Tatsache geschlossen werden, daß bei Verminderung der Querschnittsfläche die effektive Lebensdauer der Ladungsträger durch die Le-

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bensdauer der Ladungsträger an der Oberfläche^?stärker beeInflußt wird als im Inneren eines Körpers. Die effektive Lebensdauer der Ladungsträger ist im Oberflächeniveau durch die Oberflächenrekombination beeinflußt, und die Rekombinationsrate an der Oberfläche wird in Abhängigkeit \^:on einer mechanischen Spannung stärk geändert. Gerade das führt zu einer verbesserten Wirksamkeit der Umsetzung der mechanischen Spannung in elektrische Größen.

In Fig. 1 ist die PN-Grenzschieht an einer Stelle ausgebildet, die, wie das die Zeichnung zeigt, 10 bis 50 Mikron links vom Mittelpunkt des eingeschnürten Abschnittes liegt* Löcher werden mit hoher Dichte in das Zentrum des eingeschnürten Abschnittes, also in den Abschnitt kleinster Querschnittsfläche des Halbleiterträgers 1 injiziert und verursachen eine Leitfähigkeiismodulation. Ein solcher Aufbau trägt zur Abnahme der Impedanz zwischen den Anschlußklemmen bei und erhöht dort den Betrag ^:

der Widerstandsänderung Δ.Ε/Κ , worin H clen elektrischen Wider- ■

ο ο ■. ■ :

stand ohne einwirkende mechanische Spannung und Δ.Ε die Wider- ·' standsänderung ist, die durch eine einwirkende mechanische Spannung hervorgerufen wird. .

Dabei tritt eine Schwierigkeit hinsichtlich der Spannungsverteilung zwischen der PN-Grenζschicht und dem Körper auf. Der Widerstand der PN-Grenzschicht hängt von der an sie angelegten : Spannung ab. Setzt man voraus, daß der Widerstand eines Halbleiterkörper mit einer- an ihm angreifenden mechanischen Span- ί nung abnimmt, dann wird der Spannungsabfall am Körperabschnitt ; geringer, so daß entsprechend eine höhere Spannung am Abschnitt . mit-der PN-Grenzschicht liegt. Wird eine hohe Vorwärtsspannung < an die PN-Grenzschicht gelegt, so nimmt ihr Widerstand ab. Wenn !

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also nur der spezifische Widerstand des Körperabschnitts mit einer mechanischen. Spannung abnimmt, so hat das eine Verminderung der Fläche der PN-Grenζschicht zur Folge. Gerade das· Gegenteil trifft ein, wenn der Widerstand des Halbleiterkörpers mit der mechanischen Spannung zunimmt. Eine Änderung der Spannungsverteilung mit der einwirkenden mechanischen Spannung hat also einen Vervielfachungseffekt auf die Empfindlichkeit.

Hinsichtlich der axialen Richtung des Kristalls wurde ', experimentell festgestellt, daß die größtmögliche Empfindlichkeit dann erreicht wird, wenn im Fall der Verwendung eines N-leitenden Siliziumträgers, wie in Fig. 1, eine mechanische Spannung an ein Element durch Stromfluß in Richtung der [111J-Achse angelegt wild. Diese Maßnahme unterscheidet sich grundsätzlich vom Fall der herkömmlichen PN-Grenzschicht. Es kann gefolgert werden, daß die günstigste Axialrichtung die Richtung der [iüOj-Achse ist, wenn man einen Aufbau hat, der mit einem P-leitenden Siliziumträger arbeitet, in dem ein N-leitender Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes durch tiefes Eindiffudieren von Phosphor im Ber.eich 2 und ein P-leitender Bereich niedriger Empfindlichkeit durch flaches Eindiffundieren von Bor in den Be-. reich 3 ausgebildet sind. In diesem Fall werden jedoch Abnahme und Zunahme des Stromes mit der mechanischen Spannung zu den oben beschriebenen Verhältnissen umgekehrt.

Im Element mit dem oben geschilderten Aufbau kann eine Abhängigkeit des Widerstandes von einer mechanischen Spannung in der Art eines P-leitenden Halbleiters für den Fall erhalten¹ werden, daß man einen K-Ie l.t enden Halbleiterträger verwendet. ^! Bs ist dem Fachmann bekannt, daß beim Fließen eines Ohm¹sehen [ Stromes bzw. von Elektronen als Ladungsträgern durch einen

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N-leitenden Halbleiter eine komprimierende Kraft erzeugt wird, die den spezifischen Widerstand· erhöht. Im Gegensatz dazu wird beim erfindungsgemäßen Element der spezifische Widerstand durch eine derartige komprimierende .,Kraft vermindert. Das ist eine Folge des Verzerrungseffektes der in den N-leitenden Bereich j

I injizierten Locher. Das zeigt, daß ein völlig neuartiger Mecha- \ nismus auftritt, der mit der Verzerrungswirkung einer Doppelinjektion gekoppelt ist.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, ,daß beim erfindungsgemäßen, eine mechanische Spannung wandelnden Element ; ein Bereich hohen spezifischen Widerstandes zwischen zwei Bereichen von verschiedenem Leitfähigkeitstyp und in Kontakt mit . diesem vorgesehen ist, wobei der Abstand der beiden Grenzschicht ten gleich oder größer der effektiven Diffusionslänge der Ladungsträger ist und eine PN-Grenζschicht im am meisten einge- j schnürten Abschnitt bzw. in einer Stellung ausgebildet ist, die näher an demjenigen Bereich der beiden entgegengesetzten Seiten liegt, der von abweichendem Leitfähigkeitstyp ist. Nach der Beschreibung soll die Querschnittsflache des am stärksten eingeschnürten Abschnittes 5000 Quadratmikron oder weniger betragen. ^; In der Praxis wird sie vorzugsweise mit 3000 Quadratmikron oder kleiner gewählt. Hinsichtlich der Herstelluri₅stechniken besteht eine untere.Grenze für-die Uuerschnittsflache bei einigen iOO Quadratmikron bis 1000 Quadratmikron. Ist die Querschnitts-" fläche kleiner als diese Werte, so treten Herstellungsschwierigkeiten auf, die eine verminderte Genauigkeit zur Folge haben4

Mit dem erfindungsgemäßen Element ist es möglich, eine Empfindlichkeit zu erzielen, die beträchtlich, beispielsweise um Faktoren 10 bis 1000 größer ist als die Empfindlichkeit her-

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kömmlicher Elemente, bei denen der Piezöwiderstands-Effekt eines Halbleiterkörpers ausgenützt wird. Das gilt zumindest für den Bereich kleiner mechanischer Spannungen, Bei dem herkömmlichen Element, an dem die mechanische Spannung im Bereich einer PN-Grenzsehicht angreift, ist es erforderlich, daß eine hohe mechanische Spannung in der Nähe der Bruchgrenze als Anfangs spannung angelegt wird. Das macht es schwierig,- ein derartiges Element . praktisch einzusetzen. Im Gegensatz dazu benötigt das erfindungsf gemäße Element keine Anfangsspannung. Das erfindungsgemäße Element kann deshalb leicht und als Produkt einer Großserienfertigung hergestellt werden.

Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Elementes besteht darin, daß der Widerstand zwischen den Anschlußklemmen sich mit der mechanischen'Spannung linear ändert.

Die in den Fig. 1c und 1d gezeigten Elemente erfordern weiter keine Basisplatte zum Aufbringen einer' einachsigen Kraft.. Das ist eine Folge der Tatsache, daß durch eine Biegebeänspruchrij des Elementes eine Kraft einer Richtung, nämlich eine komprimierende oder eine Zugkraft auf das Element "einwirkt. Dadurch erhält man eine verbesserte Empfindlichkeit, da die PN-Grenzschich über oder unter der leutralachse angeordnet ist. Die Elemente nach den Fig. 1c un.d 1d sind weiter gegenüber denen nach den Fig. 1b hinsichtlich der Herstellung und der Wärmeabgabe vor--'. ; teilhaft, da sie in den eingeschnürten Abschnitten baeitere Querschnittsflachen haben. Bei der Handhabung ist es unter Umständen von Vorteil, daß diese Elemente auf eine Basisplatte . montiert werden, wie das Fig.' 2 zeigt. Der Einsatz der Elemente wird deshalb jeweils auf den gewünschten Zweck abgestellt. Die Elemente nach den Fig. Ib₂, 1b_, Ic₂, Ic^ und Id₂ sind aufgrund ihrer gleichmäßigen Dicke leicht zu handhaben und weisen gegen-

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•über den Elementen:nach den Fig. Tb.,, Ic-j und Id^, die jeweils ., eine Einschnürung in Richtung der Dicke haben, eine hohe mechanische Festigkeit auf«

Jedes" der Elemente nach den Fig. Id., und 1 dp. hat gleich- _; zeitig einen Anschluß, dessen elektrischer Widerstand mit Druck { einer festen Richtung abnimmt und einen Anschluß, dessen elektrischer Widerstand mit diesem Druck zunimmt.

Das Hauptmerkmal der beschriebenen Elemente besteht darin, daß ihre äußerst hohe Empfindlichkeit und gute Linearität ohne irgendeine Anfangs- bzw. Grund-Belastung durch eine mechanische Spannung erhalten wird. Das erfindungsgemäße Element kann in zahliächen Ausführungsformen eingesetzt werden, wie das Fig. 1 zeigt. · .

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Claims

Paten ta ns ρ r ü c h e j

1 ./Halbleiterbauelement mit Empfindlichkeit für mechanische Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement auf einem gemeinsamen Hälbleiterträger (1) einen

ersten und einen zweiten Bereich (2, 3) niedriger Empfindlich- |

. ■ ■■■ . - ί

keit von verschiedenem Leitfähigkeitstyp aufweist und zwischen \ diesen einen dritten Bereich (4) hoher Empfindlichkeit,der | im Leitfähigkeitstyp mit dem zweiten Bereich übereinstimmt, daß | die Grenzschicht (5) zwischen erstem und drittem Bereich¹tiefer j und die (6) zwischen zweitem und drittem Bereich flacher ausge- I bildet ist, daß ein Abschnitt verminderten Querschnitts vorge- : sehen ist, dessen Mitte mit der Grenzschicht (5) zwischen ersten} und drittem Bereich zusammenfällt, und daß die Länge des dritten Bereiches (4) gleich oder größer gewählt.ist als die effektive \. Ladungsträger-Diffusionslänge. ~ ..- j
2. Halbieiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn-j zeichnet, daß die Grenzschicht (5) zwischen dem ersten und dem ί dritten Bereich an der Stelle kleinsten Querschnitts des Halb- j leiterträgers (1) liegt. ■■· '; j
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurcfl gekenn-'j zeichnet, daß die Grenzschicht (5) zwischen dem erstert und dem J

, dritten Bereich von der Stelle kleinsten Querschnitts Äes Halb-] leiterträgers (1) auf den ersten Bereich (2) zu verschöben ist* f
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch T, dadurch gekenn^j zeichnet, daß die Querschnittsfläche des Abschnitts mit· dem
kleinsten Querschnitt am Halbleiterträger (1) kleiner als 5000

-Quadratmikron ist. ' , ■ ■

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