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Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische, mittels eines Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, welcher einer eine Deformation des Körpers bewirkenden Kraft ausgesetzt wird.
Es ist bereits bekannt, zur Umwandlung mechanischer in elektrische Schwingungen Halbleiter zu verwenden, welche den sogenannten piezoresistiven Effekt aufweisen. Dieser besteht darin, dass sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials in Abhängigkeit von einer auf den Halbleiter wirkenden mechanischen Spannung verändert. Der Effekt wurde an verschiedenen Halbleitermaterialien, wie Silizium und Germanium und einigen AIIIBV-Verbindungen, wie z. B. Galliumarsenid, festgestellt.
Derartige Anordnungen mit einem piezoresistiven Halbleiterkörper können z. B. als Mikrophone und Tonabnehmer sowie für Beschleunigungsmesser verwendet werden oder ganz allgemein bei der Umwandlung von mechanischer Auslenkung in elektrische Signale.
Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Empfindlichkeit derartiger Anordnungen zu erhöhen.
Bei einer Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, welcher einer eine Deformation des Körpers bewirkenden Kraft ausgesetzt ist, ist gemäss der Erfindung vorgesehen, dass der Körper wenigstens einen in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang aufweist, dass der Halbleiterkörper auf einem Oberflächenteil, an dem der bzw. die pn-Übergänge an die Oberfläche treten, leitend belegt ist, und dass der Halbleiterkörper an seiner diesem Oberflächenteil abgewendeten Seite mit Kontakten versehen ist.
Wird auf einen solchen Halbleiterkörper eine Deformation bewirkende Kraft ausgeübt, so ändert sich infolge des piezoresistiven Effektes der Widerstand der an den in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang angrenzenden Halbleiterschicht. Diese Widerstandsänderung hat eine Änderung der am pn-Übergang liegenden Sperrspannung zur Folge. Die Änderung des Querschnittes und der Länge des wirksamen Strompfades infolge des unipolaren Feldeffektes ruft eine weitere Widerstandsänderung in der Halbleiterschicht im gleichen Sinne hervor und dadurch wird der Piezowiderstandseffekt verstärkt.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die eine der beiden an den pn-Übergang angrenzenden Schichten relativ hochohmig gegenüber der andern Schicht ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Raumladungszone bei Belastung dieses pn-Überganges in Sperrichtung im wesentlichen in die hochohmige Zone hineinerstreckt. Wird diese Zone dann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung wenigstens teilweise, d. h. an Stellen maximaler Verzerrung möglichst dünn gegenüber der niederohmigen Schicht ausgebildet, so wird auf diese Weise auch eine starke Widerstandsänderung dieser Schicht bei Änderung der Eindringtiefe der Raumladungszone erzielt.
Bei der Biegebeanspruchung eines insbesondere einseitig eingespannten Halbleiterkörpers, der z. B. die Form eines Stabes aufweist, ist es weiterhin zweckmässig, wenn die hochohmige Schicht eine Oberflächen- schicht des Halbleiterkörpers bildet. Dies ist deshalb günstig, weil in diesem Fall die Biegebeanspruchung an der Aussenfläche der Anordnung am grössten ist. Zweckmässig ist der Halbleiterkörper immer so ausge-
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bildet, dass die hochohmige Schicht an der Stelle maximaler Verzerrung angeordnet ist.
Untersuchungen an piezoresistiven Halbleiterkörpern haben gezeigt, dass der piezoresistive Effekt in bestimmten kristallographischen Richtungen, in sogenannten Vorzugsrichtungen, besonders gross ist. Erfindungsgemäss wird daher weiter vorgeschlagen, dass die Belastung, insbesondere der hochohmigen Schicht, in Richtung des maximalen Piczowiderstandseffektes erfolgt. Bei einem Halbleiterkörper aus Silizium, bei dem die hochohmige Schicht n-leitend ist, erfolgt die Belastung gemäss der Erfindung in der 100Richtung.
Um erhebliche Verzerrungen, d. h. Deformationen des Halbleiterkörpers auch bei relativ geringen Kräften, d. h. bei solchen Kräften, die noch keine Zerstörung des Halbleiterkörpers zur Folge haben, zu erzielen, wird gemäss der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, dass der Halbleiterkörper eine Querschnittsverminderung aufweist ; diese Querschnittsverminderung soll senkrecht zu der die Deformation bewirkenden Kraft verlaufen.
Bei Verwendung einer Anordnung gemäss der Erfindung als Mikrophon erfolgt die Kraftwirkung auf den Körper entsprechend den Schwingungen einer Mikrophonmembran.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben. In Fig. l ist ein einseitig eingespannter Halbleiterstab dargestellt, der einer Biegebeanspruchung ausgesetzt wird und in'Fig. 2 ist ein, eine Verjüngung aufweisender Halbleiterkörper dargestellt, der einer Zugbeanspruchung ausgesetzt wird.
Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterkörper besteht z. B. aus Silizium und weist eine n-leitende hochohmige, relativ dünne, an der Aussenfläche liegende Zone 2 auf, an die eine p-leitende, niederohmige und relativ dicke Zone 3 angrenzt. Durch diese beiden Halbleiterschichten wird der pn-Übergang 1 gebildet. Der Halbleiterkörper weist die Form eines Stabes oder eines Plättchens auf und ist an seinem einen Ende 9 fest eingespannt. Am andern Ende ist der Halbleiterkörper mittels eines Metallbelages 4 ohmisch überbrückt. Durch diese Überbrückung wird an diesem Ende des Halbleiterkörpers ein Ladungsträgerfluss über den in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang 1 ermöglicht.
Am eingespannten Ende ist der Halbleiterkörper mit zwei ohmschen Anschlüssen 12 und 13 versehen, die die
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spiel einer n-leitenden Zone 2 und einer pn-leitenden Zone 3 wird die Klemme 8 mit dem Pluspol der Spannungsquelle und die Klemme 10 mit dem Minuspol verbunden. Infolge der anliegenden Sperrspannung bildet sich eineRaumladungszone beiderseitig des pn-Überganges l aus. Da die Zone 2 relativ hochohmig gegenüber der Zone 3 sein soll, ist die Eindringtiefe der Raumladungszone in der hochohmigen Zone relativ gross, so dass sie sich im wesentlichen nur in dieser Zone ausbreitet.
Die Raumladungszone in derSchicht 2 ist mit 5, die in der niederohmigenSchicht 3 mit 6
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Begrenzungen sind durch die gestrichelten Linien 27 bzw.der ohmschen Überbrückung 4 ab, da an der Stelle der ohmschen Überbrückung bzw. in dem knapp davorliegenden Bereich praktisch kein Potentialunterschied zwischen den Schichten 2 und 3 vorhanden ist. Wird nun auf den Halbleiterkörper in Richtung des Pfeiles 7 eine Kraft ausgeübt, so vergrössert sich infolge des piezoresistiven Effektes der Widerstand der Schichten, insbesondere der hochohmigen Schicht 2. Die Vergrösserung des Widerstandes dieser Schicht hat eine Verschiebung der Raumladungszone zur Folge, u. zw. verschiebt sich die Grenze 27 bzw. im weit geringeren Masse auch die Grenze 28 so, dass eine Verbreiterung der Raumladungszone erfolgt.
Durch diese Verbreiterung der Raumladungszone ändert sich wieder der Widerstand, insbesondere der hochohmigen Schicht, da, ähnlich wie beim Unipolartransistor durch die Verschiebung der Raumladungszone eine Verengung des Strompfades bzw. eine Änderung der Länge des verengten Strompfades erfolgt, die eine Vergrösserung des Widerstandes zur Folge hat und die in der Schicht 2, da diese besonders dünn ausgebildet sein soll, stark ins Gewicht fällt. Diese Erhöhung des Widerstandes, die eine Erhöhung des Spannungsabfalles längs des Halbleiterkörpers zwischen dem Anschluss 12 und der ohmschen Überbrückung 4 zur Folge hat, bewirkt eine Verstärkung des Piezowiderstandseffektes und damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit derartiger Anordnungen gegenüber bekannten Anordnungen, die keinen in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang aufweisen.
Der Effekt wird optimal, wenn die wirksame Halbleiterschicht also im vorliegenden Fall die dünne, hochohmige Zone 2 in Richtung des maximalen Piezoeffektes belastet wird, d. h. bei Verwendung von einer n-leitenden Siliziumschicht, wie im vorliegenden Fall, in der 100-Richtung. Um zu gewährleisten, dass maximale Spannung anliegt, ist es günstig, die Oberflächenschicht 2 so auszubilden, dass ihre
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