DE1239871B - Druckempfindliche Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIl

H04r;H011
Deutsche Kl.: 42 k-7/05

Nummer: 1239 871

Aktenzeichen: S 88651IX b/42 k

Anmeldetag: 9. Dezember 1963

Auslegetag: 3. Mai 1967

Die Erfindung betrifft eine druckempfindliche Halbleiteranordnung, die einen vorzugsweise planaren pn-übergang enthält und auf den mittels einer harten Spitze senkrecht zum pn-übergang ein Druck ausgeübt wird.

Anordnungen dieser Art sind beispielsweise durch den Aufsatz »Highly Sensitive Microphone Uses Transistor as Base« in Bell Lab. Rec, Dezember 1962, S. 418, 419, bekanntgeworden.

Durch die vorliegende Erfindung wird gezeigt, wie bei Anordnungen dieser Art eine besonders hohe Empfindlichkeit bei einfachem konstruktivem Aufbau erzielt werden kann.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Block aus Halbleitermaterial einesteils die eine Zone eines an einer Stelle des Blocks liegenden pn-Gleichrichters bildet, auf den die Spitze einwirkt, und der Block andernteils die Kollektorzone eines an einer anderen Stelle des Blocks liegenden Transistors bildet, wobei die andere Zone des Gleichrichters mit der Basiszone des Transistors leitend verbunden ist.

Durch die Verwendung eines besonderen pn-Übergangs, der nur für die Umsetzung von Druckschwankungen in Stromschwankungen vorgesehen ist, und dessen konstruktiver und elektrischer Kombination mit einem Transistor wird die Dimensionierung des pn-Übergangs insofern erleichtert, als man dabei allein die optimale Druckempfindlichkeit zu berücksichtigen hat, ohne Rücksicht auf einen wünschenswerten Verstärkungseffekt nehmen zu müssen, der nämlich von dem separaten Transistor aufgebracht wird. Dieser ist jedoch den Druckschwankungen nicht ausgesetzt und braucht infolgedessen auf diese keine Rücksicht zu nehmen. Darüber hinaus bildet die erfindungsgemäße Anordnung ein kompaktes Bauelement, das sich noch dadurch besonders auszeichnet, daß es einen reinen Zweipol bildet, welcher mit der Emitter- und der Kollektorelektrode seines Transistors direkt in einem Stromkreis mit der Wirkung eines steuerbaren Widerstandes eingefügt werden kann, wogegen bekannterweise Transistoren sonst mit einem zusätzlichen von außen zugeführten Basisstrom betrieben werden müssen und infolgedessen also einen Dreipol darstellen.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es.zeigt

Fig. 1 eine Anordnung, bei welcher die Spitze etwa in der Mitte des pn-Gleichrichters aufliegt, F i g. 2 das dazugehörige Schaltbild und

F i g. 3 ein Diagramm, aus dem die Wirkungsweise der Schaltung hervorgeht;

Druckempfindliche Halbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hans-Norbert Toussaint, München;

Dipl.-Ing. Friedrich Krieger, Gilching

F i g. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Spitze am pn-übergang des Gleichrichters aufliegt, und

F i g. 5 eine Anordnung, bei welcher die Basiszone des Transistors gleichzeitig die eine Zone des Gleichrichters bildet.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist auf eine Trägerplatte 1 mit der Elektrode 2 ein Block 3 aus Halbleitermaterial befestigt, hier vom η-Typ. Dieser Block 3 bildet sowohl die eine Zone eines pn-Gleichrichters, dessen p-leitende Zone mit 4 bezeichnet ist, als auch die Kollektorzone eines npn-Transistors, dessen p-leitende Basiszone mit 5 und dessen n-leitende Emitterzone mit 6 bezeichnet sind. An der Emitterzone 6 ist die Emitterelektrode 7 angebracht. Zwischen der p-leitenden Zone 4 des Gleichrichters und der Basiszone 5 des Transistors ist eine elektrisch leitende Verbindung in Form einer aufgedampften Metallschicht 8 hergestellt. Die von der Trägerplatte 1 abgewandte Oberfläche des Blocks 3 mit den betreffenden Zonen des Gleichrichters und des Transistors ist durch eine nichtleitende Schutzschicht 9, beispielsweise aus Siliziumdioxyd, abgedeckt. Diese Schutzschicht wird von der leitenden Verbindung 8 an den Stellen durchbrochen, wo diese mit den betreffenden Zonen des Gleichrichters und des Transistors Kontakt gibt. Etwa in der Mitte der p-Zone 4 des Gleichrichters liegt eine harte Spitze 10, vorzugsweise aus nichtleitendem Material, z. B. Saphir, auf, die an dieser Stelle in der gezeichneten Pfeilrichtung einen mehr oder minder starken Druck auf den Gleichrichter ausübt.

Die elektrische Wirkung dieser Anordnung sei nunmehr an Hand der F i g. 2 erläutert, welche eine Schaltung darstellt, in welcher die Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet wird. In dieser Schaltung ist der verwendete Transistor mit T und der Gleichrichter mit G bezeichnet. Die Emitter-Kollektor-Strecke des

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Transistors T liegt über ein Meßinstrument M_e die der Batterie B. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T ist der Gleichrichter G über die Verbindung 8 geschaltet, und zwar so, daß er in Sperrichtung betrieben wird. Durch Druck der Spitze 10 auf den Gleichrichter G wird dessen Sperrstrom vergrößert, der als -Basisstrom in den Transistor T fließt und infolgedessen diesen aussteuert.

Der Zusammenhang zwischen Druck der Spitze 10 auf den Gleichrichter G und Sperrstrom dieses Gleichrichters ist in der F i g. 3 dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms ist der Druck P eingetragen, auf der Ordinate der über dem Gleichrichter fließende Strom /. Wie ersichtlich, fließt über den Gleichrichter G bei dem Druck Null der Sperrstrom Isp. Wirkt nun auf die Spitze ein Druck P und nimmt dieser zu, so erhält man den in dem Diagramm durch die eingezeichnete Kurve dargestellten Verlauf für den Strom /. Handelt es sich nun beispielsweise darum, daß auf die Spitze 10 wirkende Druckschwankungen in entsprechende Stromänderungen umgesetzt werden sollen, so gibt man der Spitze 10 einen Vordruck PO, womit sich auf der dargestellten Kennlinie ein Arbeitspunkt A einstellt, in welchem der Gleichrichter den Ruhestrom 10 führt. Überlagern sich nun diesem Vordruck PO die erwähnten Druckschwankungen, so ergeben sich entsprechende Stromschwankungen um den Ruhestrom/0, d. h., in dem Stromkreis fließt als Gleichstrom der Ruhestrom /0 mit diesem überlagerter Wechselstromkomponente. Je nach den gewünschten Betriebsbedingungen kann man nun den Arbeitspunkt A so festlegen, daß er beispielsweise in der Mitte eines weitgehend geradlinigen Kennlinienteiles liegt, wodurch man im wesentlichen lineare Zusammenhänge zwischen' den Druckschwankungen und den Stromänderungen erzielt. Andererseits ist es auch möglich, für den Arbeitspunkt ein besonders steiles Kennlinienstück auszuwählen, wenn es sich darum handelt, nur geringfügige Drucksteigerungen in möglichst große Stromsteigerungen umzusetzen. In jedem Fall ist dabei darauf zu achten, daß der Vordruck PO und der ihm überlagerte zu messende Druck nicht einen Wert übersteigen, bei welchem sich der Gleichrichter G plastisch deformiert. Der über den Gleichrichter G fließende Strom steuert nun den Transistor T, in dessen Ausgangskreis dann ein um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors vergrößerter Strom fließt.

Im Fall einer Ausführungsform gemäß F i g. 1 bildet man diejenige Zone des Gleichrichters, auf welche der Druck der Spitze zunächst wirkt, also bei der Anordnung gemäß F i g. 1 die p-leitende Zone 4, zweckmäßig so dünn aus, daß sich der über die Spitze auf sie ausgeübte Druck praktisch ungeschwächt auf den pn-übergang des Oleichrichters überträgt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die stromändernde Wirkung des Druckes der Spitze um so intensiver ist, je mehr sich der Druck an einem pn-übergang auswirkt.

Dieses Prinzip läßt sich auch verwirklichen, wenn man den pn-übergang des Gleichrichters so gestaltet, daß dieser im wesentlichen senkrecht an die Oberfläche des Halbleiterblocks tritt und die Spitze an dieser Stelle bzw. in der unmittelbaren Umgebung derselben aufliegt.

Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der F i g. 4 dargestellt. Die Anordnung des Halbleiterblocks 3 und der in ihm eingebetteten Zonen des Gleichrichters und des Transistors entsprechen völlig dem Aufbau gemäß F i g, 1, so daß in dieser. Hinsicht auf die Erläuterung zur F i g. 1 verwiesen werden kann. Wie ersichtlich, drückt die in der Fig. 4 dargestellte Spitze 10 an einer Stelle auf den Halbleiterblock 3, wo der pn-übergang des Gleichrichters, gebildet durch den η-leitenden Block 3 und die p-leitende Zone 4, an die Oberfläche des Halbleiterblocks tritt. Die den Halbleiterblock überziehende Schutzschicht 9 bildet an dieser Stelle eine Kalotte 11, welche der

ίο Spitze 10 eine Führung gibt, so daß die Spitze sicher zu der gewünschten Auflagestelle geleitet wird.

In der F i g. 4 ist noch eine Variante zur Anordnung gemäß F i g. 1 dargestellt, die darin besteht, daß die Verbindung zwischen der Zone 4 des Gleichrichters und der Zone 5 des Transistors durch einen an den beiden Zonen kontaktierten Draht 12 hergestellt ist.

Eine weitere Variante ist in der F i g. 5 dargestellt. Bei der hier gezeigten Anordnung wird die Verbindung zwischen der betreffenden Zone des Gleichrichters und der Basiszone des Transistors dadurch hergestellt, daß die betreffende Gleichrichterzone und die Basiszone des Transistors ineinander übergehen. Es ist dies die Zone 13. Bei dieser Anordnung ist also eine nachträglich herzustellende leitende Verbindung wie bei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 1 und 4 nicht erforderlich. Die weiteren Einzelheiten der Anordnung gemäß F i g. 5 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie dies bei den F i g. 1 und 4 der Fall ist, so daß in bezug auf diese Einzelheiten auf die Erläuterungen zu den vorher beschriebenen Figuren verwiesen werden kann.

Die vorstehend beschriebene Anordnung besitzt den Vorteil, daß sie direkt als reiner Zweipol in einen Stromkreis eingeschaltet werden kann, in dem bei Druckschwankungen an der Spitze entsprechende Stromschwankungen erzeugt werden. Wie ersichtlich, liegt bei der Schaltung gemäß F i g. 2 die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit den beiden herausgeführten Klemmen Kl und K2 in dem die Batterie B enthaltenden Stromkreis. Weitere Elektroden zur Steuerung der Anordnung sind nicht vorhanden und brauchen dementsprechend auch nicht verdrahtet zu werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich auf verschiedene bekannte Weise herstellen. Beispielsweise ist es möglich, daß der Transistor und der pn-Gleichrichter durch Auflegieren der betreffenden Zonen auf einen Halbleiterblock hergestellt wird. Es können auch die betreffenden Zonen des Transistors und des pn-Gleichrichters durch Eindiffundieren von Akzeptor- bzw. Donatormaterial hergestellt werden. Auch die Planartechnik kann angewendet werden. Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß bei den dargestellten Anordnungen selbstverständlich auch pnp-Transistoren Verwendung finden können. Dementsprechend wäre dann auch der Gleichrichter so aufzubauen, daß seine η-leitende Schicht an der Oberfläche des Blocks liegt.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann für die verschiedensten Zwecke verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, sie als Druckmesser zu benutzen. Vorteilhaft eignet sie sich auch dafür, ein Mikrophon aufzubauen, indem man die der Spitze zugeführten Druckschwankungen von einer beschallten Membran ableitet. Eine solche Membran ist andeutungsweise in der Fig. 2 gezeigt und mit dem Bezugszeichen M versehen.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Druckempfindliche Halbleiteranordnung, die einen vorzugsweise planaren pn-übergang enthält, auf den mittels einer harten Spitze ein Druck ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block aus Halbleitermaterial einesteils die eine Zone eines an einer Stelle des Blocks liegenden pn-Gleichrichters bildet, auf den die Spitze einwirkt, und der Block andernteils die Kollektorzone eines an einer anderen Stelle des Blocks liegenden Transistors bildet, wobei die andere Zone des Gleichrichters mit der Basiszone des Transistors leitend verbunden ist.

2. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor und der pn-Gleichrichter durch Auflegieren der betreffenden Zonen auf den Block hergestellt ist.

3. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden Zonen des Transistors und des pn-Gleichrichters durch Eindiffundieren von Akzeptor- bzw. Donatormaterial hergestellt sind.

4. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der anderen Zone des Gleichrichters mit der Basiszone des Transistors durch Aufdampfen eines leitfähigen Materials hergestellt ist, welches die betreffenden Halbleiterzonen sperrschichtfrei kontaktiert.

5. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Zone des Gleichrichters und die Basiszone des Transistors ineinander übergehen.

o.DruckempfindlicheHalbleiteranordnungnach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter an der Auflagestelle der Spitze zwecks Führung derselben eine Kalotte bildet.

7. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Zone des Gleichrichters so dünn ausgebildet ist, daß sich der über die Spitze auf sie ausgeübte Druck praktisch ungeschwächt auf den pn-Ubergang des Gleichrichters überträgt.

8. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang des Gleichrichters im wesentlichen senkrecht an die Oberfläche des Halbleiterblocks tritt und die Spitze an dieser Stelle bzw. in der unmittelbaren Umgebung derselben aufliegt.

9. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors als reiner Zweipol in einen Stromkreis, in dem bei Druckschwankungen an der Spitze entsprechende Stromschwankungen erzeugt werden.

10. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitze im Ruhezustand ein Vordruck zugeführt wird, durch welchen sich ein Arbeitspunkt einstellen läßt, dem sich Stromschwankungen überlagern können.

11. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Druckmesser.

12. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführten Druckschwankungen von einer beschallten Membran abgeleitet werden.

13. Druckempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Plenartechnik hergestellt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 815 493;
USA.-Patentschrift Nr. 2 632 062;
»Bell Laboratories' Record«, 12/1962, S. 418,419.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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