DE1276834B - Elektromechanische Vorrichtung zum AEndern der Amplitude eines akustischen Signals - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03h

Deutsche Kl.: 21g-34

Nummer: 1276 834

Aktenzeichen: P 12 76 834.2-35 (W32148)

Anmeldetag: 26. April 1962

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrichtung zum Ändern der Amplitude eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, mit einem Halbleiterkörper, einer Vorspannungseinrichtung mit einer Gleichspannungsquelle zum Erzeugen eines Gleichfeldes im Halbleiterkörper einer solchen Größe, die eine Bewegung der Ladungsträger in einer gewünschten Richtung erzeugt.

Der bekannte elektroakustische Effekt besteht darin, daß ein elektrischer Gleichstrom erzeugt wird, wenn eine akustische Welle durch ein leitendes Medium läuft. Im Prinzip verursacht die akustische Welle eine Umverteilung der freien Ladungsträger des Mediums im Sinne einer periodischen lokalen (Ladungsträgeranhäufung. Die hierbei entstehenden elektrischen Felder erzeugen dann den Strom. Bei Halbleitern, bei denen freie Ladungsträger beiderlei Vorzeichens vorhanden sind, ist eine beachtliche Umverteilung der Ladungsträger möglich, ohne daß hierbei Raumladungen erzeugt würden. Man hat gezeigt, daß der hier resultierende elektrische Strom das Vorzeichen der Minoritätsladungsträger hat, also ein reiner Minoritätsladungsträgereffekt ist. Setzt man den mit elastischen Wellen beaufschlagten Halbleiterkörper einem elektrischen Gleichfeld aus, so bewegen sich die Ladungsträger des einen Typus entgegen der Laufrichtung der akustischen Welle und die Ladungsträger des anderen Typus in Laufrichtung. Es wird daher der eine elektroakustische Partikelstrom abnehmen und der andere zunehmen. Da jedoch die zugeordneten elektrischen Ströme entgegengesetztes Vorzeichen haben, addieren sich die beiden elektroakustischen Effekte, und der hieraus resultierende Gesamtstrom erhöht sich bzw. tritt bei eigenleitendem Halbleitermaterial, das ohne angelegtes Feld keinen elektroakustischen Effekt zeigt, überhaupt erst auf (vgl. zu alledem »Physical Review«, Bd. 104, 1956, S. 321 bis 324).

Eine auf diesem Effekt beruhende Vorrichtung der eingangs erwähnten Art würde keine nennenswerte Änderung der Amplitude des akustischen Signals, insbesondere Verstärkung, erzeugen können. Man hat hier erst bei Temperaturen des flüssigen Heliums eine sehr kleine resultierende Verstärkung beobachtet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu erzeugen, mit der auf einfache Weise die Amplitude eines akustischen Signals nennenswert geändert, insbesondere verstärkt, werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper piezoelektrische Eigenschaften aufweist und zumin-Elektromechanische Vorrichtung zum Ändern
der Amplitude eines akustischen Signals

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:

Donald Lawrence White, Mendham, N. J.

(V. St. A)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. April 1961 (105 700)

dest einen Abschnitt einer Schallübertragungsbahn für das Signal bildet und daß die durch das Gleichfeld erzeugte Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger eine Geschwindigkeitskomponente längs der in der Fortpflanzungsrichtung des Signals liegenden Achse aufweist.

Zum besseren Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden Wirkungsprinzips sei folgendes ausgeführt:

üblicherweise sind Halbleiter zu stark leitfähig, um ein merklisches piezoelektrisches Feld zu zeigen. Dennoch sind wesentliche piezoelektrische Wirkungen in Halbleitern hohen Widerstandes, die in bestimmter Weise vorbereitet wurden, beobachtet worden, so bei ZnO, CdS und AlN. Andere Halbleiter, die wesentliche piezoelektrische Effekte unter entsprechenden Bedingungen zeigen, sind InAs, CdSe, CdTe, GaAs und ZnS.

Es wurde gefunden, daß eine akustische Welle, die sich durch ein solches piezoelektrisches Halbleitermedium ausbreitet, durch eine Wechselwirkung des durch die akustische Welle erzeugten piezoelektrischen Feldes mit den freien Ladungsträgern, die unter der Einwirkung eines im Medium durch eine äußere Gleichspannungsquelle erzeugten elektrostatischen Feldes stehen, beeinflußt werden kann. Diese Wechselwirkung ermöglicht eine wesentliche Dämpfung oder Verstärkung des akustischen Signals selbst, und zwar

«09 599/436

in Abhängigkeit von Größe und Richtung des elektrostatischen Feldes.

Die Ausdrücke »akustische Wellen« oder »Schall« sollen hier irgendeine kohärente elastische Welle oder mechanische Wellenschwingung irgendeiner Frequenz bezeichnen, wobei die Frequenzbereiche des Ultraschalls und Hyperschalls eingeschlossen sein sollen.

Eine akustische Welle, die durch ein piezoelektrisches Medium wandert, erzeugt ein elektrisches Wechselfeld, das mit derselben Geschwindigkeit wie die akustische Welle wandert. Da dieses Feld ungleichförmig ist, werden elektrische Ströme erzeugt, die dazu neigen, elektrische Ladungen periodisch im ganzen Medium anzuhäufen. Diese Ladungsanhäufungen sucht das piezoelektrische Feld zu neutralisieren. Wenn an das Medium eine Gleichspannung angelegt wird, wird ein periodisches elektrisches Feld erzeugt, und zwar durch den durch die Bereiche der Ladungsanhäufungen fließenden Gleichstrom. Dieses durch den Gleichstrom erzeugte Wechselfeld wirkt seinerseits wieder auf das piezoelektrische Medium ein und resultiert in einer Erzeugung zusätzlicher akustischer Wellenkomponenten. Letztere werden die ursprüngliche akustische Welle entsprechend bestimmten vorgegebenen Variablen verstärken oder dämpfen.

Für ein gegebenes piezoelektrisches Halbleitermaterial, das unter dem Einfluß eines gegebenen festen Gleichfeldes steht, gibt es eine entsprechende optimale Frequenz, bei der maximale Verstärkung (oder Dämpfung) auftritt. Diese Frequenz hängt von den Veränderlichen des Systems nach folgender Formel ab:

t-'s

Hierin bedeutet o> die Kreisfrequenz, bei der maximale Verstärkung auftritt, ρ der spezifische Widerstand des piezoelektrischen Materials, *·· die absolute Dielektrizitätskonstante* v_D die mittlere Driftgeschwindigkeit der Träger im Halbleiter als Folge des anstehenden Gleichfelds und v_s die Schallgeschwindigkeit im Medium.

Aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die zum Erhalt einer Verstärkung erforderliche Bedingung darin besteht, daß r_D größer als v_s ist. Ist die Driftgeschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit im Medium, so tritt Dämpfung auf.

Die Driftgeschwindigkeit ist vom Material und der Größe des Gleichfelds nach folgender Gleichung abhängig:

v_D = μE'.

(2)

Hierin bedeutet μ die Beweglichkeit der Majoritätsträger im Halbleiter in cm^/Vsec und E' die Stärke des in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle vorhandenen Gleichfeldes in V/cm.

Wenn die Driftgeschwindigkeit kleiner als r_s ist.

wird der Nenner in Gleichung (1) durch 1 — ^l-p- ersetzt.

Wenn die Richtung der Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit der der akustischen Welle entgegengesetzt ist.

wird der Ausdruck ersetzt durch 1 + -^-. Nur wenn

's

die Komponente von v_D in Richtung der akustischen Welle größer als v_s ist, kann Verstärkung auftreten. Andernfalls ändert das elektrische Feld die Dämpfung. Die Vektoranalyse zeigt, daß die Driftgeschwindigkeit in Gleichung (1) tatsächlich die ,Komponente der Driftgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung des akustischen Signals ist. Es ist deshalb nicht wesentlich, daß die Feldrichtung mit der Richtung der akustischen Welle zusammenfällt.

Da das oben beschriebene Phänomen die Wechselwirkung eines piezoelektrischen Feldes mit einem Gleichfeld erfordert, leuchtet ein, daß die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle in bestimmter Beziehung zu einer piezoelektrischen Achse des Materials stehen muß, damit ein piezoelektrisches Feld erzeugt wird. Es trifft nicht immer genau zu, zu sagen, daß ein Feld erzeugt wird, solange die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle eine Vektorkomponente in Richtung einer piezoelektrischen Achse des Materials hat. In bestimmten Kristallstrukturen werden einander aufhebende entgegengerichtete Felder erzeugt. Die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle wird deshalb zweckmäßigerweise definiert als irgendeine kristallographische Richtung, in der ein wesentliches piezoelektrisches Feld erzeugt werden kann. Die Richtung dieses Feldes liegt notwendigerweise in Richtung der Wellenausbreitung.

Es wurde gefunden, daß eine Änderung der Amplitude der akustischen Welle immer dann erreicht werden kann, wenn eine Driftgeschwindigkeitskomponente v_D durch den Einfluß des Gleichfeldes erzeugt wird. Für eine nicht reziproke Betriebsweise beträgt die Driftgeschwindigkeit v_D vorzugsweise wenigstens 5% der Schallgeschwindigkeit, damit eine bevorzugte Größe des nicht reziproken Effekts erreicht wird.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, tritt eine Verstärkung dann auf, wenn die Driftgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 die Abhängigkeit der Verstärkung vom

Verhältnis ~γ- bei gegebener akustischer Frequenz

und gegebenem Material,

F i g. 2 ein der F i g. 1 ähnliches Diagramm, aber mit verschiedenem Verhältnis der akustischen Frequenz zu den akustischen Konstanten des Materials, F i g. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verstärkers für akustische Wellen,

F i g. 4A eine schematische Ansicht eines Oszillators, der nach den Prinzipien der Erfindung arbeitet, F i g. 4 B eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Oszillators mit einem Hohlraumresonator,

F i g. 5 eine schematische Ansicht einer gleichzeitig verstärkenden Ultraschall-Verzögerungsleitung,

F i g. 6 eine schematische Ansicht eines nach den iPrinzipien der Erfindung arbeitenden Zirkulators für akustische Wellen und

F i g. 7 eine schematische Ansicht eines Schalters für akustische Wellen, der der Anordnung nach F i g. 6 ähnlich ist.

Aus Gleichung (1) ist zu ersehen, daß die Größe -—

im allgemeinen eine feste Materialeigenschaft ist.

Wie nachfolgend näher beschrieben wird, ermöglicht andererseits der spezifische Widerstand einen bequemen Modulationsmechanismus in bestimmten ν lichtempfindlichen Halbleitermaterialien. In den an-

deren Fällen sind der spezifische Widerstand und die Dielektrizitätskonstante unveränderlich, und auch die Schallgeschwindigkeit jj_s liegt im allgemeinen fest. Die beiden verbleibenden Veränderlichen sind somit die Frequenz der akustischen Welle und die Driftgeschwindigkeit. Da nach Gleichung (2) die Beweglichkeit eine gegebene Halbleitermaterial-Eigenschaft ist, bleibt als einzige Veränderliche die Feldkomponente E' in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle.

Im allgemeinen ist die Frequenz der akustischen Welle durch das gewünschte zu verändernde Signal gegeben. Deshalb ist bei üblichen Anwendungen das

Verhältnis von ω zu — (also das Produkt ω ρ ε)

in Gleichung (1) vorbestimmt und unveränderlich. In F i g. 1 ist die Verstärkung in Abhängigkeit

von -^- aufgetragen, und zwar für .ωge = 2. Daraus'

ergibt sich, daß Verstärkung bei ~ > 1 auftritt.

Aus der Figur und der Gleichung (1) ergibt sich ebenfalls, daß die maximale, mit diesem Material erreichbare Verstärkung bei dieser Betriebsfrequenz

bei einem Verhältnis — = 1,5 auftritt.

^vs

Die maximal erreichbare Verstärkung ist unter Berücksichtigung der Gleichung (1):

Verstärkung = 10 π— 10 ο
ec

10 βλ , (3)

wobei die Verstärkung in db/cm angegeben ist, geringerer Dämpfung in der anderen Richtung^ (Punkt d) ergeben. Ein Betrieb mit Werten der Drift-' geschwindigkeit unterhalb der vorstehend für nicht reziproken Betrieb angegebenen Grenze hat jedoch gleichfalls wesentliche Anwendungsmöglichkeiten und liegt deshalb im Rahmen der Erfindung.

Die Kurve nach F i g. 1 dient sehr gut dazu, die Arbeitspunkte für eine akustische Verzögerungsleitung, die eine Verstärkung erzeugt, zu zeigen. Eine ίο Verzögerungsleitung, die mit dem Verhältnis

ω zu —- = 2, wie bei der Kurve nach F i g. 1, und

mit einem Verhältnis -^- von 1,5 arbeitet, würde

^vs

einen Arbeitspunkt in Vorwärtsrichtung bei / mit maximaler Verstärkung und einen Arbeitspunkt in Rückwärtsrichtung bei g mit einer nur geringen Dämpfung ergeben. Da die Vorwärts-Verstärkung die Rückwärts-Dämpfung stark übersteigt, zeigt ein Signal, das einer Mehrfach-Vorwärts- und -Rückwärtsreflektion unterworfen wird, z. B. in einer in Scherschwingungen schwingenden Ultraschall-Verzögerungsleitung bekannter Bauart, eine beachtliche Verstärkung pro Durchgang, und zwar um den Betrag, um den der Punkt / den Punkt g übersteigt. Diese Verstärkung wird gleichzeitig mit der gewünschten Verzögerung erhalten. Des weiteren kann die Verzögerungszeit des Halbleitermediums auch durch Ändern der Stärke des Gleichfeldes passend eingestellt werden.

F i g. 2 zeigt eine Betriebskurve, die insbesondere für nicht reziproke Vorrichtungen geeignet ist. Die Koordinaten entsprechen denen der F i g. 1. Die

das Quadrat des elektromechanischen Kopp- Kurve bezieht sich auf ein Verhältnis von—zu ω = 4,

lungskoeffizienten des Materials und λ die Wellenlänge ist.

F i g. 1 zeigt, daß die Dämpfungskurve punktsymmetrisch zum Verstärkungsteil der Kurve ist. Demnach gibt die Frequenzabhängigkeit der Gleichung (1) ebenfalls die Frequenz der maximalen

Dämpfung an, die bei 1 —

auftritt, also bei

0,5 im System der Fig. 1.

Aus F i g. 1 ist des weiteren zu ersehen, daß eine wesentliche Dämpfung selbst bei Werten von v_D unterhalb 5% v_s auftritt. Dämpfungswirkungen werden jedoch in vielen akustischen Einrichtungen im allgemeinen für nicht reziproken Betrieb verwendet, wie nachfolgend angegeben wird. Der Teil der Kurve im dritten Quadranten der F i g. 1 stellt die Dämpfung des akustischen Signals für negative Verhältnisse

von ~ dar, d. h. dort, wo die Driftgeschwindigkeitskomponente der Richtung der akustischen Aus-' breitung entgegengesetzt ist. Es ist ersichtlich, daß ein wesentlicher nicht reziproker Effekt nicht zwischen den Punkten α und b entsprechend ± v_D = 5% v_s erreicht werden kann. Für nicht reziproke Vorrichtungen beschränkt daher die vorstehend für das minimale wirksame Geschwindigkeitsverhältnis vorgeschlagene Grenze den Betrieb auf die akzeptableren Teile der Kurve. So würde z. B. eine nicht reziproke Vorrichtung mit dem Material und bei der Frequenz gemäß der Kurve nach F i g. 1 mit einem Geschwin-

digkeitsverhältnis — = 0,5 eine maximale Dämpfung in Vorwärtsrichtung (Punkt c) bei wesentlich das mit einem Material geringeren spezifischen Widerstandes und/oder mit niedrigerer Betriebsfrequenz

erhalten wird. Wenn nun das Verhältnis — mit 3 an-

gesetzt wird, wird der Vorwärts-Betriebspunkt m, mit einer wesentlichen Verstärkung, während der Rückwärts-Betriebspunkt η eine maximale Dämpfung mit sich bringt. Die Betriebskurve ist geeignet für nicht reziproke Vorrichtungen, z. B. Ein-Richtungs-

Leiter. Es ist darauf hinzuweisen, daß alle Betriebskurven punktsymmetrisch zur Stelle — = 1 sind.

^vs
Die größeren Abstände zwischen Maximum und

Minimum werden mit größeren Verhältnissen von —

zu (D erhalten, d. h. mit Materialien, die geringeren spezifischen Widerstand und geringere Dielektrizitätskonstante aufweisen, sowie mit einer niedrigeren Betriebsfrequenz.

F i g. 3 zeigt einen typischen Verstärkeraufbau für akustische Wellen. An die Enden eines piezoelektrischen Halbleiterkörpers 10 sind übliche elektroakustische Wandler 11 und 12 angebracht. Eine bevorzugte Form eines insbesondere für den Betrieb bei hohen Frequenzen geeigneten Ultraschall-Wandlers ist der sogenannte Verarmungs-Schicht-Ultraschall-Wandler. Ein bei 13 erzeugtes Wechselspannungssignal wird dem Wandler 11 zugeführt. Das hierdurch entstehende akustische Signal wird durch das Medium 10 zum Wandler 12, dem Ausgangswandler übertragen. Das am Wandler 12 hierdurch wieder erzeugte elektromagnetische Ausgangssignal wird auf ein Voltmeter 14 über einen Auskopplungs-

der Vorrichtung nach Fig.4A wird ein elektromagnetisches Signal in einem Verstärker 20 verstärkt, der im wesentlichen dem Verstärker nach F i g. 3

irischen Halbleiterkörper 31, dem ein Gleichfeld durch die Gleichspannungsquelle 32 in Ausbreitungsrichtung der Resonanzwellen durch den Körper auf-

kondensator 15 gegeben. Das ■ Gleichfeld, das mit Halbleitermedium 60 drei Ultraschall-Wandler 61, 62 dem durch das akustische Signal erzeugten piezo-. und 63 auf. Das Medium wirkt in der Weise, daß es elektrischen Feld gekoppelt wird, wird mit Hilfe die Trennung zwischen einem am Wandler 61 eineiner Quelle 16 im Medium 10 erzeugt. geführten und über den Wandler 62 auf die hieran

Die Fig. 4A und 4B zeigen zwei Oszillatorformen, 5 angebrachte Leitung übertragenen Signal und einem die nach den Prinzipien der Erfindung arbeiten. Bei Signal aufrechterhält, das am Wandler 63 von der

gemeinsamen, zum Wandler 62 führenden übertragungsleitung empfangen worden ist. Diese Wirkung wird auf Grund des Feldes erreicht, das im entspricht. Der Ausgang ist auf den Eingang über _ro Medium 60 durch eine Gleichspannungsquelle 64 und einen Widerstand 21 zurückgekoppelt. Der Oszillator Elektroden 65 und 66 erzeugt wird. Dieses Feld hat wird mit dem Widerstand 21 und der Gleichspan- ■ eine abnehmende Stärke von der einen Seite des nungsquelle 22 abgestimmt. Mediums 60 zu der anderen. Da die Schallgeschwindig-

Die F i g. 4JB zeigt einen Oszillator, der einen in keit im Medium 60 von der elektrischen Feldstärke * einem Hohlraumresonator 30 angeordneten Verstär- _I5 abhängt, bewirkt das ungleichförmige Feld, daß die ker aufweist. Der Verstärker besitzt einen piezoelek- Wellen gebrochen werden. Demgemäß wird eine

durch die Strahlen la und Ib dargestellte, vom Wandler 61 erzeugte Welle zum Wandler 62 abgebogen. Eine durch die Strahlen 2a und Ib dargedrückt ist. Es ist ersichtlich, daß dieser Oszillator ₂o gestellte, vom Wandler 62 erzeugte Welle wird durch einen tatsächlich akustischen Verstärker enthält und ein Feld entgegengesetzter Richtung beeinflußt und daß keine elektromagnetische Wandler notwendig zum Wandler 63 abgebogen. Wie ersichtlich, ist diese sind. Bei der entsprechenden Frequenz besteht eine Vorrichtung dahingehend nicht reziprok, daß keine elektrische Kopplung zwischen dem akustischen Me- akustische Welle ihren früheren Weg nochmals zudium und dem Hohlraum, wodurch eine Resonanz ₂₅ rücklegen kann. Geeignete Arbeitspunkte für den in dem Hohlraum erzeugt wird. Die Hohlraum- Betrieb dieser Vorrichtung würden der Punkt/

(Fig. 1) für die Richtung zwischen 61 und 62 und der Punkt g für die rückwärtige Richtung sein. Bei Verwendung dieser Arbeitspunkte wird das vom 30 Wandler 61 zum Wandler 62 übertragene Signal wesentlich verstärkt, während das Signal, das vom Wandler 62 zum am Wandler 63 angeschlossenen Empfänger übertragen wird, nur gering gedämpft wird. Dieser Zirkulator arbeitet demgemäß zusätz-

Anordnungen, siehe z. B. USA.-Patentschrift 2 839 731. 35 lieh als ein Verstärker für das zu übertragende Signal. Ein bei 51 erzeugtes elektromagnetisches Signal wird F i g. 7 zeigt eine Schalteinrichtung, die nach den

■ einem piezoelektrischen Wandler52 zugeführt. Das Prinzipien des Zirkulators gemäß Fig. 6 arbeitet sich ergebende akustische Signal tritt in das Ver- und im Aufbau letzterem ähnlich ist. Ein Halbleiterzögerungsmedium 50 ein, durchläuft dasselbe längs !körper 70 trägt drei piezoelektrische Wandler 71, 72 des dargestellten Wegs und tritt über den piezoelek- 40 !und 73. Der Wandler 73 liegt dem Wandler 72 im trischen Wandler 53 aus. Der Wandler 53 wandelt wesentlichen gegenüber. Eine Gleichspannungsquelle das akustische Signal zurück in elektromagnetische 74 und Elektroden 75 und 76 erzeugen das erforder-Energie, die dann durch ein Voltmeter 54 angezeigt liehe Gleichfeld. Ein am Wandler 72 erzeugtes akustiwird. Die Kondensatoren 55 dienen der galvanischen sches Signal folgt üblicherweise dem durch die Entkopplung. Elektroden 56 und 57 begrenzen die ₄₅ Strahlen 3a und 3b angegebenen Weg und wird am reflektierenden Flächen des Verzögerungsmediums, Wandler 73 empfangen. Durch Einwirkung des Gleichfeldes der Quelle 74 wird jedoch die Welle abgebogen und nimmt eine Richtung an entsprechend den Strahlen 4a und 4b und wird am Wandler 71 emp-50 fangen.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern Ausführungsformen spezieller Materialien und Verfahren zum Herstellen von Vorrichtungen gemäß der Erfindung. Jedes Muster weist die Betriebskurve nach F i g. 1

rückwärtige Richtung α sind, erfährt, wie bereits 55 auf. Bei Verwendung dieser Muster können Vorerwähnt, das akustische Signal eine maximale Ver- richtungen erstellt werden, die jeden der Betriebspunkte auf der Kurve nach F i g. I erreichen. Diese Betriebspunkte können nach entsprechender Wahl für jede der beschriebenen Vorrichtungen verwendet 60 werden.

schwingungen werden durch die Verstärkung der Resonanzfrequenz mit Hilfe der Wechselwirkung mit dem Gleichfeld im akustischen Medium vergrößert. Die Resonanzwelle tritt am Ausgang 33 auf.

F i g. 5 zeigt eine Ultraschall-Verzögerungsleitung, die die Prinzipien nach der Erfindung verwendet. Das Verzögerungsmedium 50, ein ^piezoelektrischer Halbleiter, entspricht in seinem Aufbau bekannten

und eine Vorspannungsquelle 58 liefert ein Gleichfeld zwischen diesen Elektroden, das eine Komponente in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle besitzt.

Wenn die Driftgeschwindigkeitskomponente der

Träger in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle ' so gewählt ist, daß die Betriebspunkte auf der Kurve der F i g. 1 für die Vorwärtsrichtung/ und für die

Stärkung in der Vorwärtsrichtung mit einer minimalen Dämpfung in der rückwärtigen Richtung. Die Ultraschall-Verzögerungsleitung ergibt damit eine wesentliche Verstärkung.

F i g. 6 zeigt einen Zirkulator, dessen Verwendung die Trennung übertragener Signale von empfangenen Signalen ermöglicht, wenn beide Signale dasselbe Ubertragungsmedium verwenden. Der vorstehend

Beispiel I

Ein Einkristall aus GaAs mit einem spezifischen Widerstand von 1000 Ohm-cm wird auf einem

beschriebene Ein-Richtungs-Leiter erreicht dies bis 65 Querschnitt von 3 mm und eine Länge- Von 2 cm zu einem begrenzten Umfang, jedoch nur auf Kosten beschnitten, wobei die Länge in die (111)-Richtung oder sogar unter Verlust eines dieser Signale. Bei weist. Piezoelektrische Verarmungsschicht-Wandler der Vorrichtung nach Fi g. 6 weist das piezoelektrische werden dann an jedem Ende in üblicher Weise an-

9 10

gebracht. Diese Vorrichtung entspricht der nach digkeit von 1,5 (wie beim Beispiel I errechnet) wird „. , _TT , ,₇ ,..„ .1 _Λ- v_D = 6,7 · 10⁵ cm/s. Für CdS beträgt « = 300 cm²

F ι g. 3. Um das Verhältnis von — zu _m von 0,5 ^ _{md damit}'_beträgt das Feld 440 V, um die aus

gemäß der Kurve in F i g. 1 zu erhalten, wird die Gleichung (2) errechnete Driftgeschwindigkeit zu erBetriebsspannung aus der Gleichung (1) errechnet. 5 halten.

Bei diesem Muster hat der QaAs-Körper einen _{D Q d d} Kopplungskoeffizienten &■ für

spezifischen Widerstand von 1000 Ohm ■ cm und ^v w & _eC

eine Dielektrizitätskonstante von 11. Der Wert —- dieses CdS beträgt 0,07 und y beträgt bei dieser

in Gleichung (1) wird somit zu 10⁹/s. Damit wird die io Probe 3,6 · 10³. Die Verstärkung für diese Vor-Betriebskreisfrequenz ω — 2 · ΙΟ⁹ rad/s oder die Be- richtung ergibt sich zu 65 db oder 330 db/sm.
triebsfrequenz 320 MHz. Aus der Gleichung (1) wird Ein weiterer Steuerparameter ist gemäß Gleidas Verhältnis der Driftgeschwindigkeit zur akusti- chung (1) der spezifische Widerstand des Materials. sehen Geschwindigkeit berechnet zu: Einige Halbleiter, z. B. GaAs und CdS, sind licht-

15 empfindlich, d. h., ihr Widerstand ändert sich mit

0,5 == —— 1, der Stärke der einfallenden Belichtung. Damit kann

^vs eine veränderbare Lichtquelle verwendet werden,

Vp _ j - um den Widerstand und damit die Verstärkung zu

v_s ' ' ändern. Brauchbare spezifische Widerstände jedes

20 der Halbleitermaterialien, die für die Erfindung ge-

Mit der Schallgeschwindigkeit dieses Materials eignet sind; liegen in dem Bereich von 1 bis von 5,6 · 10⁵ cm/s errechnet sich die Driftgeschwindig- 10⁶ Ohm · cm. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, keit zu 8,4 · 10⁵ cm/s. Die Gleichung (2) gibt die ergeben Materialien mit geringerem spezifischen Wi-Driftgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem er- derstand Vorrichtungen mit höherer Frequenz.
forderlichen elektrischen Feld an: 25 Obwohl Einkristall-Medien bevorzugt sind, kön-

_ „, _n, nen auch polykristalline piezoelektrische Halbleiter

^v° -^μΆ ■ ^U] verwendet werden.

Hier liegt die gesamte Geschwindigkeitskomponente Der Frequenzbereich, in dem die Vorrichtungen

in Richtung der akustischen Wellenausbreitung nach der Erfindung zweckmäßigerweise arbeiten, liegt (F i g. 3). Die Gleichung (2) wird damit: 30 zwischen 200 MHz und über 100 GHz. Bei hohen

_ £ Frequenzen wird jedoch die Diffusion der Ladungs-

'^D ~ ^μ ' träger zu einem wesentlichen Problem, da die La-

worin E das Feld und μ die Beweglichkeit der Träger dungsträgeransammlungen entsprechend den Ver-

;„ α*™ iuat».-;„i „K_mi; κ <mn ^cm2 η cmc dichtungen und Dilatationen (oder Scherwellenverin dem Material, nämlich 4000 y^. Das Feld £ _{35 formun}|_{en) des akustischen Med}iums sehr eng zu-

wird damit: . sammenliegen. Die GrenzfrequenzJ₀, bei der die

840000 Ladungsträgerdiffusion die Verstärkung 50% ver-

E = —^öjrr— = 210 V/cm . ringert, kann aus folgender Formel errechnet werden:

Die Wandler wurden somit an jedem Ende des 40 ,■ _ _J_ _£s_ (£d_ _ Λ ,λ\

Kristalls für eine Betriebsfrequenz von 320 MHz ^Jd ~ 2.-r D \ v_s )' ^[ '
eingestellt. Die Gleichspannungsquelle, welche die

für die 2 cm lange Probe erforderliche Spannung Der Diffusionskoeffizient D ist dabei gegeben durch:

von 420 V erzeugt, wird, wie in F i g. 3 gezeigt, an- • ^ \

geschlossen. Die Betriebspunkte auf der Kurve in 45 D = μΤ (— J, (5)

F i g. 1 sind / und g . Das Hochfrequenzsignal wird ^ ^ '

am Eingangs-Wandler 11 (F i g. 3) angelegt und am . _dje Träge'rbeweglichkeit in ^ , T die

Ausgangs-Wandler 12 abgenommen. Das Ausgangs- ' & & ν see

signal ist etwa 20 db verstärkt. Diese Vorrichtung absolute Temperatur in K, k die Boltzmannsche

erzeugt demnach bei der angegebenen Frequenz 5° Konstante = 1,38 · 1O~¹⁰ ergTK und q die Ladung

und der angegebenen Gleichspannung eine Ver- eines Elektrons = 1,6 ■ 10~¹⁹ Coulomb sind.

Stärkung von etwa 10 db/cm. Für Zinkoxyd und Cadmiumsulfid wird bei v_D = 2r₅

. die Grenzfrequenz f_D etwa 10 GHz bei Raumtempe-

Beispiel II ratur. Da diese Materialien sehr stark piezoelektrisch

Ein Einkristall aus CdS wird auf einen Querschnitt 55 sind, kann eine bedeutende Verstärkung auch bei

von 1 · 1 mm und eine Länge von 2 mm beschnitten, Frequenzen weit oberhalb dieses Wertes erhalten

wobei die Länge in der c-Richtung verläuft. Die Vor- werden.

richtung entspricht ansonsten der nach Beispiel I. Für die übertragung elektromagnetischer Signale

Das Material mit einem spezifischen Widerstand sehr hoher Frequenz müssen selbstverständlich Wellen-

,_mn, , . ... 1 .. ,„, 60 leiter oder gleichwertige Anordnungen verwendet

von 300 Ohm · cm hat einen Wert — von 3,9 · 10% _{werden Die} ^g _Figuren sind hierbei nur schematisch

...,,,..,. 1 ,, , j , zu verstehen, d.h., wenn hohe Frequenzen bzw.

Um em Verhältnis _w zu — von 2 entsprechend der _FreqUenzen im Mikrowellenbereich verwendet werden,

Kurve nach F i g. 1 zu erhalten, beträgt die Betriebs- sind die in den Figuren angegebenen Drähte als ent-

Tequenz o> = 7,8 · 10" rad/s oder /= 1250 MHz. ⁶5 sprechende Ubertragungsanordnungen aufzufassen.

Ii. diesem Material und dieser kristallographischen Die beispielsweise in F i g. 3 dargestellte Einrich-

Rii'htung beträgt r_s = 4,5 · 10⁵ cm/s. Für ein Ver- tung verhält sich in ihrer Wirkung wie ein Verstärker

hälmis der Driftgeschwindigkeit zur Schallgeschwin- für elektrische Signale, obwohl die eigentliche Ver-

Stärkung im akustischen Bereich stattfindet; es ist daher darauf hinzuweisen, daß auch ein akustisches Eingangssignal der Vorrichtung direkt aufgedrückt werden kann, wobei dann der Eingangs-Wandler Il entfällt. Ebenfalls kann der Ausgangs-Wandler 12 weggelassen werden, wenn das gewünschte Ausgangssignal ein akustisches Signal sein soll.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektromechanische Vorrichtung zum Ändern ι ο der Amplitude eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, mit einem Halbleiterkörper, einer Vorspannungseinrichtung mit einer Gleichspannungsquelle zum Erzeugen eines Gleichfeldes im Halbleiterkörper einer solchen Größe, die eine Bewegung der Ladungsträger in einer gewünschten Richtung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der" Halbleiterkörper (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) piezoelektrische Eigenschaften aufweist und zumindest einen Abschnitt einer Schallübertragungsbahn für das Signal bildet und daß die durch das Gleichfeld erzeugte Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger eine Geschwindigkeitskomponente längs der in der Fortpflanzungsrichtung des Signals liegenden Achse aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Halbleiterkörper unter Verwendung von GaP, ZnO," InAs, ZnS, CdTe oder CdSe aufgebaut ist. .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Halbleiter-" körper unter Verwendung-von GaAs oder CdS aufgebaut ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 35-dadurch gekennzeichnet, daß ihre Signal-Ein- und -Auskoppeleinrichtung für einen Betrieb oberhalb 200 MHz ausgelegt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftgeschwindigkeitskomponente in Signalfortpflanzungsrichtung zumindest 5% der Signalgeschwindigkeit beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftgeschwindigkeitskomponente in Signalfortpfianzungsrichtung größer als die Signalgeschwindigkeit ist, wodurch die Ladungsträger des Gleichfeldes in Wechselwirkung mit dem Signal zur Vergrößerung der Signalamplitude treten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Rückkopplung für einen Betrieb der Vorrichtung als Oszillator (F i g. 4A, 4B).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Halbleiterkörper als Ultraschall-Verzögerungsmedium in Form eines Polyeders ausgebildet ist und die Elektroden (56, 57) der Vorspannungs* einrichtung so angeordnet sind, daß die Gleichspannungsquelle (58) zwischen den Elektroden ein Gleichfeld erzeugt, das e'"? Komponente in Richtung des Signalwegs besitzt und die Vorrichtung als verlustfreie Verzögerungsleitung oder als Verstärker arbeitet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichfeld ( -^-, F i g. 2 j für einen Betrieb der Vorrichtung als Ein-Richtung-Leitung eingestellt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Signal-Ein- und -Auskoppeleinrichtung einen ersten und zweiten Wandler (61 bzw. 62) aufweist, daß der erste Wandler (61) einer Fläche des piezoelektrischen Halbleiterkörpers (60) zugeordnet und zumindest dafür ausgelegt ist, ein erstes Signal durch den Körper hindurch zu übertragen, daß der zweite Wandler (62) einer dieser Flächen gegenüberstehenden Fläche zugeordnet und dafür ausgelegt ist, einerseits das erste Signal zu empfangen und andererseits ein zweites Signal durch den Körper hindurch in einer zur Richtung des ersten Signals im wesentlichen entgegengesetzten Richtung zu übertragen, daß ein Empfangswandier (63) einer weiteren, im Abstand vom ersten Wandler liegenden Fläche des Körpers zugeordnet und zumindest dafür ausgelegt ist, das zweite Signal zu empfangen, und daß die Vorspannungseinrichtung (64, 65, 66) zum Erzeugen eines Gleichfeldes ausgelegt ist, das im Körper in einer zur Fortpflanzungsrichtung der'Signale etwa senkrechten Richtung eine abnehmende Stärke besitzt und zum gleichzeitigen Einwirken auf das erste und zweite Signal vorgesehen ist, so daß das erste Signal auf den zweiten Wandler und das zweite Signal auf den Empfangswandler abgelenkt werden (F i g. 6).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Signal-Ein- und -Auskoppeleinrichtung einen piezoelektrischen Wandler (72) aufweist, der einer ersten Fläche des Körpers· (70) zugeordnet ist, ferner ein Paar Signalempfangswandler (71 und 73), die je Flächen des Körpers zugeordnet sind, die im wesentlichen der ersten Fläche' gegenüberliegen und 'zwei diskrete Wege zwischen jedem der Signalempfangswandler (71 und 73) und dem sendenden Wandler (72) definieren, und daß die Vorspanneinrichtung (74, 75, 76) zum Erzeugen eines Gleichfeldes längs eines dieser Wege vorgesehen ist, das einen vom Gleichfeld des anderen der Wege verschiedenen Wert besitzt (F i g. 7).

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Physical Review«, Vol. 104, Nr. 2, S. 321 bis 324 (15. Oktober 1956).

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1147 632.·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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