DE2055693A1

DE2055693A1 - Elektromechanisches Halbleiter Wandlerelement

Info

Publication number: DE2055693A1
Application number: DE19702055693
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Nagoya Aichi Ishii (Japan)
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1971-05-19
Also published as: GB1325756A; JPS4822673B1; US3662234A

Description

Dipl. - Ing. Reinhold Kram® r 70/8801 2055693 FATEfJTA U VV Λ L. T

SOOO fvlüncncn 13

Telefon esoeoa

Kabushiki Kaisha Toyota Ohuo Kenkyusho,
Nagoya/Japan

Elektromechanisches Halbleiter-Wandlerelement

(Beanspruchte Priorität:

13. November 1969 Japan 90981/69)

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Halbleiter-Wandler element, das in einem Halbleiterkristall einen ersten
und einen zweiten Bereich mit unterschiedlicher Leitfähigkeit enthält, ferner einen teilweise im zweiten Bereich gebildeten dritten Bereich, der die gleiche Leitfähigkeit wie der erste
Bereich besitzt, und das mit entsprechenden Elektroden in den betreffenden Bereichen versehen ist.

Es sind als elektromechanisch^ Halbleiter-Wandlerelemente druckempfindliche Transistoren oder Dehnungs- bzw. Spannungsmesser bekannt geworden. Bei den erstgenannten, d. h. den druckempfindlichen Transistoren beruht jedoch die Ausgangsgröße, die verstärkt wird, auf der Beanspruchung des P-H-Ubergangs zwischen

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der Basis und dem Emitter des Transistors durch Einwirken einer örtlichen Belastung. Ist die Belastung geringer als eine Span-

h ρ

nung in der Größenordnung von 1 χ 10 kg/cm , dann ist die Empfindlichkeit sehr gering, so daß es zum Erfassen der mechanischen Kraft im Zustand der kleinen Belastung erforderlich ist, durch Anwendung einer großen Vorbelastung den Transistor im Zustand hoher Empfindlichkeit zu halten und die Messung durch Überlagerung der zu messenden Belastung durchzuführen. In P vielen lallen wurde aus diesem Grund das Element wegen einer Überlastung zerstört.

Der an zweiter Stelle genannte Dehnungsmesser kann zwar eine zur Größe der Belastung proportionale Ausgangsgröße liefern, die Ausgangsgröße wird aber um so kleiner, Je kleiner die Größe der Belastung wird, so daß es in der Praxis erforderlich ist, bei der Messung die Ausgangsgröße durch einen Verstärker zu verstärken, wenn die ausgeübte Belastung sehr klein ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisch.es Halbleiter-Wandler element zu schaffen, das eine hohe Empfindlichkeit und eine stabile Ausgangsgröße besitzt. Die Empfindlichkeit soll selbst bei geringer Belastung sehr groß im Vergleich zu den bekannten druckempfindlichen Transistoren oder Dehnungsmessern «ein. ■

Die Aufgabe ist bei einem Wandler element der einleitend genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Widerstandewert

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zwischen dem Teil des zweiten Bereichs, der dem dritten Bereich gegenüberliegt, und der Elektrode des zweiten Bereichs größer als der des Ρ-ΪΓ-Übergangs zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich im Arbeitszustand gemacht ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Wandlerelement wird der Piezowiderstandseffekt ausgenutzt, der im zweiten Bereich des Wandlerelementes auftritt. Die elektrische Größe dieses Effektes wird unter Verwendung des Verstärkungseffektes des durch die drei " Bereiche gebildeten P-N-P ( bzw. N-P-N)-Übergangs verstärkt. Hierdurch wird ein elektromechanisches Halbleiter-Wandlerelement erhalten, das sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine stabile Ausgangsgröße besitzt.

Vorzugsweise wird der Widerstand des zweiten Bereichs dadurch vergrößert, daß dieser Bereich schmal und in Form eines langen Bandes ausgebildet wird, oder daß er zickzackförmig angenähert parallel zur Druck- oder Zugrichtung des Elementes, wenn dieses ^ belastet wird, und senkrecht hierzu so ausgebildet wird, daß der Widerstand des gesamten Teils der Parallelrichtung kleiner als der des gesamten Teils in senkrechter Dichtung ist. Gleichzeitig wird die auf dem Piezowiderstandseffekt beruhende Widerstandsänderung der betreffenden Teile in Parallelrichtung

kleiner als in senkrechter Richtung gemacht, so daß die Verformung in senkrechter Richtung erfaßt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden durch Ausfiihrungsbei spiele an

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Hand von 17 Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 8 den Herstellungsprozeß eines Elementes A einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, nämlich

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Halbleiterkristallplättchens,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Plättchens mit einem auf diesem gebildeten Oxidüberzug,

Fig. 3 eine Draufsicht eines auf der Oberfläche des Plättchens gebildeten organischen Films,

Fig. 4 eine Schnittansicht des Plättchens mit einem gebildeten zweiten Bereich,

Fig. 5 eine Schnittansicht des Plättchens längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht des Plättchens mit einem gebildeten dritten Bereich,

K Fig. 7 eine Schnittansicht des Elementes A,

Fig. 8 eine Schnittansicht des Elementes A längs der Linie
VIII-VIII der Fig. 7,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines Elementes B,

Fig. 10 eine Schnittaneicht des Elementes B längs der Linie X-X der Fig. 9,

Fig. 11 eine Schnittaneicht eines Elementes 0, ähnlich dem der

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Fig. 10,

Fig. 12 Ms 14· Diagramme, die die Beziehung zwischen der Belastung und der Stromänderung zeigen,

Fig. 15 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Belastung und der Stromänderung zeigt, und

Fig. 16 bzw. Fig. 17 Schaltungen zum Messen der Beziehung

zwischen der Belastung und der Stromänderung. |

Als Material zur Bildung des ersten Bereichs wurde ein n-leitender Siliziumeinkristall verwendet. ITm den p-leitenden zweiten Bereich zu bilden, wurden in einen Teil des Kristalls Bor-Atome eindiffundiert. Sodann wurden in einen Teil des zweiten Bereichs Phosphoratome eindiffundiert, um den dritten Bereich zu bilden. Es wurden drei Arten von Elementen A, B und C hergestellt, deren zweiter Bereich in unterschiedlicher Länge und Form ausgebildet war. Sodann wurde unter Verwendung der Elemente als Dehnungsbzw. Spannungsmesser die Beziehung zwischen der Belastung und der Ausgangsgröße (Stromänderung) des jeweiligen Elementes durch Anbringen einer Last gemessen.

Wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, ist das Element A aus einem ersten Bereich 10, einem zweiten Bereich 20, der auf der Oberfläche des ersten Bereichs 10 gebildet ist, und aus einem Fußteil 201, einem bandförmigen Teil 202 und einem Kopfteil 203 besteht, sowie einem dritten Bereich 30 aufgebaut, der im Fußteil 201 dee zweiten Bereichs 20 gebildet ist. In ersten Bereich,

tÖÖ!21/1f!i - 6*

im dritten Bereich und im Kopfteil 203 des' zweiten Bereichs
sind eine erste Elektrode 11 für den ersten Bereich, eine dritte Elektrode 31 für den dritten Bereich bzw. eine zweite Elektrode 21 für den zweiten Bereich vorgesehen. Die Elektrodenlöcher 41, 4-2 und 43 zum Hindurchführen der betreffenden Elektroden sind
ebenfalls in dem Oxidfilm (SiO₂) 40 auf der Oberfläche des Elementes vorgesehen. Die nicht dargestellten Leitungen werden mit den entsprechenden Elektroden verbunden.

Zur Herstellung des Elementes A wurde ein η-leitendes Siliziumeinkristallplättchen 10 eines spezifischen Widerstandes von
0,9-Λ cm verwendet, indem die Längsrichtung für die (111)-Hichtung des Kristalls, die Querrichtung für die (110)-Biehtung und die Dickenrichtung für die (211)-Richtung genommen wurde. Das
Plättchen 10 wurde entsprechend dem in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Herstellungsproζeß von dem Halbleiterkristall abgeschnitten und dann geätzt, um die Oberflächenbehandlungsschicht zu beseitigen und eine spiegelnde Oberfläche zu erhalten. Da für die (m)-Bichtung des Kristalls die Längsrichtung genommen
wurde, konnte der Piezowiderstandseffekt des zweiten Bereichs
(p-leitender Siliziumkristall) groß werden, wenn der p-leitende zweite Bereich in Längsrichtung des Plättchens gebildet wurde.

Das Plättchen 10 wurde 60 Minuten lang bei einer Temperatur von 1.100⁰O in gesättigtem Wasserdampfdruck von 100⁰O behandelt, um auf der Oberfläche des Plättchens den SiO₂-TiIm (siehe Fig· 2) zu bilden. Auf dem eich auf der Oberfläche dee Plättchen^

befindlichen SiOp-FiIm wurde ein säurefester organischer Film " 8 erzeugt, der einen Ausschnitt 80 besaß, welcher einen Fußteil 81, einen bandförmigen Teil 82 und einen Kopfteil 83 zum Bilden des zweiten Bereichs enthielt (siehe Fig. 3)· Dann wurde das Plättchen in ein Säurebad, das als Hauptsubstanz Ammoniumfluorid NH*F enthielt, eingetaucht, um den SiOo-FiIm 4-entsprechend dem Ausschnitt 80 durch Auflösen zu entfernen.

Nach dem Herausnehmen des Ausschnittes 4-5 für die Diffusion

wurde der organische Film 8 entfernt. *

Sodann wurde das Plättchen 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 1.200°C in einer Atmosphäre eines Gasgemisches aus Stickstoff und Sauerstoff gehalten, das über auf 1.200⁰O erhitztes Boroxid BgO^ geleitet worden war, wodurch in die obere Seite des Siliziumkristalls des Plättchens 10 aus dem Diffusionsausschnitt 4-5 Bor eindiffundierte. Hierdurch wurde, wie in den Fig. 4· und 5 dargestellt, der zweite Bereich 20 der mit Bor dotierten Schicht aus dem quadratischen Fußteil 201, dem band- | förmigen Teil 202 und dem Kopfteil 203 an der Oberseite des Siliziumkristalls des Plättchens 10 gebildet.

Nach Wiederherstellung des SiOp-Films auf der gesamten Oberfläche des Plättchens wurde dieser Film im mittleren Teil der oberen Fläche des Fußteile 201 des zweiten Bereiche 20 eliminiert, üb einen angenähert rechteckigen Diffueionsausschnitt zu bilden. Dies wurde ebenfalls mittels eines organischen Filme erreicht, der dann entfernt wurde. Danach wurde das Plättchen

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30 Minuten lang bei einer Temperatur von 1.10O⁰C in einer Atmosphäre eines Gasgemisches aus Stickstoff und Sauerstoff gehalten, das über auf 25O⁰C erhitztes PhoBphorpentoxidCPoOcOmaterial geleitet worden war, um den dritten Bereich 30 der mit Phosphor dotierten Schicht durch teilweises Eindiffundieren von Phosphor im oberen Bereich des Fußteils 201 des zweiten Bereichs 20 vom Diffusionsausschnitt 46 aus zu bilden (siehe Pig. 6). Sodann wurde der SiOp-FiIm 4 auf der Oberfläche des Plättchens durch Eintauchen des Plättchens in eine Fluorwasserstofflösung vollständig eliminiert. Daraufhin wurde der SiOo-FiIm 40 erneut in ähnlicher Weise wie oben beschrieben auf der gesamten Oberfläche des Plättchens gebildet. Durch teilweises Entfernen des SiOo-Films 40 auf der Oberfläche des Plättchens wurden die Löcher 41, 42 und 43 für die Elektroden im mittleren Teil des dritten Bereichs 30 im Kopfteil 203 des zweiten Bereichs und im Endabschnitt des ersten Bereichs 10, der als Siliziumkristall verblieb, gebildet. Es wurde auf die Löcher für die Elektroden und die Oberfläche des Plättchens Aluminium bis zu einer Dicke von etwa 0,5 x 10"·^ am bei einer Temperatur von 25O⁰C und einem Druck von 1 χ 10"^ mmHg aufgedampft. Nachdem das Plättchen 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 55O⁰C in einer Atmosphäre von Wasserstoffgas gehalten worden war, wurde auf dem Aluminiumfilm an den Löchern 41, 42 und 43 für die Elektroden «ein organischer Film gebildet, und ee wurde der Aluminiumfilm mit Ausnahme der durch den organischen Film bedeckten Teile durch Ätzen mittels einer Lösung, die als Hauptsubstanz Natriumhydroxid NaOH enthielt, entfernt. So wurden die Elektroden 11,

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21 und 31 gebildet. Sodann wurden Goldleitungen (nicht dargestellt) ohmisch mit den betreffenden Elektroden verbunden.

Das Element A besaß eine Länge von etwa 8 mm, eine Breite von etwa 2,5 mm und eine Dicke von etwa 0,16 mm.

Das in den 3?ig. 9 und 10 dargestellte Element B wurde nach dem gleichen Verfahren wie das Element A hergestellt. Der Kopfteil 203 der mit Bor dotierten Schicht 20 wurde in der Nähe des Fuß- ( teils 201 ohne den bandförmigen Teil 202 des Elementes A gebildet.

Bei dem in lig. 11 dargestellten Element C ist der bandförmige Teil 202 des Elementes A zickzackförmig bzw. mäanderfÖrmig mit entsprechenden U-förmigen Teilen ausgebildet. Das Element A umfaßt bandförmige Teile 204, die parallel zur (111)-Eichtung der Kristallachse in Längsrichtung verlaufen, und bandförmige Teile 205, die parallel zur (110)-Eichtung verlaufen, welche senkrecht | zur (I1i)-Eichtung liegt. Der parallel liegende bandförmige Teil 204 ist breiter und kurzer als der senkrecht liegende bandförmige Teil 205. Das Element C wurde auf die gleiche Weise wie das Element A hergestellt. Die Elemente A, B und C sind einander ähnlich, abgesehen davon, daß der bandförmige Teil dee zweiten Bereichs 20 lang ist, daß er nicht existiert oder daß er zickzackförmig ausgebildet ist, und daß die Lage der zweiten Elektrode 21 verschieden von der der anderen Elemente ist.

Die Elemente A, B und C wurden sodann verschieden belastet, um

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eine entsprechende Verformung bei den Elementen hervorzurufen, und es wurde die Ausgangsgröße (Stromänderung) abhängig von der Belastung gemessen.

Wie bei dem Meßkreis der Pig. 16 dargestellt, wurde das Plättchen 1 des Elementes auf einer Belastungsplatte 6 aus elastischem Material befestigt, deren eines Ende auf der Grundplatte 5 befestigt war.

Die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode 21 des Plättchens 1 wurden durch Leitungen mit dem ersten Amperemeter 71 bzw. dem zweiten Amperemeter 72 verbunden. Gleichzeitig wurde das eine Ende der ersten Spannungsquelle 73» die als Konstant-Spannungsquelle diente, mit dem ersten Amperemeter 71 und das eine Ende der zweiten Spannungsquelle 7²I- mit dem zweiten Amperemeter 72 verbunden, und es wurden die anderen Enden dieser Spannungsquellen mit der dritten Elektrode 31 des Plättchens 1 verbunden· Unter Verwendung dieses Meßkreises wurde in der Belastungeplatte 6 durch Anbringen einer Last V am freien Ende der Belastungeplatte 6 von oben her eine Verformung hervorgerufen, und es wurden sowohl für den Fall, daß als zweite Quelle eine Konstantspannungequelle,als auch für den Fall, daß als zweite Quelle eine Konstantstromquelle benutzt wurde, die am Amperemeter ?tl angezeigten Werte erfaßt. Sodann wurde die Beziehung zwischen der Belastung und der Stromänderung berechnet. Durch die Last wurde in Längsrichtung des Plattchens 1 eine Zugspannung ausgeübt, wobei die Größe der Zugspannung etwa

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ρ ρ

1,5 χ 10 kg/cm pro 1 Gramm der Last betrug.

Der Eingangswiderstand des ersten Amperemeters 71 betrug Λη , und der des zweiten Amperemeters 72 war 10 XL .

In dem Fall, in dem bei der Messung als zweite Quelle eine Konstantspannungsquelle verwendet wurde, wurde die zweite Quelle 74- so eingestellt, daß der Stromwert Io des Amperemeters 72 0,15 mA betrug. Wenn keine Last aufgebracht wurde, hatte die erste Quelle 75 einen Spannungswert V_x. von 7 V. Gleichzeitig war der Stromwert I^q des ersten Amperemeters 71 bei allen Elementen A, B und C 10,5 mA und der Spannungswert Vp ^ Fall des Elementes A 4,35 V, im Fall des Elementes B 0,71 V und im Fall des Elementes C 4,50V.

Es wurde dann auf das freie Ende der Belastungsplatte 6 eine Belastung bis zu 10 g in Stufen von jeweils 1 g aufgebracht und der Stromwert I^w des ersten Amperemeters 71 abhängig von der aufgebrachten Belastung gemessen. Sann wurde die Stromänderung ^I^CinA) -» Iy.W-I/1Q bei den verschiedenen Belastungen errechnet.

In Fig. 12 sind die Ergebnisse für die Elemente A, B und C als durchgehende Linien A, B und C dargestellt, wobei auf der Abszisse die Belastung V(gr) und auf der Ordinate die Stromänderung Δ. I^(aA) aufgetragen ist.

Im zweiten Fall der Kessung, bei der als zweite Quelle eine

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Konstantstromquelle verwendet wurde, wurde die zweite Quelle 74-so eingestellt, daß der Stromwert I₂ des Amperemeters 72 0,15 mA betrug. Wenn keine Belastung aufgebracht wurde, war der SpannungBwert V^ der ersten Spannungsquelle 75 wie im Fall der Konstantepannungsquelle 7 V. Gleichzeitig war der Stromwert Ix|q des ersten Amperemeters 71 bei allen Elementen A, B und C 10,5 mA.

Es wurde dann der jeweilige Stromwert 1¹^w des Amperemeters abhängig von der jeweiligen Belastung,ähnlich wie zuvor beschrieben, erfaßt und die Stromänderung Δ. I*y, ^a I¹,, W-I^₀ berechnet .

Die Werte der Stromänderung ^i 1¹^ waren für die betreffenden Elemente einander gleich. Das Ergebnis ist in Fig. 12 als gestrichelte Linie D dargestellt.

Der Wideretandswert zwischen der dritten Elektrode und der ™ zweiten Elektrode der betreffenden Elemente betrug beim Element A etwa 29 k/2, beim Element B etwa 4,7 kil und beim Element C etwa 50 kil.

Die ausgezogenen Linien A, B und C der Fig. 12 lassen im Hin- « blick auf das jeweilige Element die klare Beziehung zwischen der Belastung W und der Stromänderung Λ I,. erkennen. Bei den Elementen A und B nimmt die Stromänderung Δ I^ mit wachsender Belastung ab, bei dem Element G nimmt sie mit wachsender

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Belastung zu.

Bei den beiden genannten Meßarten unter Verwendung sowohl einer konstanten Spannungsquelle als auch einer konstanten Stromquelle war der Spannungswert der ersten Quelle 73 konstant (7 V), und der Stromwert 1^₀ des ersten Amperemeters 71 betrug für den Fall ohne Belastung 10,5 mA. Wie die Linien A, B und C in Fig. 12 zeigen, waren aber die Stromänderungen Δ, I^ der Elemente A, B und C im Falle der Messung mit konstanter Spannung bei Be- ." lastung voneinander verschieden, während andererseits die Stromänderungen Λ I'λ im Falle der Messung mit konstantem Strom, wie die Linie D zeigt, einander gleich waren.

Die Erscheinung, daß die Stromänderung bei den betreffenden Elementen unterschiedlich war, wurde nur bei Messung mit konstanter Spannung festgestellt, nicht jedoch bei Messung mit konstantem Strom. Bei der letztgenannten Messung wurde die Stromänderung im zweiten Bereich durch den konstanten Strom Jj der zweiten Quelle aufgehoben, so daß keine auf den elektrischen Eigenschaften dieses Bereichs beruhende Stromänderung erfaßt werden konnte. Dies bedeutet, daß die Stromänderungen, die bei den betreffenden Elementen unterschiedlich sind, vom Unterschied der elektrischen Eigenschaften der zweiten Bereiche der betreffenden Elemente abhängen. Da die betreffenden Elemente nur im Hinblick auf die Form des zweiten Bereichs voneinander verschieden sind, kann angenommen werden, daß die Differenz durch die verschiedenen Formen der betreffenden zweiten Bereiche

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begründet ist.

Vie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, beruht der Stromwert Λ i. ^m Δ I*- Δ.1¹^ auf den elektrischen Eigenschaften (Piezowiderstandseffekt) des zweiten Bereichs, und es beruht andererseits die Stromänderung s\ I¹^ bei der Messung mit konstantem Strom auf den elektrischen Eigenschaften des übrigen Bereichs. Er ist im wesentlichen auf die Spannungseinwirkung " auf den P-N-Übergang zwischen.dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich zurückzuführen.

Die Beziehung zwischen der Stromänderung A. i ^B ^ 1^- Δ I*^ (mA) und der Belastung V ist für die betreffenden Elemente A, B und C in Fig. 13 durch die Linien A, B und C dargestellt, wobei auf der Abszisse die Belastung V Cg) und auf der Ordinate die Stromänderung ^ i aufgetragen ist.

Wie aus Fig. 13 hervorgeht, hängt das Verhältnis der Stromänderung zur Belastung von der Form des bandförmigen Teils 202 des zweiten Bereichs des jeweiligen Elements ab. Vergleicht man das Element A mit dem Element B, so ist der spezifische Widerstand (A cm) des zweiten Bereiche 20 des jeweiligen Elements ebenso wie der Wert der Widerstandsänderung pro Längeneinheit, der auf dem Piezowiderstandseffekt beruht, dem des anderen Elements gleich. Der bandförmige Teil 202 des Elements A ist jedoch langer als der des Elementβ B, und der Widerstandewert über den gesamten zweiten Bereich des ereten Elemente ist größer als der

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des letztgenannten, so daß auch der Wert der Widerstandsänderung des Elements A größer als der des Elementes B ist, selbst wenn die auf das jeweilige Element einwirkende Belastung gleich groß ist. Damit ist die Stromänderung des Elements A größer als die des Elements B.

Vergleicht man bei zunehmender Belastung W das Element A mit dem Element C, so nimmt bei dem Element A der Strom ab, während

er bei dem Element C zunimmt. ä

Wie beschrieben, ist der zweite Bereich des Elements A in Längsrichtung des Plättchens gebildet, während der zweite Bereich des Elements C zickzackförmig bzw. mäanderförmig sowohl in Längsrichtung als auch in senkrechter Richtung des Plättchens ausgebildet ist, wobei der bandförmige Teil 204- in Längsrichtung so gestaltet ist, daß er in der Breite größer und in der Länge kürzer als der bandförmige Teil 205 in senkrechter Richtung ist. Wenn das Element, wie oben beschrieben, belastet wird, wird in Längsrichtung des Plättchens eine Zugspannung und in Querrichtung eine Druckspannung ausgeübt, die eine Abnahme und eine Zunahme des Stroms des Elements A bzw. C verursacht.

Bei dem Element A nimmt - wie oben beschrieben - der Strom zufolge des Anwachsens des Widerstands des zweiten Bereichs aufgrund der in Längsrichtung auftretenden Zugspannung bzw. Zugverformung ab. Bei dem Element C nimmt wegen der Form des bandförmigen Teils der Widerstand bei einer Zugspannung bzw.

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Zugverformung in Längsrichtung des Plattchens ab, weil der Widerstand des bandförmigen Teils 205 durch die Druckspannung bzw. Druckverformung des Teils 205 in senkrechter Richtung des Plättchens abnimmt und die Abmessungen der bandförmigen Teile 204 und 205 - wie oben beschrieben - voneinander verschieden sind, so daß die Widerstandsänderung in senkrechter Richtung des Plättchens wirksamer als in Längsrichtung ist und somit der Gesamtwiderstand des zweiten Bereichs abnimmt, d. h. der Strom fc bei anwachsender Belastung zunimmt.

Da bekannte Dehnungsmesser des Halbleitertyps nur aus einem Teil bestehen, der dem zweiten Bereich gemäß dieser Erfindung entspricht, wurde durch Verwendung der zweiten Bereiche der Elemente A und C in der gleichen Weise wie bei den bekannten Dehnungsmessern die Beziehung zwischen der Belastung und der Stromänderung, ähnlich wie bei der bereits beschriebenen Messung, bestimmt. Das Meßergebnis wird im folgenden erläutert.

^ Die Abhängigkeit wurde - wie in Fig. 17 dargestellt - ohne Verstärker mittels einer Brückenschaltung gemessen, die eine Spannungsquelle 75» ein Amperemeter 76, Pestwiderstände Ro» ^3» ^4 und das in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben auf der Belastungsplatte 6 befestigte Plättchen 1 des Elements enthielt. «

Die Elektrode 21 des Elements und die Elektrode 22, die gesondert im zweiten Bereich in Breitenrichtung der Elektrode 31 vorgesehen war, wurden mit der Brückenschaltung verbunden. Wenn

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das Element A verwendet wird, wird im folgenden von der Größe A¹ gesprochen, und wenn das Element C verwendet wird, wird von der Größe C gesprochen. Es wurde für die Größe A¹ der Strom zwischen den Elektroden 21 und 22 ohne Belastung auf 0,15 mA eingestellt, d. h. auf den gleichen Wert wie im zweiten Bereich im Falle der Ausführungsform des Elements A. Die Werte der Widerstände Ro» -^x u¹¹^· ^ηλ "betrugen 24,3 kjO- und waren gleich dem Widerstandswert zwischen den Elektroden 21 und 22 ohne Belastung. Die Spannung der Quelle 75 "betrug etwa 7»3 "V. Im Falle der Größe C betrug der Strom gleichermaßen 0,15 mA» der Widerstandswert der Widerstände Ro» -^* "¹^ ^h. u¹¹^· ^er zwischen den Elektroden 21 und 22 betrug 25,3 k/l, und die Quelle a75 hatte eine Spannung von etwa 7j6 V. Bei der Messung wurde die Belastung W in ähnlicher Weise aufgebracht und die Stromänderung des Amperemeters 76 erfaßt.

Das Ergebnis der Messung ist in Fig. 14 durch Linien A¹ und C dargestellt, die den Größen A¹ bzw. C entsprechen, wobei auf Λ der Abszisse die Belastung W (g) und auf der Ordinate die Stromänderung ^dlx(mA) aufgetragen ist.

Wie aus Fig. 14 ersichtlich, ist die Stromänderung a I* im Falle der Größe A¹ sehr klein. Sie beträgt z. B. etwa -7,8 xiO ^J mA, wenn die aufgebrachte Belastung 10 g beträgt. Im Falle des Elements A gemäß dieser Erfindung ist hingegen die Stromänderung Λ I^ sehr groß. Sie beträgt z. B., wie Fig. 12 zeigt, etwa -1,1 mA.

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In Pig. 15 ist das Verhältnis der Stromänderungen (^ I^/^I,) " zwischen der Stromänderung der Größe A '(C) und dem Element A(C) durch Linien A" und C" entsprechend den Elementen A und C dargestellt, wobei auf der Abszisse die Belastung W (g) und auf der Ordinate das Verhältnis der Stromänderungen aufgetragen ist. Wie aus Fig. 15 hervorgeht, besitzen bei der genannten Meßbedingung die erfindungsgemäßen Elemente A und C eine Ausgangsgröße höherer Empfindlichkeit als die bekannten Größen A¹ - und C, nämlich etwa die 14Ofache im Falle des Elemente A und etwa die 5Ofache im Falle des anderen Elements.

Vie beschrieben, kann das erfindungsgemäße Element als Dehnungsbzw. Spannungsmesser hoher Empfindlichkeit verwendet werden, wenn die aufgebrachte Last sehr klein, d. h. in einer Größe ist,

2 2 daß sie eine Spannung von etwa 2 χ 10 kg/cm verursacht. Der

Sachverhalt läßt sich im Prinzip so erklären, daß der Teil zwischen dem zweiten Bereich in der Nähe des dritten Bereichs P und der zweiten Elektrode als Dehnungsmesser infolge elektromechanischer Umwandlung aufgrund des Piezowiderstandeeffektes wirkt und daß der Teil des N-P-N-Übergangs, der aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Bereich besteht, als Stromverstärker der elektrischen Ausgangsgröße, welche auf der genannten elektromechanischen Umwandlung beruht, wirkt. Mit anderen Wor-

ten ist das Element ein Dehnungsmesser, der einen Dehnungsmeßteil und einen Verstärkerteil in einem Körper vereinigt. Bei den Elementen A und C überlagert sich der elektrischen Ausgangsgröße die Stromänderung, welche auf der mechanischen Einwirkung

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auf den P-N-Übergang zwischen dem zweiten Bereich, und dem dritten Bereich beruht.

Bei dem erfinduagsgemaßen Element ist der zweite Bereich des Halbleiterelements in einem Teil des ersten Bereichs gebildet, und der dritte Bereich ist in einem Teil des zweiten Bereichs gebildet. An jeder Grenzfläche der betreffenden Bereiche befindet sich ein P-N-Übergang. Der erste, der zweite und der dritte Bereich können entweder N-P-N-Iextend oder P-N-P-leitend sein. Die Ausgangsgröße des Elements ist um so größer, je merklicher der Piezowiderstandseffekt des zweiten Bereichs ist. Es muß deshalb die Kristallrichtung des Elements zur Bildung des zweiten Bereichs unter Berücksichtigung des Leitfähigkeitstyps des zweiten Bereichs und der Art des für das Element zu verwendenden Kristalls (wie Silizium oder Germanium) ausgewählt werden.

Die Form des jeweiligen Bereichs ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Der Bereich kann beliebig geformt sein, wie entweder lang, zickzackförmig in Längsrichtung des Plättchens, ähnlich der Form des Dehnungsmessers durch die Diffusionsmethode auf dem Plättchen, oder er kann geradlinig oder zickzackförmig in einer zur Längsrichtung geneigten Richtung verlaufen. Das Element kann doppelt geschichtet ausgebildet werden, indem der zweite Bereich auf der gesamten Oberfläche der oberen Seite des Plättchens gebildet wird und die zweite Elektrode an dem einen Ende der oberen Fläche des Plattchens, der dritte Bereich am anderen Ende und die dritte Elektrode im dritten Bereich,

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ferner die erste Elektrode an der unteren Fläche des Plättchens vorgesehen wird.

Venn in dem Element eine Spannung erzeugt wird, ist die Stromänderung um so größer, je größer der Widerstand des zweiten Bereichs ist. Bei den Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung wurden zur Bildung des dritten Bereichs und der zweiten Elektrode im zweiten Bereich ein Fußteil 201 und ein Kopfteil 2OJ vorgesehen, zwischen denen der schmale bandförmige Teil 202 verläuft. Der bandförmige Teil 202 kann jedoch etwas breiter ausgebildet werden, und es können der dritte Bereich und die zweite Elektrode an den beiden Enden des bandförmigen Teils gebildet werden.

Es wurde durch den Erfinder experimentell festgestellt, daß die Auswirkung des Fiezowiderstandseffekts des zweiten Bereiche sehr klein und die Ausgangsgröße des Elemente so klein ist, daß das Element in der Praxis nicht benutzt werden kann, wenn der elektrische Widerstand zwischen dem Teil des zweiten Bereichs, der dem dritten Bereich gegenüberliegt (in Fig. 17 entspricht dieser Teil der Lage der Elektrode 22 des Flättchens),und der zweiten Elektrode kleiner als der Widerstand des P-N-Übergangs zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich im Arbeitszustand des Elements ist.

Der Widerstandswert zwischen den betreffenden Teilen kann an der dritten Elektrode,am Meßpunkt des zweiten Bereichs in Richtung der Breite der dritten Elektrode (er entspricht der Lage

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der Elektrode 22) und an der zweiten Elektrode gemessen werden. Der Widerstandswert zwischen den verschiedenen Teilen des zweiten Bereichs kann zwischen der zweiten Elektrode und dem Meßpunkt des zweiten Bereichs erfaßt werden. Der Widerstandswert des P-N-Übergangs kann zwischen dem Meßpunkt des zweiten Bereichs und der dritten Elektrode gemessen werden, indem zwischen die beiden Teile die gleiche Spannung angelegt wird, die im Arbeitszustand des P-N-Übergangs angelegt wird, und hierdurch ein Stromfluß vom p-leitenden Bereich in den η-leitenden Bereich " verursacht wird. Im Arbeitszustand des Elements beträgt die am P-N-Übergang liegende Spannung etwa 0,5 bis 1,5 V.

Das erfindungsgemäße Element kann nicht nur dadurch verwendet werden, daß es auf der Belastungsplatte befestigt wird, wie im Falle des Ausführungsbeispiels zum Messen, sondern auch als Element selbst, z. B. als freitragender Typ.

Das Element gemäß dieser Erfindung eignet sich besonders, wie A im Falle der Ausführungsbeispiele, als Dehnungs- bzw. Spannungsmesser, es kann jedoch auch als druckempfindliches Element verwendet werden, das eine auf den dritten Bereich ausgeübte mechanische Belastung in eine elektrische Ausgangsgröße umwandelt, wie als Tonabnehmer für einen Wiedergabevorgang.

Wie bereits erläutert, wirkt bei dem erfindungsgemäßen Element der zweite Bereich als elektromechanisches Wandlerelement aufgrund des Piezowiderstandseffekts, und der Teil mit den

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P-N-P (oder N-P-N)-Übergängen, der aus dem ersten, zweiten und · dritten Bereich "besteht, wirkt als Verstärker der im zweiten Bereich erhaltenen elektrischen Ausgangsgröße. Es kann deshalb selbst bei kleiner Belastung eine hohe Empfindlichkeit des Elements erzielt werden. Wegen der hohen Empfindlichkeit kann der Strom durch das Element auf das Mindestmaß zurückgeführt werden. Durch den Strom wird nur ein geringer Betrag an Joulescher Wärme verursacht, so daß die Temperatur des Elements nicht ansteigt. Deshalb kann eine stabile Ausgangsgröße erhalten werden, und es ist nicht erforderlich, einen speziellen Verstärker für den Heßkreis vorzusehen. Das Element ist sehr einfach zu handhaben.

Wenn bei dem Element der !Teil zwischen der zweiten Elektrode und dem dritten Bereich, wie z. B. bei dem Element A, schmal bandförmig ausgebildet ist, um den Widerstandewert dieses Teils zu vergrößern, wird die Empfindlichkeit des Elements gesteigert.

Wenn bei dem Element, wie z. B. im Falle des Elements C, der zweite Bereich zickzackförmig bzw. mäanderförmig ausgebildet ist, mit Teilen, die angenähert parallel zur Zugbeanspruchung des Elements bei Belastung, und Teilen die angenähert senkrecht hierzu verlaufen, und wenn in diesem Fall der Widerstandswert der Gesamtheit der Teile in Parallelrichtung zur Zugbeanspruchung kleiner als der in senkrechter Richtung hierzu iat und die auf dem PiezowiderStandseffekt beruhende Widerstandsänderung im parallel gerichteten Teil kleiner als im senkrecht hierzu gerichteten Teil ist, falls in dem Element eine Spannung erzeugt wird,

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■und wenn außerdem die Elektrode für den zweiten Bereich an dem einen Ende des zweiten Bereichs und der dritte Bereich am anderen Ende des zweiten Bereichs gebildet wird, kann eine Spannung bzw. Verformung in senkrechter Richtung erfaßt werden.

5 Ansprüche
17 Figuren

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Claims

-Vf

Ansprüche

j 1. jElektromechanisches Halbl ei ter-Wandl er element, das in einem

Halbleiterkristall einen ersten und einen zweiten Bereich

« mit unterschiedlicher Leitfähigkeit enthält, ferner einen " teilweise im zweiten Bereich gebildeten dritten Bereich, der die gleiche Leitfähigkeit wie der erste Bereich besitzt, und das mit entsprechenden Elektroden in den betreffenden Bereichen versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstandswert zwischen dem Teil (22) des zweiten Bereichs (20), der dem dritten Bereich (30) gegenüberliegt, und der Elektrode (21) des zweiten Bereichs größer als der des P-N-Übergangs zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich im Arbeitszustand gemacht ist.
2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstandswert durch bandförmige Ausbildung des zweiten Bereichs (20) zwischen dem an den dritten Bereich (30) angrenzenden Teil und dem die Elektrode (21) bildenden Teil entweder angenähert parallel oder angenähert senkrecht zu der bei Belastung auftretenden Zugspannung bzw. Zugverformung vergrößert ist.
3. Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

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gekennzeichnet , daß der Widerstandswert durch zickzackförmige bzw. mäanderförmige Ausbildung des zweiten Bereichs (20) vergrößert ist, wobei das Mäanderband sowohl Teile (204) besitzt, die angenähert parallel zu der bei Belastung auftretenden Zugspannung bzw. Zugverformung verlaufen, als auch Teile (205), die senkrecht hierzu verlaufen, und daß der Gesamtwiderstandswert sowie die durch Belastung verursachte Widerstandsänderung aller Teile (204) in Parallelrichtung kleiner ist als der Gesamtwiderstandswert sowie die Widerstandsänderung der Teile (205) in senk- ·.· rechter Eichtung.
4. Wandlerelement nach einem der Ansprüche Λ bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Plättchen (10) aus einem Silizium-, Germanium- oder Galliumarsenideinkristall hergestellt ist.
5. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a - % durch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich auf der gesamten oberen fläche des ersten Bereichs vorgesehen ist, daß die zweite Elektrode auf der oberen Fläche des einen Endabschnitts des zweiten Bereichs und der dritte Bereich auf dem anderen Endabschnitt des zweiten Bereichs vorgesehen ist und daß die dritte Elektrode im dritten Bereich und die erste Elektrode auf der unteren Hache des ersten Bereichs vorgesehen ist.

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