DE1272388B - Piezoelektrisches Resonanzelement und dessen Verwendung bei einer Verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03h

Deutsche Kl.: 21a4-10

Nummer: 1272 388

Aktenzeichen: P 12 72 388.5-35 (W 30599)

Anmeldetag: 23. August 1961

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Resonanzelement mit zwei Elektroden zum Anlegen oder Anzeigen einer Wechselspannung vorzugsweise sehr hoher Frequenz.

Es ist bekannt, daß der piezoelektrische Effekt nur in Stoffen mit hohem elektrischem Widerstand auftritt. Infolgedessen hat man wesentliche piezoelektrische Effekte in bestimmten Halbleitern nicht festgestellt, da diese im allgemeinen zu leitend sind, um die erforderliche elektrische Feldstärke führen zu können. Es sind jedoch vor kurzem piezoelektrische Effekte in speziell behandelten Halbleitern hohen elektrischen Widerstands, z. B. in Cadmiumsulfid und Zinkoxyd, festgestellt worden.

Die Erfindung geht davon aus, Halbleitermaterialien in spezieller Weise so zu verwenden, daß diese ein elektrisches Feld führen können, das zum Erzeugen einer piezoelektrischen Wirkung groß genug ist. Man weiß, daß in der an einem pn-übergang oder einem anderen nichtohmschen Kontakt entstehende Verarmungsschicht die Ladungsträgerkonzentration des Halbleiters herabgesetzt wird. Das Material der Schicht wird dabei, wie gefunden wurde, ausreichend nichtleitend, um ein einen piezoelektrischen Effekt verursachendes Feld führen zu können; demgemäß besteht die Erfindung für ein piezoelektrisches Resonanzelement mit zwei Elektroden zum Anlegen oder Anzeigen einer Wechselspannung vorzugsweise sehr hoher Frequenz darin, daß ein Halbleiterkristallblock, beispielsweise aus Galliumarsenid, widerstandslos oder über einen Widerstand vergleichsweise geringer Größe mit dem einen Pol, vorzugsweise Masse, einer Wechselspannungsquelle oder eines Detektors verbunden ist, während die mit dem anderen Pol verbundene Elektrode in an sich bekannter Weise als nichtohmscher Kontakt auf eine Oberfläche des Kristallblocks aufgebracht ist, daß ferner dem Wechselspannungsfeld ein derart gerichtetes Gleichspannungsfeld überlagert ist, daß sich im Bereich des nichtohmschen Kontakts eine als Piezoelektrikum wirksam werdende Verarmungsschicht ausbildet, deren Dicke von der Größe der angelegten Gleichspannung abhängig ist.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Resonanzelement oder — wie dieses im folgenden kurz bezeichnet werden soll — ein Wandler ergibt im Betrieb Vorteile, die bei den bisherigen piezoelektrischen Wandlern nicht erreichbar waren. Von besonderer Bedeutung ist die hohe Betriebsfrequenz, die durch einen mit Verarmungsschicht arbeitenden piezoelektrischen Wandler erreicht wird.

Es ist bekannt, daß piezoelektrische Wandler am Piezoelektrisches Resonanzelement und dessen Verwendung bei einer Verzögerungsleitung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, 6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
*5 Donald Lawrence White,
Mendham, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
no V. St. v. Amerika vom 25. Oktober 1960 (64 808)

wirksamsten bei einer Frequenz arbeiten, die der Grundfrequenz des Kristallresonators entspricht. Bisherige, z. B. aus Quarz, Kaliummonophosphat und Rochelle-Salzen aufgebaute Wandler arbeiten bei einer Grundfrequenz von 1 bis 60MHz. Kristallresonatoren mit oberhalb dieses Bereichs gelegenen Grundeigenschwingungen sind so empfindlich und klein, daß sie praktisch unausführbar sind. Infolgedessen arbeitet man bei hohen Frequenzen mit Harmonischen. Auf diese Weise konnten bei derartigen Wandlern Frequenzen bis zu 1000 MHz erzeugt wer-

den. Jedoch ergibt die Verwendung von Harmonischen einige sehr ernsthafte Schwierigkeiten. Die richtige Kopplung zwischen dem Resonanzkristall und dem umgebenden Fortpflanzungsmedium erfordert äußerst genaue Ausrichtung und führt nur zu einem geringen Wirkungsgrad. Demgegenüber haben Wandler, welche bei oder nach ihrer Grundeigenschwingung in Resonanz kommen, einen hohen elektromechanischen Kopplungsgrad, also einen hohen Wirkungsgrad.

Der Wandler gemäß der Erfindung hat einen großen Anwendungsbereich. Er kann z. B. als je in der Frequenz änderbarer (modulierbarer) Eingangsund Ausgangswandler, Filter, Frequenznormale oder Ultraschallverzögerungsleitung verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Wandler haben, wenn sie durch entsprechende Wahl der Gleichvorspannung mit Verarmungsschichtdicken zwischen 10~^s bis

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10~⁶ cm betrieben werden, Grundresonanzfrequen- schicht 16, die etwa 1,6 · 10~⁴ cm dick ist. Ein dieser zen, die von etwa 200 MHz bis mehr als 100 000 MHz Schicht von einem Hochfrequenzgenerator 17 zugereichen. Dies stellt eine beachtliche Verbesserung führtes Signal ergibt eine mechanische Schwingung gegenüber den bisherigen hochfrequenten Wandlern im Halbleiter mit einer Grundresonanzfrequenz von dar. 5 1000 MHz.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht Da, wie bereits erwähnt, sich die Dicke der Ver-

auch in der Leichtigkeit, mit der die Grundresonanz- armungsschicht mit der Quadratwurzel aus der in frequenz verändert werden kann. Die Dicke der Ver- Sperrichtung angelegten Vorspannung ändert und armungsschicht ist proportional zur Quadratwurzel andererseits die Resonanzfrequenz umgekehrt proaus der an den Übergang in Sperrichtung angelegten io portional zur Verarmungsschichtdicke ist, kann man Vorspannung. Infolgedessen kann die Dicke der die Resonanzfrequenz durch bloßes Verändern der Schicht und damit die hierzu umgekehrt proportionale Gleichvorspannung ändern. Dieser einfache Fre-Grundresonanzfrequenz leicht verändert werden, in- quenzänderungsmechanismus eröffnet gegenüber den dem lediglich die in Sperrichtung angelegte Vorspan- bisherigen Wandlern weitreichende Anwendungsnung verändert wird. Zum Beispiel führt bei einer 15 möglichkeiten. Da die Resonanzfrequenz bisheriger betrachteten Halbleiterkristallart ein Herabsetzen der Ultraschallwandler von den geometrischen Abmes-Gleichvorspannung um 25% zu einer 13°/oigen Er- sungen des Resonanzkristalls bestimmt ist, konnte sie höhung der Grundresonanzfrequenz. effektiv nur durch eine mechanische Änderung der

Es ist ersichtlich, daß die Normale der Verar- Kristallabmessungen selbst geändert werden. Demmungsschicht in Richtung einer piezoelektrischen 20 gegenüber ist nunmehr eine Änderung der Resonanz-Achse des Materials verlaufen sollte. Die genaue frequenz auf rein elektrischem Wege, also ersicht-Ausrichtung ist zwar der bevorzugte Fall, es genügt lieh wesentlich einfacher möglich. Eine derartige jedoch bereits das Vorhandensein einer wesentlichen Einstellmöglichkeit, die auch die Möglichkeit einer Komponente der piezoelektrischen Achse in Rieh- Modulation mit einschließt, ist z. B. für in der Fretung der Schichtnormalen, es ist also nicht wichtig, 25 quenz veränderbare Bandpaßfilter, Oszillatoren, Uldaß die piezoelektrische Achse senkrecht zur Schicht traschalldetektoren und Ultraschallverzögerungsleiorientiert ist. tungen äußerst vorteilhaft. Die letztgenannte Anwen-

Der nichtohmsche Kontakt ist demgemäß auf einer dung ist von besonderer Bedeutung. Eine Verzögesolchen Fläche des Kristalls aufgebracht, daß, wenn rungsleitungsanordnung kann durch leichte Änderunein Signal über diese Fläche in den Kristall einge- 30 gen (Wobbein) der in Sperrichtung angelegten Vorführt wird, in demselben ein wesentliches anregendes spannung sehr breitbandige Signale übertragen, ein Feld entsteht. Offensichtlich liegen die bevorzugten Umstand, der bei den bisherigen Verzögerungsleitun-Flächen senkrecht zu einer piezoelektrischen Achse, gen nicht möglich war.

jedoch können, wie bereits erwähnt, Abweichungen Eine Ultraschallverzögerungsleitung mit Wandlern

von dieser optimalen Orientierung zugelassen wer- 35 veränderbarer Frequenz ist in Fig. 2 dargestellt, den, wobei dennoch ein befriedigender piezoelektri- Jeder Wandler 20 und 21 ist im wesentlichen der scher Effekt erhalten wird. Wenn die Verarmungs- gleiche, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Er ist an schicht an einem pn-übergang angrenzend erzeugt einer geeigneten Fläche, z. B. unter Verwendung von wird, der im Innern des Halbleitermaterials vorhan- GaAs an den Flächen [111] oder [110], befestigt. Das den ist, muß deren Normale gleichfalls im wesent- 40 Verzögerungsmedium 31 ist ein bekanntes akustilichen in Richtung einer piezoelektrischen Achse ver- sches Verzögerungsmaterial, das sich für diese Frelaufen. quenzen eignet. Es kann vorteilhafterweise das HaIb-

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in leitermaterial selbst sein. Ohmsche Kontakte 22 und der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels be- 23 sind in der dargestellten Weise angebracht. Jedes schrieben; es zeigt 45 Ende der Verzögerungsleitung wird dann durch

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Ausführungs- Gleichspannungsquellen 24 und 25 in Sperrichtung beispiel und vorgespannt, so daß an den nichtohmschen Kontak-

Fig. 2 eine Ultraschall-Verzögerungsleitung, die ten28 und 29 Verarmungsschichten 26 und 27 aufmit zwei Wandlern nach Fig. 1 aufgebaut ist. treten. Das Signal wird an einem Ende durch eine

Der Halbleiterkristallblock ,des Ausführungsbei- 50 Hochfrequenzquelle 30 eingeführt, die der Eingang spiels ist ein Würfel 10 der Kantenlänge von etwa eines Signalkreises sein kann. Der Wandler 20 erzeugt 6 mm. Das Material des Würfels 10 ist η-leitendes ein akustisches Signal, das über das Verzögerungs-Galliumarsenid, das mit 5 · IO¹⁵ Atomen pro Kubik- mittel 31 zum anderen Übertrager 21 übertragen wird, Zentimeter dotiert ist. Dieser Dotierungswert führt wo es in ein elektrisches Signal umgewandelt und in zu einem spezifischen Widerstand, der kleiner als 55 einem Hochfrequenzdetektor 32 festgestellt wird. 0,1 Ohm · cm ist. Der Würfel ist auf einer [110]-Kri- In den beschriebenen Ausführungsformen wurden

stallfläche optisch eben poliert, so daß eine kohärente als Kontakte 14, 22 und 23 ohmsche Kontakte ver-Wellenfront sichergestellt ist. Ferner ist auf diese wendet. Es können aber auch nichtohmsche Kontakte Fläche ein Goldfilm 11 bis zu einer Dicke von etwa benutzt werden, wenn ihr ohmscher Widerstand 5 · 10~⁶ cm aufgedampft, der mit Galliumarsenid den 60 wesentlicher geringer als der Widerstand der nichterforderlichen nichtohmschen Kontakt ergibt. Auf ohmschen Kontakteil, 28 und 29 ist, gemessen in der Goldschicht ist ein der Stromzuführung dienen- einer von der Verarmungsschicht wegweisenden Richder Kupferdraht 12 unter Verwendung eines Indium- tang. Für die Zwecke der Erfindung soll zur Erzielotes 13 befestigt. Auf einer [100]-Fläche ist ein lung einer richtigen Arbeitsweise der Einrichtung der ohmscher Kontakt 14 vorgesehen. 65 Widerstand der Kontakte 14, 22 und 23, gemessen in

Eine an die Goldelektrode 11 und den ohmschen Durchlaßrichtung, vorzugsweise geringer als die Kontakt 14 angelegte Gleichspannung von 10 V einer Hälfte des Widerstands des nichtohmschen Kontakts Gleichspannungsquelle 15 ergibt eine Verarmungs- 11, 28 und 29, gemessen in Sperrichtung, sein. Bei

einer einen pn-übergang aufweisenden Einrichtung, bei der der Übergang im inneren Teil und nicht am äußeren Kontakt wie in F i g. 1 gebildet ist, erfordert diese Einschränkung, daß der Kontakt einen Widerstand, gemessen in Durchlaßrichtung, hat, der geringer als die Hälfte des Widerstands des genannten pn-Übergangs, gemessen in Sperrichtung, ist.

In einem Halbleitermaterial, das für die erfindungsgemäßen Wandler brauchbar ist, soll eine Verarmungsschicht von der gewünschten Dicke erzeugt werden können, wobei eine hohe Beweglichkeit und eine hohe Leitfähigkeit erhalten bleiben soll. Die Klassen der Halbleiterverbindungen, die aus Elementen der Gruppen III und V sowie II und VI des Periodischen Systems aufgebaut sind, erfüllen diese Forderungen. Bevorzugte Materialien sind GaAs, GaP, GaSb, BP, AIP, AlAs, AlSb, CdS, CdO, ZnS, ZnO und, bei niedrigen Temperaturen, InSb.

Eine der Forderungen der Erfindung besteht in einem piezoelektrischen Körper, in dem eine Verarmungsschicht in der vorher beschriebenen Weise erzeugt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es im allgemeinen unwesentlich, wie und durch welches Mittel die erforderliche Verarmungsschicht gebildet wird. Die Einrichtung ist wirksam, gleichgültig, ob die Verarmungsschicht an einem äußeren nichtohmschen Kontakt oder im Inneren des Halbleiterkörpers an einem herkömmlichen pn-übergang gebildet ist. Das wesentliche Verhalten des Übergangs zur Bildung einer Verarmungsschicht besteht darin, daß er gleichrichtend oder nichtohmisch ist. Dementsprechend soll hier und in den Ansprüchen der Ausdruck nichtohmscher Kontakt einen Übergang definieren, an dem eine Verarmungsschicht erzeugt werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Resonanzelement mit zwei Elektroden zum Anlegen oder Anzeigen einer Wechselspannung vorzugsweise sehr hoher Fre-

35 quenz, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkristallblock (10), beispielsweise aus GaAs, widerstandslos oder über einen Widerstand vergleichsweise geringer Größe mit dem einen Pol, vorzugsweise Masse (14), einer Wechselspannungsquelle (17) oder eines Detektors (32) verbunden ist, während die mit dem anderen Pol verbundene Elektrode (11) in an sich bekannter Weise als nichtohmscher Kontakt auf eine Oberfläche ([HO]) des Kristallblocks aufgebracht ist, daß ferner dem Wechselspannungsfeld ein derart gerichtetes Gleichspannungsfeld (Gleichspannungsquelle 15) überlagert ist, daß sich im Bereich des nichtohmschen Kontakts eine als Piezoelektrikum wirksam werdende Verarmungsschicht ausbildet, deren Dicke von der Größe der angelegten Gleichspannung abhängig ist.

2. Resonanzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im Verbindungsstromkreis von Halbleiterkristallblock zum einen Pol (Masse), gemessen in Durchlaßrichtung, kleiner ist als der halbe Widerstand, den der nichtohmsche Kontakt in Sperrichtung aufweist.

3. Resonanzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleiterkristallblocks aus der Klasse der II-VI- und III-V-Halbleiterverbindungen ausgewählt ist.

4. Resonanzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als das Material des Halbleiterkristallblocks Galliumarsenid vorgesehen ist.

5. Verwendung des Resonanzelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Aufbau einer Ultraschall-Verzögerungsleitung variabler Frequenz, die an den beiden Enden einer Schallübertragungsstrecke (31) je ein solches Resonanzelement trägt, von denen das eine (20) mit einer Hochfrequenzquelle (30) und das andere (21) mit einem Hochfrequenzempfänger (32) gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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