<Desc/Clms Page number 1>
Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische
Bei der Umwandlung einer mechanischen Auslenkung in ein elektrisches Signal ist es bekannt, den Piezoeffekt eines Seignettekristalles auszunützen. Derartige Systeme haben bei der Anwendung als Tonabnehmer Nachteile. Sie stellen ein hochohmiges Bauelement dar und sind demnach zum Betrieb mit Transistoren ungeeignet. Der kapazitive Charakter verleiht ihnen einen Frequenzgang, der oft störend empfunden wird. Die Leistungsabgabe ist gering, da die gesamte abzugebende Leistung mechanisch erzeugt werden muss. Sehr störend ist auch die hohe Feuchteempfindlichkeit der Seignettekristalle. Diese Nachteile haben derartigen Anordnungen zur Umwandlung von mechanischen Schwingungen in elektrische als Mikrophone keine Bedeutung zukommen lassen.
Diese Nachteile werden bei der Anordnung zur Umwandlung mechanischer, insbesondere akustischer Schwingungen in elektrische mittels eines mit sperr- schichtfreien Kontakten versehenen plättchen- bzw. streifenförmigen und aus einem dotierten Halbleitermaterial, das bei Zug bzw. Druck seine spezifische Störstellen-Leitfähigkeit ändert, bestehenden Halbleiterwiderstandes, bei der der Halbleiterwiderstand mit einer in Schwingungen zu versetzenden Membran mechanisch verbunden ist, so dass das Halbleitermaterial den Schwingungen der Membran entsprechend Zug- bzw. Druckspannungen erfährt, dadurch vermieden, dass der zwischen seinen Kontakten liegende Halbleiterwiderstand direkt auf der Biegeschwingungen ausführenden Membran und parallel zu ihr, beispielsweise mittels einer Kunstharzschicht, befestigt ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass, beispielsweise bei Überschussleitung aufweisendem Silicium, die Leitfähigkeit im Halbleitermaterial von der mechanischen Spannung abhängig ist. Dieser Effekt ist besonders stark in bestimmten Richtungen des Einkristalles, bei n-leitendem Silicium in der 100-Kristallrichtung und bei Überschussleitung aufweisendem Germanium in der 111-Kristallrichtung. Er führt zu einer relativen Widerstandsänderung, die das 150fache der relativen Längenänderung betragen kann. Als Halbleitermaterial zur Fertigung der Anordnung gemäss der Erfindung zur Umwandlung mecha-
EMI1.1
Schwingungenvalley"-Bandstruktur.
Nach dem einfachen Bändermodell ist die Energie eines Ladungsträgers am Bandrand proportional dem Quadrat der Wellenzahl k. Dies bedeutet, dass z. B. das Energieminimum des Leitungsbandes bei den Wellenzahlwerten k = 0 liegt. Diese Halbleiter weisen nur eine geringe Abhängigkeit des Widerstandes von mechanischen Spannungen auf.
Bei mehreren Halbleitern, zu denen beispielsweise Germanium und Silicium gehören, zeigte sich jedoch eine weit grössere Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mechanischen Spannungen, als es nach dem einfachen Bändermodell zu erwarten ist. Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass diese Effekte auf einer weit komplizierteren Struktur, im allgemeinen einer anisotropen, z. B. der sogenannten "manyvalley"-Bandstruktur des Leitungsbandes beruhen, u. zw. liegt bei diesen Halbleitern nicht eine einfache quadratische Abhängigkeit der Energie der Ladungsträger von der Wellenzahl vor. Zudem liegen die Minima der Energie der Ladungsträger bei Wellenzahlwerten, bei denen k nicht gleich Null ist.
Bei Überschussleitung aufweisendem Silicium ergeben sich vier Energieminima in den Kristallrichtungen 100 und bei Überschussleitung aufweisendem Germanium sechs Minima in den Kristallrichtun-
<Desc/Clms Page number 2>
gen 111. Bei mechanischen Spannungen ändern sich daher die Belastungsdichten der verschiedenen Energieminima sehr stark, so dass eine entsprechend starke Anisotropie und Druckabhängigkeit der Leitfähigkeit auftritt.
Diese oben dargelegten Eigenschaften werden gemäss vorliegender Erfindung zur Konstruktion einer Anordnung zur Umwandlung von Schall und Ultraschall in elektrische Schwingungen ausgenützt. Es sind geringe Kräfte zum Biegen eines derartigen Stäbchens notwendig.
Die Erfindung wird an Hand eines als Ausführungsbeispiel zu wertenden Prinzipbildes näher erläutert.
Eine Schallmembrane 1 besitzt die festen Einspannungen 2 und 3. Auf der Unterseite der Membrane ist das Halbleiterplättchen 4, beispielsweise über eine Kunstharzschicht 5 befestigt. Die Stromversorgung erfolgt über die Kontaktfahnen 6 und 7.
DieKontaktierung des Halbleitermaterials erfolgt beispielsweise mit Silber oder Gold, denen zur Gewährung der Sperrschichtfreiheit entsprechende Dotierungszusätze zugegeben sein können.
Wird eine Gleichspannung an die Elektroden 6 und 7 gelegt, so ergibt sich bei einer Biegung der Membrane 1 bzw. des Halbleiterplättchens 4 eine Widerstandsänderung im Halbleiterplättchen und damit eine proportionale Spannungsänderung. Aus dem in Fig. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbild sind die an dem Halbleiterstäbchen auftretenden Verhältnisse erkennbar.
Das Halbleiterstäbchen, von einer Gleichspannungsquelle UB über einen äusseren Widerstand Ra gespeist, besitzt den Widerstand R.
Bei einer Schwingung des Systems ergeben sich im Halbleiterplättchen Widerstandsänderungen von
EMI2.1
EMI2.2
EMI2.3
Zur Anpassung an einen nachfolgenden Transistorverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung hohe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so dass der Widerstand der Anordnung selbst klein, beispielsweise 100 Ohm ist.
Zur Anpassung an einen Röhrenverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung geringe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1000 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so dass der Widerstand der Anordnung selbst gross, beispielsweise 100 kOhm ist.
Die mechanische Leistung wird nur zur Steuerung der einer Gleichspannungsquelle entnommenen Leistung verwendet. Der Effekt ist im für die akkustische (Schall und Ultraschall) Wiedergabe notwendigen Frequenzbereich unabhängig von der Frequenz.
Das Bauelement weist verschwindende Feuchteempfindlichkeit auf, es ist billig herzustellen und weist trotzdem hohe Tonqualität auf. Bei der Fertigung des Materials ist darauf zu achten, dass die Oberfläche des Halbleitermaterials frei von Kerben, Rissen od. dgl. gemacht ist.
In besonderer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein, insbesondere in der Nähe des Kontaktanschlusses, befindlicher Teil des Halbleiterplättchens durch entsprechendeDotierung als Verstärker ausgebildet wird. Ebenso ist es möglich, auf dem Halbleiterplättchen das System eines Transistors aufzulegieren, der dann als erste Verstärkerstufe dienen kann.
Zweckmässigerweise ist die erfindungsgemässe Anordnung mittels einer Brückenschaltung an die Gleichstromversorgung angeschlossen, so dass eine galvanische Kopplung zur nachfolgenden Verstärkerstufe ermöglicht wird.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.