Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer Halbleiter-Kontaktschicht
Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler, bei dem die mechanische
Eingangsgröße eine elastische Spannung in wenigstens einer Halbleiter-Kontaktschicht
eines Transistors oder eines anderen Halbleiterelements hervorruft. Dieser Wandler
ist insbesondere zur Verwendung in elektroakustischen Geräten (Mikrophonen und Tonabnehmern)
bestimmt, aber nicht auf diese Verwendungszwecke beschränkt.Mechanical-electrical converter with a semiconductor contact layer
The invention relates to a mechanical-electrical converter in which the mechanical
The input variable is an elastic stress in at least one semiconductor contact layer
of a transistor or other semiconductor element. This converter
is especially for use in electroacoustic devices (microphones and pickups)
intended but not limited to these uses.
Ein solcher mechanisch-elektrischer Wandler eines bekannten Mikrophons
hat ein auf eine Grundplatte gelötetes Halbleiterplättchen. An der der Grundplatte
abgewandten Fläche dieses Halbleiterplättchens ist eine Kontaktzone mit np- oder
pn-Übergang gebildet, auf welche ein zur Grundplatte paralleler Hebel wirkt, der
von der Membran in Schwingungen versetzt wird.Such a mechanical-electrical converter of a known microphone
has a semiconductor die soldered to a base plate. At the base plate
facing away surface of this semiconductor wafer is a contact zone with np or
formed pn junction on which a lever parallel to the base plate acts, the
is caused to vibrate by the membrane.
Dabei wird die auf die Membran wirkende Kraft auf die verhältnismäßig
große Fläche der Kontaktzone übertragen, so daß die in dieser Zone pro Flächeneinheit
wirkende Kraft verhältnismäßig klein ist. Dementsprechend ist die Empfindlichkeit
dieses Mikrophons gering.The force acting on the membrane is proportional to the
large area of the contact zone transferred, so that in this zone per unit area
acting force is relatively small. The sensitivity is accordingly
this microphone is low.
Es ist ein -empfindlicheres Mikrophon bekannt, dessen mechanisch-elektrischer
Wandler ein Flächentransistor ist. Bei diesem Mikrophon drückt die Spitze eines
mit der Membran verbundenen Saphirstiftes auf die Emitterschicht des Transistors
und übt dadurch einen Druck auf die Kontaktschicht (Diffusionsschicht) aus, welchem
die vom Schalldruck auf die Membran ausgeübte Kraft überlagert wird. Dadurch wird
der elektrische Widerstand dieser Schicht entsprechend dem Schalldruck geändert.
Die Empfindlichkeit dieses Mikrophons wird etwa vierfach, der Wirkungsgrad etwa
hundertmal größer als diejenige des Kohlemikrophons angegeben. Von einem hochwertigen
Mikrophon wird jedoch außer einer hohen Empfindlichkeit eine weitgehende Linearität
der akustisch-elektrischen Umwandlung gefordert. Das bekannte Mikrophon erfüllt
diese letztere Forderung nicht, es hat einen großen Klirrfaktor.A more sensitive microphone is known, its mechanical-electrical
Converter is a junction transistor. The tip of this microphone presses one
with the membrane connected sapphire pin on the emitter layer of the transistor
and thereby exerts pressure on the contact layer (diffusion layer), which
the force exerted by the sound pressure on the membrane is superimposed. This will
the electrical resistance of this layer changed according to the sound pressure.
The sensitivity of this microphone is about fourfold, the efficiency about
stated a hundred times larger than that of the carbon microphone. From a high quality
In addition to a high sensitivity, the microphone also has a high degree of linearity
the acoustic-electrical conversion is required. The well-known microphone met
this latter requirement does not, it has a large distortion factor.
Der den Schalldruck übertragende Saphirstift des bekannten Mikrophons
drückt punktförmig auf die Emitterschicht. Bei linearer Zunahme des Schalldruckes
ergeben sich lineare Bewegungen des Saphirstiftes, jedoch eine in erster Annäherung
quadratische Zunahme des geometrischen Einflußbereiches der gedrückten ebenen Fläche
der Emitterschicht. Bei einer von einer Spitze oder einer Kugelkalotte gedrückten
Fläche kann man bei linearer Steigerung des Druckes oder des vom Druck hervorgerufenen
Weges nicht mit einer linearen Zunahme der elastisch (d. h. ohne bleibende Deformation)
nachgebenden ebenen Fläche rechnen. In erster Annäherung wird der um den drückenden
Saphirstift sich beim Druck vergrößernde Einflußbereich die Form eines mit dem Druck
wachsenden Kreises haben, dessen Fläche mit dem Quadrat des Radius zunimmt. Bei
einer gedrückten ebenen Fläche mit sehr geringer elastischer Nachgiebigkeit steigt
der Einflußbereich mit dem Druckweg nicht nur quadratisch, sondern nach höheren
Potenzen. Daher ist die angestrebte Linearität der mechanischelektrischen bzw. akustisch-elektrischen
Umwandlung bei diesem Mikrophon nicht möglich.The sapphire pin of the well-known microphone that transmits the sound pressure
presses punctiformly on the emitter layer. With a linear increase in sound pressure
there are linear movements of the sapphire pen, but a first approximation
quadratic increase in the geometric area of influence of the pressed flat surface
the emitter layer. With one pressed by a point or a spherical cap
Area can be achieved with a linear increase in pressure or that caused by pressure
Path with a linear increase in elastic (i.e. without permanent deformation)
expect a yielding flat surface. As a first approximation, the one around the oppressive one
The sapphire pen has the shape of an area of influence that increases with the pressure
growing circle, the area of which increases with the square of the radius. at
a pressed flat surface with very little elastic resilience increases
the area of influence with the pressure path is not only square, but higher
Potencies. Therefore, the desired linearity is mechanical-electrical or acoustic-electrical
Conversion not possible with this microphone.
Der erfindungsgemäße mechanisch - elektrische Wandler ist gekennzeichnet
durch eine Trägerplatte, zwei auf dieser nebeneinander in einem kleinen Abstand
angebrachte Edelmetallelektroden, eine auf diesen angebrachte und in deren Zwischenraum
hineingreifende Schicht aus Cadmiumsulfid und eine auf dieser angebrachte Schicht
aus Siliziumoxyd, welche eine dritte Edelmetallelektrode trägt.The mechanical-electrical converter according to the invention is identified
through a carrier plate, two next to each other at a small distance
attached precious metal electrodes, one attached to them and in the space between them
layer of cadmium sulfide reaching into it and a layer applied to it
made of silicon oxide, which carries a third noble metal electrode.
Dadurch werden eine gute Linearität und eine hohe Empfindlichkeit
der Schallumsetzung gewährleistet. Beim diesbezüglichen Ausführungsbeispiel nach
F i g. 1 und 2 sind zwei Flächenelektroden Au 1 und Aas 2 aus Gold
auf eine Glimmerscheibe Gl von z. B. b = 0,005 mm Dicke in einem Abstand
a von 0,005 bis 0,05 mm nebeneinander und darüber eine Cadmiumsulfidschicht
CdS von etwa c = 0,001 mm Dicke aufgedampft, wobei die CdS-Schicht den Spalt zwischen
den beiden Goldelektroden ausfüllt. Darüber ist eine etwa d = 0,001 mm starke Siliziumoxydschicht
SiO aufgedampft, die mit einer auf ihr liegenden dritten Goldelektrode
Aua in elektrisch leitender Verbindung steht. Dieser Dünnschichttransistor
ist an einem Ende fest eingespannt und bei Verwendung in einem Mikrophon am anderen
Ende durch einen
Schalldruckübertragungsstift Sch mit der
Membran M fest verbunden. Unter der Wirkung des Schalldruckes entstehen in dem mit
dem CdS ausgefüllten Spalt zwischen den Goldelektroden Au 1 und Au 2 Zug-bzw.
Druckspannungen, die zu den beabsichtigten Widerstandsänderungen der betreffenden
Kontaktschicht führen. Durch eine bestimmte experimentell leicht zu ermittelnde
Gleichströmvorspannung, welche an die dritte ;auf die Siliziumoxydschicht SiO aufgedampfte
Goldelektrode Au 3 anzulegen ist, kann der Arbeitspunkt so gewählt werden,
daß bei einem guten Wirkungsgrad möglichst geringe nichtlineare Verzerrungen auftreten.
Um den Biegungseffekt im wesentlichen auf den Bereich des schmalen Spaltes zwischen
den beiden Goldelektroden Au 1 und Au 2 zu beschränken, ist die Glimmerscheibe
Gl an'dieser Stelle durch zwei Einschnitte E (die zur Herabsetzung der Bruchgefahr
am Ende abgerundet sind) geschwächt. Die F i g. 3 zeigt eine andere Form der Einschnitte,
die zusammen mit stufenweise aufgedampften Schichten die gewünschte Linearität der
akustisch-elektrischen Wandlung ermöglicht. Es sind für einen Fachmann selbstverständlich
noch andere Ausführungsformen mit den oben angeführten Maßnahmen möglich. Eine Torsionsbeanspruchung
des Halbleiterelements kann unter sinngemäßer Anwendung des im Zusammenhang mit
der Biegebeanspruchung erläuterten und des von den piezoelektrischen Biegungs- und
Torsionselementen bekannten erzielt werden.This ensures good linearity and high sensitivity of the sound conversion. In the relevant embodiment according to FIG. 1 and 2 are two flat electrodes Au 1 and Aas 2 made of gold on a mica disk Gl of z. B. b = 0.005 mm thickness at a distance a of 0.005 to 0.05 mm next to each other and above a cadmium sulfide layer CdS of about c = 0.001 mm thickness, the CdS layer fills the gap between the two gold electrodes. An approximately d = 0.001 mm thick silicon oxide layer SiO is vapor-deposited over it, which is in electrically conductive connection with a third gold electrode Aua lying on it. This thin-film transistor is firmly clamped at one end and, when used in a microphone, is firmly connected to the membrane M at the other end by a sound pressure transmission pin Sch. Under the effect of the sound pressure, tensile or tensile strengths arise in the gap filled with the CdS between the gold electrodes Au 1 and Au 2. Compressive stresses that lead to the intended changes in resistance of the relevant contact layer. By means of a certain direct current bias voltage, which is easy to determine experimentally and which is to be applied to the third gold electrode Au 3 vapor-deposited on the silicon oxide layer SiO, the operating point can be selected so that the lowest possible non-linear distortions occur with good efficiency. In order to limit the bending effect essentially to the area of the narrow gap between the two gold electrodes Au 1 and Au 2, the mica disk Gl is weakened at this point by two incisions E (which are rounded at the end to reduce the risk of breakage). The F i g. 3 shows another form of the incisions which, together with gradually vapor-deposited layers, enables the desired linearity of the acoustic-electrical conversion. For a person skilled in the art, other embodiments with the above-mentioned measures are of course also possible. A torsional stress on the semiconductor element can be achieved by analogously applying what is explained in connection with the bending stress and what is known from the piezoelectric bending and torsion elements.