DE1232619B

DE1232619B - Semiconductor microphone with a pressure-sensitive semiconductor device

Info

Publication number: DE1232619B
Application number: DE1965S0095603
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Wolfgang Touchy
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1965-02-23
Filing date: 1965-02-23
Publication date: 1967-01-19

Description

Halbleitermikrofon mit einer druckempfindlichen Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermikrofon mit einer aus Silicium bestehenden druckempfindlichen Halbleiteranordnung, die wenigstens einen dicht unter der Oberfläche liegenden flächenhaften pn-übergang aufweist und bei der eine aus einem harten Material wie z. B. Saphir, Diamant, Stahl od. dgl. bestehende, z. B. einen etwa 25-#tm-Durchmesser aufweisende Spitze mit abhängig von den mechanischen Schwingungen einer Mikrofonmembran veränderbarern Auflagedruck- auf dieser Oberfläche aufsitzt.Semiconductor microphone with a pressure-sensitive semiconductor device The invention relates to a semiconductor microphone with one made of silicon pressure sensitive semiconductor device having at least one closely below the surface has lying planar pn junction and one of which is made of a hard material such as B. sapphire, diamond, steel or the like. Existing, z. B. about 25 # tm in diameter having tip with depending on the mechanical vibrations of a microphone diaphragm changeable contact pressure- rests on this surface.

Es ist bereits bekannt, die Druckempfindlichkeit von Transistoren für Mikrofone, Schwingungsmesser, Beschleunigungsmesser u. dgl. auszunutzen. Bei einem bekannten Transistor sitzt die Spitze aus Saphir, mit der der veränderliche Druck ausgeübt wird, auf der Emitterzone eines eine diffundierte Basis aufweisenden Transistors auf und ist mit einer Membran verbunden, die durch Schallwellen erregt wird. Die Druckänderung, die bei Erregung der Membran erfolgt, hat eine Änderung des Kollektorstroms zur Folge. Der Wirkungsgrad derartiger Systeme ist bis zu hundertmal höher als der eines Kohlemikrofons.It is already known the pressure sensitivity of transistors for microphones, vibration meters, accelerometers and the like. at a well-known transistor is the tip of sapphire, with that of the changeable Pressure is applied on the emitter region of a diffused base having Transistor and is connected to a membrane that is excited by sound waves will. The change in pressure that occurs when the diaphragm is energized has a change the collector current result. The efficiency of such systems is up to a hundred times higher than that of a carbon microphone.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Halbleitennikrofon das druckernpfindliche System bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere den Betriebsbedingungen als Fernsprechraikrofon, optimal anzupassen.The object of the present invention is, in a semiconductor microphone the printer-sensitive system certain operating conditions, in particular the operating conditions as a telephone microphone, to be optimally adapted.

Demgemäß wird ein Halbleiterinikrofon vorgeschlagen, bei dem die einen Radius von wenigstens 10 Rm und höchstens 100 #tru. aufweisende Spitze unter Vordruck gehalten und die den Vordruck bewirkende Kraft entsprechend dem Spitzenradius zwischen 5 und 500 p derart angepaßt ist, daß die Flächenpressung kleiner als 1000 kp/mm.2 bleibt.Accordingly, a semiconductor microphone is proposed in which the radius of at least 10 Rm and at most 100 #tru. having the tip kept under pre-pressure and the force causing the pre-pressure is adjusted according to the tip radius between 5 and 500 p such that the surface pressure remains less than 1000 kp / mm.2.

Beim Zusammenbau eines Halbleitermikrofons, das aus dem Halbleitersystem, einer Spitze und einer Membran besteht, ist von vornherein eine Mindestbelastung der Spitze von 5 p notwendig, die hauptsächlich ein Abheben der Spitze verhindern soll. In der gleichen Größenordnung liegen die Kräfte, die beim Stoß oder ähnlichen plötzlichen Beschleunigungen durch die Masse der Spitze erzeugt werden. Da die Halbleiteroberfläche und auch das Kristallvolumen beschädigt werden, wenn der von der Spitze er-zeugte Maximaldruck 1000 kp/MM2 überschreitet, und da dieser Maximaldruck bei gegebener Belastung nur noch vom Spitzenradius abhängig ist, ergibt sich ein Mindestspitzenradius von 10 [tm. Durch die die Membran erregenden Schallwellen, z. B. beim Sprechen an Fernsprechapparaten, wird eine Wechsellast von etwa 0,1 p erzeugt, die auf die Druckspitze übertraaen wird und von Spitzen mit kleinerem Radius in eine größere Druckschwankung umgesetzt wird als von Spitzen mit großem Radius. Um durch eine Wechsellast von etwa 0,1 p noch ausreichende, d.h. meßbare Druckschwankungen zu erzeugen, ist für den Spitzenradius eine obere Grenze von 100 [trn gesetzt. Um bei diesem Spitzenradius zu gewährleisten, daß die Halbleiteroberfläche nicht zerstört wird, darf die maximale Belastung der Spitze bei diesem Radius 500 p nicht überschreiten.When assembling a semiconductor microphone, which consists of the semiconductor system, a tip and a membrane, a minimum load of 5 p on the tip is necessary from the outset, which is mainly intended to prevent the tip from lifting off. The forces generated by the mass of the tip during impact or similar sudden accelerations are of the same order of magnitude. Since the semiconductor surface and also the crystal volume are damaged if the maximum pressure generated by the tip exceeds 1000 kp / MM2, and since this maximum pressure only depends on the tip radius at a given load, the result is a minimum tip radius of 10 [tm. Through the sound waves exciting the membrane, e.g. B. when speaking on telephone sets, an alternating load of about 0.1 p is generated, which is transferred to the pressure peak and is converted into a larger pressure fluctuation by tips with a smaller radius than by tips with a large radius. In order to generate sufficient, ie measurable, pressure fluctuations through an alternating load of about 0.1 p , an upper limit of 100 [trn is set for the tip radius. In order to ensure that the semiconductor surface is not destroyed at this tip radius, the maximum load on the tip at this radius must not exceed 500 p.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Halbleiteranordnung nur einen dicht unter der Oberfläche liegenden pn-übergang auf, der in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die druckempfindliche Halbleiteranordnung ist also als Diode ausgebildet. Eine Änderung des durch die Spitze ausgeübten Auflagedrucks hat eine Änderung des über den pn-übergang fließenden Sperrstroms zur Folge. Die durch die Schwingungen der Membran hervorgerufenen Druckschwankungen werden also in Stromschwankungen und damit in Spannungsschwankungen umgesetzt. Dabei ist die durch den Druck hervorgerufene Änderung des über den pn-Übergang fließenden Stromes nicht für jeden Stromwert gleich groß. Durch einen mechanischen Vordruck, dem sich der veränderliche Druck überla'gert, kann erreicht werden, daß auch bei sehr kleinen veränderlichen Drücken die Druckänderung nur in einem Bereich erfolgt, in dem eine hohe Druckempfindlichkeit vorhanden ist. Dieser Vordruck soll bei einem Spitzenradius von 10 gra höchstens 5 p und bei einem Spitzenradius von 100 #tru. maximal 500 p betragen.According to one embodiment of the invention, the semiconductor arrangement has only one pn junction which is located just below the surface and which is biased in the reverse direction. The pressure-sensitive semiconductor device is therefore designed as a diode. A change in the contact pressure exerted by the tip results in a change in the reverse current flowing through the pn junction. The pressure fluctuations caused by the vibrations of the membrane are converted into current fluctuations and thus into voltage fluctuations. The change in the current flowing through the pn junction caused by the pressure is not the same for every current value. By means of a mechanical pre-pressure on which the variable pressure is superimposed, it can be achieved that, even with very small variable pressures, the pressure change takes place only in an area in which there is a high pressure sensitivity. With a tip radius of 10 gra, this form should not exceed 5 p and with a tip radius of 100 #tru. be a maximum of 500 p .

In der F i g. 1 ist die Abhängigkeit des maximalen Vordrucks vom jeweiligen Spitzenradius angegeben, wie er sich aus den bekannten Formeln für die Hertzsche Pressung ergibt. Dabei ist als Ordinate die mit p' bezeichnete Flächenpressung in t/mm2 aufgetragen und als Abszisse der mit P bezeichnete Vordruck in Pond. Die eingezeichneten Geraden g, h, i, k entsprechen einem Spitzenradius R von 10 [t, 20 it, 50 #t und 100 it. Der Schnittpunkt der Geraden mit der gestrichelt gezeichneten Linie m, die einer Flächenpressung von 1 t/MM2 entspricht, gibt auf der Abszisse den für diesen Spitzenradius maximal möglichen Vordruck an.In FIG. 1 shows the dependence of the maximum admission pressure on the respective tip radius, as it results from the known formulas for the Hertzian pressure. The surface pressure in t / mm2 denoted by p 'is plotted as the ordinate and the pre-pressure in Pond denoted by P is plotted as the abscissa. The drawn straight lines g, h, i, k correspond to a tip radius R of 10 [t, 20 it, 50 #t and 100 it. The intersection of the straight line with the dashed line m, which corresponds to a surface pressure of 1 t / MM2, indicates the maximum possible pre-pressure for this tip radius on the abscissa.

Die gleichen überlegungen gelten auch, wenn ein weiterer pn-übergang vorgesehen ist und die aus drei Zonen abwechselnd verschiedenen Leitungstyps bestehende druckempfindliche Halbleiteranordnung als Transistor geschaltet ist. Durch den weiteren pnübergang werden die Stromschwankungen verstärkt.The same considerations also apply when there is another pn junction is provided and which consists of three zones of alternately different line types pressure-sensitive semiconductor device is connected as a transistor. Through the further pn junction, the current fluctuations are increased.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, daß ein weiterer pn-übergang vorgesehen ist und von den drei Zonen abwechselnd verschiedenen Leitungstyps nur die beiden Außenzonen mit elektrischen Anschlüssen versehen sind. Bei einer derartigen Anordnung wird die Emission von Ladungsträgem von der Zone, auf der die Druckspitze aufsitzt, in die benachbarte Mittelzone dadurch erreicht, daß vor Ausübung des Auflagedrucks zwischen der ersten als Emitter wirksamen Zone und der Außenzone, die als Kollektor wirksam ist, eine Spannung angelegt wird, die so groß ist, daß sie die Emission der Ladungsträger bewirkt. Es wird also der Kollektorstrom der Anordnung in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung gemessen. Wenn der Wert des Kollektorrückstromes größer ist als der des Sperrstromes, was dann besonders gut erreicht ist, wenn die Rekombination in der mittleren Basiszone gering ist und wenn sich die zwischen Emitter- und Kollektorzone ausbildenden Raumladungszonen genähert haben, sich aber noch nicht berühren, ist die für den Betrieb notwendige Spannung erreicht. Nun kann der Kollektorstrom durch den veränderlichen Druck der Spitze gesteuert werden.According to another embodiment of the invention, it is also possible that a further pn junction is provided and alternately different from the three zones Line type, only the two outer zones are provided with electrical connections. With such an arrangement, the emission of charge carriers from the zone on which the pressure peak rests, reaches the adjacent central zone by that before the application of the contact pressure between the first effective as an emitter zone and a voltage is applied to the outer zone, which acts as a collector, which is so great that it causes the emission of charge carriers. So it becomes the collector current the arrangement depending on the applied voltage. If the value of the collector reverse current is greater than that of the reverse current, which is special is well achieved when the recombination in the central base zone is low and when the space charge zones formed between the emitter and collector zones have approached, but not yet touch, is the one necessary for operation Tension reached. Now the collector current can be controlled by the variable pressure of the Tip can be controlled.

Auch bei derartigen, eine Emitter-, eine Basis- und eine Kollektorzone aufweisenden Halbleiteranordnungen besteht eine Abhängigkeit der Druckempfindlichkeit vom Kollektorstrom. Beim Betrieb einer derartigen druckempfindlichen Halbleiteranordnung wird daher ebenfalls der Arbeitspunkt der Anordnung abhängig vom Kollektorstrom durch Ausübung eines Vordrucks auf die auf der Emitterzone aufsitzende Spitze eingestellt, und diesem Vordruck wird der veränderliche Auflagedruck überlagert. Dadurch wird erreicht, daß auch bei sehr kleinen veränderlichen Drücken die Druckänderung nur in einem Bereich erfolgt, in dem eine durch den steilen Gradienten der Kollektorstrom-Druckkurve bedingte hohe Druckempfindlichkeit vorhanden ist.Even with such, an emitter, a base and a collector zone Having semiconductor arrangements there is a dependency of the pressure sensitivity from the collector current. In the operation of such a pressure-sensitive semiconductor device therefore the operating point of the arrangement is also dependent on the collector current adjusted by exerting a pre-pressure on the tip resting on the emitter zone, and the variable contact pressure is superimposed on this form. This will achieves that even with very small variable pressures the pressure change only takes place in a range in which one is caused by the steep gradient of the collector current pressure curve conditional high pressure sensitivity is present.

Weiter soll bei der gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Halbleiteranordnung der Abstand des dicht unter der Oberfläche liegenden pn-übergangs von dieser Oberfläche 0,5 bis 1.,5 #tra betragen. Die Lage des pn-übergangs wird durch die Abnahme des erzeugten Druckes mit der Tiefe unter der Oberfläche, die bei kleinen Spitzenradien wieder besonders groß ist, bestimmt. Wenn bei einem Spitzenradius von 10 [tra der erzeugte Druck nicht weniger als 60 % des Druckes, der auf die Oberfläche ausgeübt wird, betragen soll, so darf der pn-übergang, der unter der Oberfläche liegt, auf die der Druck ausgeübt wird, nicht mehr als 1,5 jim unter dieser Oberfläche liegen. Andererseits darf die Tiefe des pn-Übergangs die freie Weglänge der Ladungsträger nicht unterschreiten. Auch sollte der Ausbreitungswiderstand auf der Bahn zwischen pn-übergang und Ohmschen Kontakt, der an der Zone, auf die der Druck ausgeübt wird, angebracht ist, nicht zu groß sein, so daß die Lage des dicht unter der Oberfläche liegenden pn-Übergangs zwischen 0,5 und 1,5 [tra unter der Oberfläche festgelegt ist.Further, in the proposed according to the invention the semiconductor device, the distance of the dense subsurface pn junction of this surface from 0.5 to 1, 5 to be #tra. The position of the pn junction is determined by the decrease in the pressure generated with the depth below the surface, which is again particularly large with small tip radii. If, with a tip radius of 10 [tra], the pressure generated should not be less than 60 % of the pressure exerted on the surface, the pn junction that lies below the surface on which the pressure is exerted must not be more than 1.5 jim below this surface. On the other hand, the depth of the pn junction must not be less than the free path of the charge carriers. Also, the resistance to expansion on the path between the pn junction and the ohmic contact, which is attached to the zone on which the pressure is exerted, should not be too great, so that the position of the pn junction lying just below the surface should be between 0 , 5 and 1.5 [tra is set below the surface.

Wie bereits ausgeführt wurde, dient ein weiterer pn-übergang im wesentlichen zur Verstärkung der Stromschwankungen. Optimale Verstärkung erhält man durch geringen Abstand zwischen dem dicht unter der Oberfläche liegenden und dem weiteren pnübergang und durch relativ hohen spezifischen Widerstand in dem zwischen den beiden pn-übergängen liegenden, als Basiszone bezeichneten Gebiet. Beides wird erfüllt, wenn, wie dies gemäß der Erfindung weiter vorgeschlagen wird, die Abstände dieser beiden pn-Übergänge zwischen 0,1 und 1,0 jim liegen.As has already been stated, a further pn junction essentially serves to amplify the current fluctuations. Optimal amplification is obtained by the small distance between the pn junction located just below the surface and the further pn junction and by a relatively high specific resistance in the area called the base zone between the two pn junctions. Both are met if, as is further proposed according to the invention, the distances between these two pn junctions are between 0.1 and 1.0 μm.

Diese Werte für den Abstand der beiden pn-übergänge gelten vor allem dann, wenn die einzelnen Zonen durch Diffusion, also z. B. nach der an sich bekannten Planartechnik oder durch Epitaxieverfahren hergestellt sind. Es ist jedoch auch möglich, eine Halbleiteranordnung, wie sie gemäß der Erfindung in Halbleitermikrofonen verwendet werden soll, durch Legieren herzustellen. Da beim Legieren niedrigere Temperaturen angewendet werden, nimmt die Lebensdauer der Ladungsträger nicht so stark ab, wie dies beim Diffusionsvorgang der Fall ist. Sind daher die beiden pn-übergänge durch Einlegieren eines Dotierungsmetalls in einen Halbleiterkörper hergestellt, so kann der Abstand der beiden pn-übergänge auch bis zu 50,u betragen.These values for the distance between the two pn junctions apply above all when the individual zones by diffusion, so z. B. after the known per se Planar technology or by epitaxial processes are produced. However, it is too possible, a semiconductor device as it is according to the invention in semiconductor microphones to be used to manufacture by alloying. Since when alloying lower Temperatures are applied, the life of the charge carrier does not decrease so strongly, as is the case with the diffusion process. Are therefore the two pn junctions produced by alloying a doping metal into a semiconductor body, so the distance between the two pn junctions can also be up to 50 u.

Untersuchungen haben gezeigt, daß sich bei einem in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang die optimale Druckempfindlichkeit dann ergibt, wenn er in einem elektrischen Spannungsbereich zwischen 50 und 100% der Zenerdurchbruchsspannung des pnübergangs betrieben wird. Gemäß der Erfindung wird daher die Dotierungsdichte in derjenigen der an den dicht unter der Oberfläche liegenden bzw. an den in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang angrenzenden halbleitenden Zone, die die größere Dotierungsdichte aufweist, so gewählt, daß die im Betrieb am pn-übergang anliegende Sperrspannung 50 bis 100% der Zenerdurchbrachsspannung dieses pnübergangs beträgt.Investigations have shown that with a reverse-biased pn junction, the optimum pressure sensitivity results when it is operated in an electrical voltage range between 50 and 100% of the Zener breakdown voltage of the pn junction. According to the invention, the doping density in that of the semiconducting zone lying just below the surface or adjacent to the reverse biased pn junction, which has the greater doping density, is selected so that the reverse voltage applied to the pn junction during operation 50 to 100% of the Zener breakdown voltage of this pn junction is.

Bei der speziellen Anwendung des Halbleitennikrofons gemäß der Erfindung als Fernsprechmikrofon ergeben sich im ungünstigsten Falle Spannungsschwankungen von 5 bis 100 V. Um zu gewährleisten, daß das Halbleiterinikrofon bei diesen Spannungen funktionsfähig bleibt, d. h. die notwendige Druckempfindlichkeit aufweist, ergibt sich als Bedingung für die Störstellenkonzentration in der höher dotierten Zone ein Wert von 10111 bis 5 - 1015 Atomen je Kubikzentimeter. Im allgemeinen geht man von einem Grundmaterial aus, das diese Störstellendichte aufweist, und stellt dann durch Eindiffusion den dicht unter der Oberfläche, auf die der Druck ausgeübt wird, liegenden pn-übergang her. Bei einer Halbleiteranordnung, die drei Zonen abwechselnd verschiedenen Leitungstyps aufweist, wird von einem Grundmaterial ausgegangen, das die den Zenerdurchbruch bestimmende Störstellenkonzentration aufweist, und durch Diffusion zweier den entgegensetzten Leitungstyp erzeugender Dotierungsstoffe in diesem Grundmaterial ein dicht unter der Oberfläche liegender und ein weiterer pn-übergang erzeugt.In the special application of the semiconductor microphone according to the invention as a telephone microphone, voltage fluctuations of 5 to 100 V arise in the worst case. H. has the necessary pressure sensitivity, the condition for the impurity concentration in the more highly doped zone is a value of 10111 to 5-1015 atoms per cubic centimeter. In general, one starts from a base material that has this density of impurities and then creates the pn junction, which lies just below the surface on which the pressure is exerted, by diffusion. In the case of a semiconductor arrangement that has three zones of alternately different conductivity types, a base material is assumed that has the impurity concentration that determines the Zener breakdown, and by diffusion of two dopants producing the opposite conductivity type in this base material, a pn junction located just below the surface and another pn junction generated.

Der Zenerdurchbruch des pn-Übergangs kann auch durch einen Vordruck beeinflußt werden. Dies ergibt sich daraus, daß durch den Druck eine Verringerung des Bandabstandes erfolgt und damit der Zenerdurchbruch schon bei geringeren Stromstärken erreicht wird.The Zener breakdown of the pn junction can also be achieved by a form to be influenced. This is because the pressure causes a decrease of the band gap takes place and thus the Zener breakthrough even at lower currents is achieved.

Zur Veranschaulichung dienen die in F i g. 2 dargestellten Kurven. In dieser Figur ist als Ordinate der Sperrstrom und als Abszisse die am pn-übergang anliegende Sperrspannung aufgetragen. Wie man diesen Kurven entnehmen kann, tritt bei einem bestimmten Wert der Sperrspannung, die etwa 50 1/o des Zenerdurchbruchs entspricht, eine druckabhängige Aufspaltung der Stromspannungscharakteristik des pnübergangs auf. Dabei gibt die mit a bezeichnete Kurve den Verlauf der Stromspannungscharakteristik ohne Vordruck an, während die Kurven b, c und d einem wachsenden Vordruck entsprechen. Die gestrichelt gezeichnete Gerade e gibt den Zenerdurchbruch des pn-übergangs an. Weiter kann durch einen Vordruck auch die vom Druckelement abgegebene Leistung geregelt werden. Der Vordruck ist dabei entsprechend dem gewählten Spitzenradius durch 5 bzw. 500 p nach oben begrenzt.The illustration in FIG. 2 curves shown. In this figure, the reverse current is plotted as the ordinate and the reverse voltage applied to the pn junction is plotted as the abscissa. As can be seen from these curves, at a certain value of the reverse voltage, which corresponds to about 50 1 / o of the Zener breakdown, a pressure-dependent splitting of the voltage characteristic of the pn junction occurs. The curve denoted by a indicates the course of the voltage characteristic without pre-pressure, while curves b, c and d correspond to a growing pre-pressure. The dashed line e indicates the Zener breakthrough of the pn junction. The power output by the pressure element can also be regulated by means of a pre-pressure. The upstream pressure is limited by 5 or 500 p , depending on the selected tip radius.

Um bei Anordnunaen mit drei hintereinanderliegenden Zonen abwechselnd verschiedenen Leitungstyps eine hohe Verstärkung durch hohe Emission von Majoritätsträgern zu erzielen, ist es weiter zweckmäßig und wird erfindung emäß vorgeschlagen, daß esg die Dotierungsdichte in der an den weiteren pn-übergang anschließenden Außenzone größer oder höchstens gleich der Dotierungsdichte in der Zone ist, auf der die Spitze aufsitzt. Werden die beiden pn-übergänge z. B. durch Diffusion hergestellt, so ist durch die Diffusionstechnik zwangsläufig die oberste Schicht von hoher Leitfähigkeit bzw. geringem spezifischem Widerstand. Bei Silicium liegt der spezifische Widerstand einer derartigen Diffusionsschicht zwischen 5,0 und 0,01 Ohm - cm. Das Siliciumgrundmaterial, in dem durch Eindiffusion die beiden pn-übergänge erzeugt werden und das dann eine Außenzone der Anordnung, nämlich die, auf die im Betrieb kein Druck ausgeübt wird, bildet, sollte dieselbe oder noch größere Leitfähigkeit haben als die oberste durch Diffusion hergestellte Schicht, auf der die Druckspitze aufsitzt. Der angegebene Wert für den spezifischen Widerstand von 5,0 bis 0,01 Ohm - cm entspricht dabei bei Silicium einer Störstellenkonzentration von 5 - 1018 bis 1,0 - 1015 Atomen je Kubikzentimeter. Damit ist gewährleistet, daß der in Sperrichtung als Kollektor wirksame pn-übergang bei einer Anordnung mit drei hintereinanderliegenden Zonen eine Zenerdurchbruchsspannung aufweist, die in dem oben abgegebenen, für eine optimale Druckempfindlichkeit besonders günstigen Bereich liegt.In order to achieve a high gain through high emission of majority carriers in arrangements with three consecutive zones of alternately different conduction types, it is further expedient and is proposed according to the invention that the doping density in the outer zone adjoining the further pn junction is greater than or at most equal to Doping density is in the zone on which the tip rests. If the two pn junctions are z. B. produced by diffusion, the diffusion technique inevitably results in the top layer of high conductivity or low specific resistance. In the case of silicon, the resistivity of such a diffusion layer is between 5.0 and 0.01 ohm - cm. The silicon base material, in which the two pn junctions are produced by diffusion and which then forms an outer zone of the arrangement, namely the one on which no pressure is exerted during operation, should have the same or even greater conductivity than the top layer produced by diffusion on which the pressure tip rests. The specified value for the specific resistance of 5.0 to 0.01 ohm - cm corresponds to an impurity concentration of 5-1018 to 1.0-1015 atoms per cubic centimeter in the case of silicon. This ensures that the pn junction which acts as a collector in the reverse direction has a Zener breakdown voltage in the case of an arrangement with three zones lying one behind the other, which is in the range given above, which is particularly favorable for optimum pressure sensitivity.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden noch an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele erläutert.The present invention will hereinafter be described more particularly with reference to some Expedient embodiments explained.

In der F i g. 3 ist ein Halbleiterinikrofon mit seinen wesentlichen Bestandteilen dargestellt. Auf einer metallischen Grundplatte 10, die gleichzeitig als Anschlußelektrode dient, ist der Halbleiterkörper 12, 1 z. B. ein n-leitender Siliciumkristall, befestigt, der eine p-leitende Zone 13 und damit einen pn-übergang aufweist. Der pn-Übergang ist in dem Bereich, in dem er an die Halbleiteroberfläche tritt, von einer Oxidschicht 14 bedeckt. Auf dieser Oxidschicht ist eine Metallschicht 15 als Kontaktschicht angebracht, die mit einer Zuleitung 11, die durch die Metallplatte 10 isoliert hindurchgeführt ist und die p-leitende Zone 13 kontaktiert, versehen ist. Auf der p-leitenden Zone 13 sitzt die Druckspitze 17 auf. Sie ist mit einer Feder 6 verbunden, die an der Stelle 9 fest eingespannt ist. Diese Feder dient einerseits zur Einstellung des nötigen Vordrucks. Diese Einstellung kann mittels der Schraube 8 vorgenommen werden. Die von den Schallwellen erregte Membran 1 ist an den Stellen 2 und 3 fest eingespannt. Die Membran ist mit der Feder 6 durch einen Stift 4 starr verbunden und dient zur übertragung der im Rhythmus der Schallschwingungen veränderlichen Belastung einer Saphirnadel 7, die auf die Halbleiteroberfläche bzw. auf den pn-Übergang drückt. Der Metallboden 10 stellt im allgemeinen den Boden eines Gehäuses dar und ist über entsprechende Seitenwände mit der Membran 1 verbunden.In FIG. 3 shows a semiconductor microphone with its essential components. On a metallic base plate 10, which also serves as a connection electrode, the semiconductor body 12, 1 is z. B. an n-conductive silicon crystal attached, which has a p-conductive zone 13 and thus a pn junction. The pn junction is covered by an oxide layer 14 in the area in which it comes to the semiconductor surface. On this oxide layer, a metal layer 15 is applied as a contact layer, which is provided with a lead 11, which is passed through the metal plate 10 and makes contact with the p-conductive zone 13 . The pressure tip 17 rests on the p-conductive zone 13 . It is connected to a spring 6 which is firmly clamped at point 9. On the one hand, this spring is used to set the required pre-pressure. This setting can be made using the screw 8 . The membrane 1 excited by the sound waves is firmly clamped at points 2 and 3. The membrane is rigidly connected to the spring 6 by a pin 4 and is used to transmit the load on a sapphire needle 7, which changes in the rhythm of the sound vibrations and presses on the semiconductor surface or on the pn junction. The metal base 10 generally represents the base of a housing and is connected to the membrane 1 via corresponding side walls.

An Stelle der in der F i g. 3 dargestellten Halbleiteranordnung kann z. B. auch eine in der F i g. 4 dargestellte Halbleiteranordnung verwendet werden. Die in der F i g. 4 dargestellte Halbleiteranordnung besteht aus einem Halbleiterkörper 16, z. B. aus n-leitendem Silicium, in dem insbesondere durch Diffusion nach der Planartechnik eine p-leitende Zone 17 und eine z. B. als Kollektor wirksame n-leitende Basiszone 18 erzeugt sind. Der Halbleiterkörper 18 bildet z. B. die Emitterzone. Die pn-übergänge sind an der Oberfläche wiederum mit einer Oxidschicht 19 bedeckt, und zur Kontaktierung dient eine Metallschicht 20, die auf der Oxidschicht 19 aufgebracht ist. Die Spitze 21 sitzt auf der n-leitenden Schicht 18 auf. Bei dieser Ausführungsform ist also ein weiterer pn-übergang, der verstärkend für die Druckschwankungen wirkt, vorgesehen. Dabei sind nur die beiden Außenzonen mittels eines Anschlusses 22 und dem Metallboden 10 kontaktiert.Instead of the in FIG. 3 illustrated semiconductor device can, for. B. also one in FIG. 4 shown semiconductor arrangement can be used. The in the F i g. 4 shown semiconductor arrangement consists of a semiconductor body 16, for. B. made of n-conductive silicon, in which a p-conductive zone 17 and a z. B. effective as a collector n-conductive base zone 18 are generated. The semiconductor body 18 forms z. B. the emitter zone. The pn junctions are in turn covered on the surface with an oxide layer 19 , and a metal layer 20, which is applied to the oxide layer 19 , is used for contacting. The tip 21 rests on the n-conductive layer 18 . In this embodiment, a further pn junction, which has a reinforcing effect on the pressure fluctuations, is provided. In this case, only the two outer zones are contacted by means of a connection 22 and the metal base 10.

Claims

Claims: 1. Semiconductor microphone with a pressure-sensitive semiconductor arrangement made of silicon, which has at least one pn junction located just below the surface and in which one is made of a hard material such as, for. B. sapphire, diamond, steel or the like. Existing, z. B. a tip having a diameter of about 25 gm with a contact pressure that can be changed depending on the mechanical vibrations of a microphone diaphragm rests on this surface, characterized in that the tip, which has a radius of at least 10 #tra and at most 100 #trn, is kept under pre-pressure and the The force causing the pre-pressure is adjusted according to the tip radius between 5 p and 5C0 p in such a way that the surface pressure,:, remains less than 1000 kp / mm2.

2. Semiconductor microphone according to claim 1, characterized in that only one pn junction is provided which is located just below the surface and which is biased in the reverse direction. 3. Semiconductor microphone according to claim 1, characterized in that a further pn junction is provided and the semiconductor arrangement consisting of three zones of alternately different conduction types is connected as a transistor. 4. Semiconductor microphone according to claim 1, characterized in that a further pn junction is provided and of the three zones of alternately different line types only the two outer zones are provided with electrical connections. 5. Semiconductor microphone according to one of claims 1 to 4, characterized in that the distance between the pn junction lying just below the surface and this surface is 0.5 to 1.5 [tm. 6. Semiconductor microphone according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the two pn junctions is 0.1 to 1 #tm. 7. Semiconductor microphone according to one of claims 1 to 6, characterized in that the doping density is that of the semiconducting zones adjacent to the pn junction located just below the surface or to the pn junction biased in the reverse direction, which has the greater doping density, is chosen so that the reverse voltage applied to the pn junction during operation is 50 to 100% of the Zener breakdown voltage of this pn junction. 8. The semiconductor microphone as claimed in claim 7, characterized in that the impurity concentration in the zone of larger doping density is 5 - 1018 to 1.0 - is 1015 atoms per cubic centimeter. 9. Semiconductor microphone according to one of claims 1 to 8, characterized in that the outer zone adjoining the further pn junction has the greater doping density than the adjacent central zone and that the doping density in this outer zone is greater than or at most equal to the doping density on which the Tip rests. References considered: U.S. Patent Nos. 2,632,062, 2,522,521.