Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

1 Halvlederfysikk. Utdrag fra: Kompendium i Sensorteori.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "1 Halvlederfysikk. Utdrag fra: Kompendium i Sensorteori."— Utskrift av presentasjonen:

1 1 Halvlederfysikk. Utdrag fra: Kompendium i Sensorteori

2 2 Hvordan ser en krystall ut i mikrokosmos? Atomene i krystallen er i bevegelse! Figur 2-7 Gitterstruktur Kap 2.5

3 3 Elektronenergier i gitteret Forbudt område, energigap Kap 2.5 Figur 2-8

4 4 Energiskjema for ledere, halvledere og isolatorer Ser på de to øverste båndene: Ledningsbåndet og valensbåndet Figur 2-9 Kap 2.5

5 5 Kald krystall (silisium), isolator (ingen bevegelige elektroner):(silisium), Romtemperatur, dårlig leder = halvleder (silisium): Kap 2.5.1

6 6 DOPING: Tilsetting av fremmedatomer som ligner silisium og som kan gå inn i et Si-gitter. To typer doping: Kap 2.5.1

7 7 n - doping Si: Fremmedatom: Dette gir n – materiale med elektroner som ladningsbærere. Det 5. elektronet blir ”til overs”, og driver rundt i krystallen: Figur 2-10 Kap 2.5.1

8 8 Tilsetting av fremmedatom med 5 elektroner i ytterste skall:fremmedatom med 5 elektroner Figur 2-11 Kap 2.5.1

9 9 p - doping Dette gir p – materiale med hull som ladningsbærere. Det manglende elektronet er en ledig plass (hull),som driver rundt i krystallen: Ledig plass for elektroner (hull) Figur 2-12 Kap 2.5.1

10 10 Tilsetting av fremmedatom med 3 elektroner i ytterste skall:fremmedatom med 3 elektroner Figur 2-13 Kap 2.5.1

11 11 Hullstrøm: 1) 2) 3) Elektronhopp mot venstre betyr at hullet går mot høyre. Hullet har positiv ladning, fordi et elektron mangler. Tid Kap 2.5.1

12 Strøm i dopede halvledere: n-materiale: Elektroner vandrer mot venstre (”5.te elektroner”), elektronstrøm. p-materiale: Hull vandrer mot høyre, hullstrøm. Animasjoner:Elektronstrøm og hullstrøm. Kap 2.5.1

13 13 Energi Valensbånd Ledningsbånd Kap Oppsummering: Strøm i krystallen: Hullstrøm Strøm i krystallen: Elektronstrøm

14 14 p – n overgangen, grunnlaget for all moderne elektronikk p - materialen - materiale Inngår i: Dioder, transistorer, sensorer mm Fra Kap og resten av kompendiet omhandler: Figur 2-15 Kap 2.5.2

15 15 Figur 2-16 Når en p - krystall og en n – krystall føyes sammen, dannes et sjikt av ioner med positiv og negativ ladning. Kalles et sperresjikt. Sammenlign kondensator: E pn pn F F Elektronvandring Kap 2.5.2

16 16 Sjiktet kalles sperresjikt fordi det hindres partikler med ”feil” ladning å komme over på motsatt side. Figur 2-17: Positive hull utsettes for elektrisk kraft med feltet. Negative elektroner utsettes for elektrisk kraft mot feltet. Kap 2.5.2

17 17 Diode i sperreretning: Det finnes ikke ladningsbærere med ”korrekt” fortegn. Batteriet bare forsterker virkningen av sperresjiktet. Batteriladningene trekker samme vei som sperresjiktet. Resultat: Ingen strøm gjennom krystallen. Figur 2-18 Animasjon: Sperreretning Kap 2.5.2

18 18 Diode i lederetning: Batteriet svekker/oppveier virkningen av sperresjiktet. Batteriladningene og sperresjiktet trekker nå ladningene i hver sin retning. Resultat: Strøm gjennom krystallen. E p n Figur 2-19 Animasjon: Lederetning Lederetning Kap 2.5.2

19 19 Halvledere som sensor. Hva skjer når en halvleder bestråles? Kap Figur 2-20

20 20 hf Resultat: Bestråling: Fotoner treffer elektroner i silisiumkrystallen. Elektroner slåes ut (fotoelektrisk effekt) dersom fotonet har nok energi. Det skapes elektron-hull par. (To par på tegningen). Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor) Kap 2.6.1

21 halvleder lys strøm Ingen strøm Energi Ledningsbånd Valensbånd hf  E = 1.12 eV Kan du forklare at lysintensiteten bestemmer strømmens størrelse? Kap Figur 2-21

22 22 Energi  E = 1.12 eV Regneeksempel: Kan alle bølgelengder slå ut elektroner? Konklusjon: Bølgelengder kortere enn 1110 nm slår ut elektroner, lengre bølgelengder har ingen effekt nm er IR stråling. Kap 2.6.2

23 23 Eksempel: Germaniumlinser Germanium er en halvleder der bølgelengder som er kortere enn 1.9 mikrometer slår elektroner ut av valensbåndet. Linsene ser helt svarte ut og vanlig lys går ikke igjennom. Forklar! Linsene benyttes for å ta IR bilder (termisk kamera) i bølgelengdeområdet 2 – 12 mikrometer. Forklar! Kap 2.6.2

24 24 Elektron-hull par Foton mot krystall Elektron-hull par h f Kap Figur 2-22 Fotodioden

25 25 Det leveres strøm til denne enheten (Motor, batteri som lades opp og lignende) Fotodioden/solcelle Det elektriske feltet i sperresjiktet drar elektroner og hull i hver sin retning slik at ladningene blir atskilt. h f Kap Figur

26 26 Hva er et digitalt bilde? Et digitalt bilde er et bilde gjort om til en matrise av tall. Lysskala: Svart grått hvitt Kap 2.6.4Billeddannende sensor, CCD (Charge coupled device)

27 27 Objekt Sensoren plasseres i bilde- planet linse Hvert element (pixel) i matrisen er en sensor som registrerer lysmengden (antall fotoner) som treffer. Hva betyr antall pixler for bildets kvalitet? I dette eksemplet er det brukt 81 sensorer Noen fotontreff. Mange fotontreff. Kap 2.6.4

28 28 E: Det elektriske feltet i p-n overgangen Drar elektroner mot høyre p n Fotonet slår ut ett elektron som dras over til n-matererialet. Antall elektroner her er et mål for antall fotoner som treffer i løpet av eksponeringstiden. Animasjon? Halvlederkrystaller i matrise: E Kap En pixel registrerer lys over en liten flate ( noen mikrometer i hver retning)

29 29 Hver pixel har en ladningsmengde som avhenger av belysningen. Mange fotoner (lyst område) = stor ladning Få fotoner (mørkt område) = liten ladning Ladningene i hver pixel avleses elektronisk Ladningsverdiene settes inn på en lys-mørke skala, for eksempel 0 -> 255 Animasjon (fargebilde)? Kap 2.6.4

30 30 Laseren: Lyser med en smal lysstråle med spesielle egenskaper

31 31 Vanlig lys kommer fra tilfeldige, spontane elektronhopp. Vanlig lys: Laserlys: Foton som passerer Laserlys fås når forbipasserende fotoner stimulerer elektroner til å hoppe og sende ut fotoner. Det utsendte fotonet er en ”kloning” av det stimulerende fotonet og går i samme retning. Dette er stimulert emisjon av fotoner. Stimulert emisjon. Figur 3-1 Figur 3-2 Kap 3.1

32 32 Et ”skred” av fotoner. FØR: ETTER: Fotonene går ut I samme retning (smal stråle) I samme fase (i takt) Kan bygge opp en stråle med enorm intensitet (W/m 2 ) Kap 3.1

33 33 For å ha stort nok antall stimulerende fotoner brukes speil: Lasermateriale Fotoner går fram og tilbake mellom speilene Speil; det ene er delvis gjennomsiktig Laserstråle Animasjon? Kap 3.1

34 34 Hoveddelene i en laser : Energi tilføres for å eksitere elektroner til høyere energinivå. Det kan gjøres med en blitslampe, eller med elektrisk strøm gjennom materialet. Se hvordan elektroner eksiteres og stimuleres til å hoppe? Kap 3.1 Figur 3-5

35 35 Sammenligning med sollys. Intensitet Sollys Intensitet Laser Dette tilsvarer å måle opp en veistrekning på 1000 km med en nøyaktighet på 1 mm. Kap 3.1

36 36 Stråling fra et atom: Elektronet avgir energi, emitterer ett foton Energi Grunntilstand h f =  E Kap 3.2 Lysdioden, LED (Light Emitting Diode)

37 37 Stråling fra krystall: Elektronhopp fra ledningsbånd til valensbånd. Elektronet avgir energi, emitterer et foton Energi h f =  E Kap 3.2

38 38 p n Energi Elektronstrøm Dioden står i lederetningen Elektroner strømmer over fra n til p og detter opp i hull. Elektronets energitap sendes ut som et foton. Animasjon av elektroner/hull/fotoner. LED museum. I og omkring sperresjiktet Kap 3.2 Figur 3-7

39 39 Halvlederlasere: Mye brukt Størrelse ned til et sandkorn Kap 3.3

40 40 p n Energi Elektronstrøm Halvlederlaseren: En LED (lysende diode) med speil/speilende flater. Lysutsendingen foregår i og rundt sperresjiktet der elektroner detter opp i hull. Ved å utstyre dioden med speilende flater vil fotoner gå fram og tilbake mellom flatene og sørge for stimulert lysutsending. Kap 3.3 Figur 3-7

41 41 Se på denne dioden. Hvordan vil du plassere speilende flater for å få en laser? Kap 3.3 Figur 3-8

42 42 Dette ble mange varianter omkring samme tema med store muligheter for sammenroting. Se på sammendraget side 3-35 i kompendiet. Dersom du drukner i stoff, kan du bli reddet av German Coast Guard


Laste ned ppt "1 Halvlederfysikk. Utdrag fra: Kompendium i Sensorteori."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google