DE1278520B - Elektromechanischer Wandler, insbesondere Mikrophon, auf MOS-Transistor-Basis - Google Patents

Description

• Elektromechanischer Wandler, insbesondere Mikrophon, auf MOS-Transistor-Basis Elektromechanische Wandler, insbesondere Mikrophone auf Halbleiterbasis, die gleichzeitig die Verstärkereigenschaften geeigneter Halbleiteranordnungen ausnutzen, sind bereits bekannt. Dabei wird der Stromfluß in der Halbleiteranordnung durch das von einer Steuerelektrode erzeugte variable Feld beeinflußt. Ziel der vorliegenden Erfindung war es, eine solche Anordnung zu schaffen, deren akustische Anpassung, bei Verwendung als Mikrophon, ebenso wie die elektrischen Eigenschaften in weiten Grenzen steuerbar sind, um sie für die verschiedensten Anwendungsformen, z. B. die verschiedenen nachfolgenden elektrischen Schaltungen, möglichst optimal auslegen zu können.
• Zur Lösung dieser Aufgabe, einen elektromechanischen Wandler, insbesondere Mikrophon, mit einem durch die mechanische Beanspruchung, insbesondere den Schalldruck, gesteuerten Transistor zu verwirklichen, dessen Steuerelektrode ihren Abstand vom Halbleitergrundkristall des Transistors im Takt und nach Maßgabe der Amplitude der umzuwandelnden mechanischen Schwingungen ändert, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß als Transistor ein dem MOS-Prinzip entsprechender Unipolartransistor verwendet wird und daß die Steuerelektrode relativ zum Grundkristall des Unipolartransistors frei schwingungsfähig angeordnet ist.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der Wirkungsweise dieser Maßnahmen, sowie aus den in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen und deren Erläuterung hervor.
• F i g. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Halbleiter-Mikrophons gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen Schnitt der in F i g. 1 dargestellten Anordnung in Richtung II ... II, F i g. 3 einen Schnitt in Richtung III ... IIl; F i g. 4 stellt eine besonders empfindlich arbeitende Anordnung dar; F i g. 5 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der der Verbindungskanal 8 zwischen Quelle und Senke durch eine ihn umgebende Zone 14 sehr hoher Dotierung (des gleichen Leitungstyps wie das Grundgitter) geometrisch gut definiert ausgebildet ist.
• Ohne die Erfindung auf diesen Spezialfall beschränken zu wollen, sollen die folgenden Ausführungen an Hand eines MOS-Transistors auf Siliziumbasis gemacht werden.
• In F i g. 1 stellt 1 einen beispielsweise p-leitenden Silizium-Kristall dar, der an der Oberfläche mit einer Oxidschicht 2 bedeckt ist. 3 ist eine metallisch leitende Zunge, die über der Oxidschicht 2 in geringem Abstand hängt und an der einen Seite, an der Stelle 4 auf der Oxidschicht 2, und damit isoliert vorn Kristall 1, befestigt ist. Am Ende 5 dieser Zunge ist eine schwingungsfähige Membran 6 elektrisch isoliert befestigt. Sie kann z. B. bei Verwendung als Mikrophon durch Einwirkung von äußerem Schall in Schwingungen versetzt werden, die dann die Zunge .3 ebenfalls mitmacht. Die Zunge 3 ist an ihrem festen Ende 4 noch mit einem Draht 7 kontaktiert. Unter der Zunge 3 verläuft im Kristall quer zur Längsausdehnung der Zunge 3 eine leitfähige Zone, hier als Kanal 8 bezeichnet, die am Anfang und Ende durch die ein diffundierten Gebiete 9 und 10, die als Quelle und Senke bezeichnet werden, begrenzt ist. Die Gebiete 9 und 10 sowie der Kanal 8 sind in einem p-leitenden Kristall n-leitend, die Quelle 9 und die Senke 10 sind außerdem mit Drähten 11 und 12 kontaktiert. Ob der Kanal 8 bereits durch Diffusion vorgebildet ist und durch das elektrische Feld der Steuerelektrode nur verändert wird, oder ob dieses elektrische Feld die den Kanal 8 darstellende Inversionsschicht umgekehrten Leitungstyps wie der Grundkristall 1 erst erzeugt, ist im Prinzip gleichgültig.
• Im Betrieb liegt am Kontakt 7 und damit an der Zunge 3 beispielsweise eine konstante Gleichspannung, bezogen auf den Grundkristall. Diese Gleichspannung ist so beschaffen, daß sie unter der Zunge im p-leitenden Kristall 1 eine dünne n-leitende Inversionsschicht 8 erzeugt (bzw. eine bereits vorgebildete beeinflußt). Diese Schicht, die den Kanal 8 darstellt, gibt eine ohmsche Verbindung zwischen den beiden n-leitenden Gebieten der Quelle 9 und der Senke 10. Zwischen den Kontakten 11 und 12 kann also die Leitfähigkeit der induzierten Inversionsschicht gemessen werden. Nähert sich nun die Zunge 3 dem Kristall, so wird die Feldstärke zwischen Zunge und Kristall erhöht. Das führt zu einer Verstärkung der induzierten Inversionsschicht und damit zu einer Zunahme der Leitfähigkeit zwischen den Kontakten 11 und 12. Der Widerstand zwischen 11 und 12 wird also in Phase mit dem Schalldruck moduliert.
• Statt einer Gleichspannung kann am Kontakt 7 (und damit an der Zunge 3) auch eine hochfrequente Wechselspannung liegen, wodurch die Schallinformation gleich als amplitudenmodulierte Trägerwelle, zwischen Quelle 9 und Senke 10, abgenommen werden kann.
• In F i g. 4 ist eine besondere Form der Zunge 3 und der Anordnung des gesteuerten Kanals 8 in Bezug auf den Befestigungspunkt 5 oder Membran 6 dargestellt. Durch diese Anordnung beträgt die Schwingungsamplitude der Zunge 3 über der Inversionsschicht nur einen Bruchteil der Schwingungsamplitude der Membran 6. Auf diese Weise kann die elektroakustische Kopplung zwischen Schallfeld und Inversionsschicht optimal gestaltet werden. Gleichzeitig ist hier der Abstand zwischen Zunge und Kristall reduziert. Das führt zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung. Natürlich können, falls spezielle Anwendungen dies wünschenswert erscheinen lassen, die Lagen von Kanal 8 und Membranbefestigung 5 auch vertauscht werden, so daß die Amplituden der Zunge 3 über dem Kanal 8 größer sind als die Amplituden der Membran 6.
• Der Widerstand zwischen den Kontakten 11 und 12 kann in weiten Grenzen variiert und damit an weiter folgende elektrische Schaltungen angepaßt werden. Das wird durch die Wahl der Vorspannung der Zunge 3 und durch geometrisch definierte Ausbildung des Kanals 8 zwischen Quelle 9 und Senke 10 erreicht. F i g. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem der Kanal 8 durch geometrische Formgebung eingeengt und damit hochohmig ist. Hierzu ist zusätzlich eine Diffusionsschicht 14 mit hoher p-Dotierung (bei schwach p-dotiertem Kristall 1) vorgesehen. Diese hohe p-Dotierung verhindert die Ausbildung einer Inversionsschicht, so daß nur ein schmaler n-leitender Kanal 8 zwischen den n+-Gebieten 9 und 10 entstehen kann.
• Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung kann beispielsweise folgendermaßen verfahren werden: Der Silizium-Kristall wird oxydiert, und nach der üblichen Planartechnik werden die erforderlichen Gebiete diffundiert und, wenn notwendig, mit aufgedampften Kontakten versehen. Zur Herstellung der Zunge wird die ganze Oberfläche zunächst mit Photolack bedeckt, wobei die Dicke der Photolackschicht dem Abstand der Zunge vom Kristall entspricht. Die weiteren Arbeitsgänge sind dann: Entfernen des Photolacks an der Stelle 4, an der die Zunge auf der Oxidschicht des Si-Plättehens befestigt werden soll; Aufbringen einer ganzflächigen metallischen Schicht, z. B. durch Aufdampfen; Abdecken des Gebietes, das die Zunge ergeben soll, mit Photolack; Abätzen der überschüssigen Metallschicht; Entfernen des Photolacks. Falls nötig, kann die Zunge noch galvanisch verstärkt werden.
• Mit der erfindungsgemäßen Anordnung steht ein elektromechanischer Wandler zur Verfügung, der unter anderem folgende entscheidende Vorteile besitzt: a) Der Ausgangswiderstand der Anordnung ist in weiten Grenzen wählbar und kann somit an die dem Wandler folgende elektrische Schaltung angepaßt werden. Der Ausgangswiderstand ist bestimmt und kann dementsprechend beeinflußt werden durch Länge, Breite, Dicke und Dotierung des Kanals 8 zwischen Quelle 9 und Senke 10 der MOS-Struktur.
• b) Die akustische Anpassung bei Verwendung als Mikrophon kann genau eingestellt werden durch verschiedene Abstände der MOS-Struktur und der Membranbefestigung 5 vom Drehpunkt 4 der beweglichen Zunge.
• c) Das aktive Halbleiterelement besitzt von Haus aus eine hohe Verstärkung, die durch einen kleinen Zwischenraum zwischen Zunge 3 und MOS-Struktur noch erhöht werden kann.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Elektromechanischer Wandler, insbesondere Mikrophon, mit einem durch die mechanische Beanspruchung, insbesondere den Schalldruck gesteuerten Transistor, dessen Steuerelektrode ihren Abstand vom Halbleitergrundkristall des Transistors im Takt und nach Maßgabe der Amplitude der umzuwandelnden mechanischen Schwingungen ändert, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor ein dem MOS-Prinzip entsprechender Unipolartransistor dient und daß die Steuerelektrode relativ zum Grundkristall des Unipolartransistors frei schwingungsfähig angeordnet ist.
2. 2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode als metallisch leitende, in geringem Abstand über dem Grundkristall hängende, bewegliche Zunge ausgebildet ist, die an einer Seite auf der Oxidschicht befestigt ist und an der anderen Seite elektrisch isoliert mit einer schwingungsfähigen Membran mechanisch gekoppelt ist.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Zunge und Kristall zumindest über dem leitfähigen Verbindungskanal zwischen Quelle und Senke der MOS-Struktur sehr klein ist und daß dafür die zwischen festem Ende und bewegtem Ende der Zunge liegende MOS-Struktur nahe am festen Ende liegt, so daß die Schwingungsamplitude der Zunge über der Inversionsschicht des leitfähigen Kanals nur einen Bruchteil der Schwingungsamplitude der Membran beträgt.
4. 4. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Quelle und Senke gemessene Ausgangswiderstand durch die Wahl von Länge, Breite oder Dicke und/oder Dotierung des leitfähigen Verbindungskanals zwischen Quelle und Senke so gewählt ist, daß bezüglich einer vorgegebenen nachfolgenden Schaltung eine optimale elektrische Anpassung besteht.
5. 5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrisch definierte Begrenzung des Kanals zwischen Quelle und Senke durch eine einlegierte oder eindiffundierte Zone hoher Dotierung gegeben ist, die den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist, wie der schwach dotierte Grundkristall.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein beispielsweise aus Silizium bestehender Grundkristall oxydiert wird, in den dann nach der üblichen Planartechnik die erforderlichen Gebiete eindiffundiert und, so weit notwendig, mit aufgedampften Kontakten versehen werden, daß zur Herstellung der Zunge die ganze Oberfläche mit Photolack versehen wird, wobei die Dicke der Photolackschicht dem Abstand der Zunge vom Kristall entspricht, daß nach Entfernen des Photolacks an der Stelle an der Zunge auf der Oxidschicht befestigt werden soll, eine ganzflächige metallische Schicht aufgebracht wird, z. B. durch Aufdampfen, daß ferner nach Abdecken des Gebiets mit Photolack, das die Zunge geben soll, die überschüssige Metallschicht abgeätzt und danach der restliche Photolack entfernt wird und daß letztlich, falls erforderlich, die Zunge noch galvanisch verstärkt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1197 510.