Kompendium i Sensorteori Halvlederfysikk. Utdrag fra: Kompendium i Sensorteori

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

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

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

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

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

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

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

Kap 2.5.1 p - doping Figur 2-12 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)

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

Kap 2.5.1 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 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 Oppsummering: Strøm i krystallen: Hullstrøm Strøm i krystallen: Elektronstrøm Energi Ledningsbånd Valensbånd

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

Kap 2.5.2 Elektronvandring 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. p n p n Sammenlign kondensator: E F F

Kap 2.5.2 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 Diode i sperreretning: Figur 2-18 Animasjon: 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.

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

Hva skjer når en halvleder bestråles? Kap 2.6.1 Halvledere som sensor. Hva skjer når en halvleder bestråles? Figur 2-20

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

Kap 2.6.1 Figur 2-21 Energi + - halvleder Ledningsbånd Ingen strøm hf DE = 1.12 eV lys Valensbånd + - halvleder strøm Kan du forklare at lysintensiteten bestemmer strømmens størrelse?

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

Eksempel: Germaniumlinser Kap 2.6.2 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.

Kap 2.6.3 Fotodioden Figur 2-22 Foton mot krystall Elektron-hull par h f

Fotodioden/solcelle + Kap 2.6.3 Det elektriske feltet i sperresjiktet drar elektroner og hull i hver sin retning slik at ladningene blir atskilt. h f + Figur 2-23 Det leveres strøm til denne enheten (Motor, batteri som lades opp og lignende)

Hva er et digitalt bilde? Kap 2.6.4 Billeddannende sensor, CCD (Charge coupled device) Hva er et digitalt bilde? Et digitalt bilde er et bilde gjort om til en matrise av tall. 0 100 200 255 Lysskala: Svart grått hvitt

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

Halvlederkrystaller i matrise: Kap 2.6.4 Halvlederkrystaller i matrise: En pixel registrerer lys over en liten flate ( noen mikrometer i hver retning) E: Det elektriske feltet i p-n overgangen Drar elektroner mot høyre n p E Antall elektroner her er et mål for antall fotoner som treffer i løpet av eksponeringstiden. Fotonet slår ut ett elektron som dras over til n-matererialet. Animasjon?

Hver pixel har en ladningsmengde som avhenger av belysningen. Kap 2.6.4 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)? 210 75 73 67 205 199 248 4 246 251 248 72 215 84 210 7

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

Stimulert emisjon. Kap 3.1 Vanlig lys: Vanlig lys kommer fra tilfeldige, spontane elektronhopp. Figur 3-1 Laserlys: 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. Foton som passerer Figur 3-2 Dette er stimulert emisjon av fotoner.

Et ”skred” av fotoner. Kap 3.1 FØR: ETTER: Fotonene går ut I samme retning (smal stråle) I samme fase (i takt) Kan bygge opp en stråle med enorm intensitet (W/m2)

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

Hoveddelene i en laser: Kap 3.1 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. Figur 3-5 Se hvordan elektroner eksiteres og stimuleres til å hoppe?

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

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

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

Kap 3.2 Elektronstrøm p n Energi Figur 3-7 I og omkring sperresjiktet LED museum. 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.

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

Halvlederlaseren: En LED (lysende diode) med speil/speilende flater. Kap 3.3 Halvlederlaseren: En LED (lysende diode) med speil/speilende flater. Energi Elektronstrøm p n Figur 3-7 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 3-8 Se på denne dioden. Hvordan vil du plassere speilende flater for å få en laser?

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

Lysforsterker Hovedidé: 1) Ett foton frigjør ett elektron (fotoelektrisk effekt) 2) Dette ene elektronet akselereres i et elektrisk felt og skaper et elektronskred 3) Den store elektronmengden kan så skape lys på samme måten som i en TV-skjerm Problem: Hvordan skape et elektronskred? Svaret er fotomultiplikatorer: Fotomultiplikator, gammel type-1 Antall elektroner som funksjon av spenning Fotomultiplikator, gammel type-2 Fotomultiplikator, ny type

Den store oppfinnelsen er mikrokanalplaten: Tynne rør (diameter ca 6 mikrometer) Høy spenning

Animasjon Viser hele systemet fram til CCD sensoren Prinsippskisse: Fotokatode i optikkens billedplan Fotoelektrisk effekt Elektronene treffer en skjerm, eksiterer atomer som så sender ut fotoner (som i billedrør-TV) Fotoner mot sensor, CCD Animasjon Viser hele systemet fram til CCD sensoren Mikrokanalplate