Polovodičové senzory Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy
Polovodičové materiály elementární polovodiče Elementární IV skupina V skupina VI skupina VII skupina B (1.1eV) C (5.2eV) Si (1.1eV) P (1.5eV) S (2.5eV) Ge (0.67eV) As (1.2eV) Se (1.8eV) Sn (0.08eV) Sb (0.12eV) Te (0.36eV) I (1.25eV)
polovodičové sloučeniny Sloučeniny A IV B VI PbS PbSe PbTe A II B VI ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe HgSe HgTe A III B V BN AlN AlP AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb První skupina - pro konstrukci Hallových sond. Druhá skupina - fotoodpory, fotodetektory v IR oblasti a pro lasery. Třetí skupina - značný podíl iontové vazby (30-50%) tvoří tuhé roztoky: Al 0.3 Ga 0.7 As je tvořen 30 mol% AlAs a 70 mol% GaAs InAs 0.8 P 0.2 je tvořen 80 mol% InAs a 20 mol% InP vlastnosti tuhých roztoků (šířka zakázaného pásu, pohyblivosti nosičů proudu) jsou dány složením. užití je u optoelektronických součástek a detektorů záření
Srovnání vlastností polovodič b.t. [C] Eg [ev] µa [m 2 V -1 s -1 ] µp Ge 940 0.665 0.38 0.18 Si 1420 1.105 0.138 0.048 PbS 1114 1.17 0.064 0.08 CdS 1750 2.42 0.029 0.002 CdSe 1250 1.85 0.05 0.01 AlSb 1060 0.52 0.03 0.02 GaSb 725 0.7 0.5 0.07 InSb 525 0.18 7.8 0.075 GaAs 1280 1.32 1.0 0.045 InAs 945 0.35 3.3 0.098 SiC 2200-2830 2.8 0.1 0.02
Teplotní závislost PN přechodu využívá měření klidových proudů PN přechodů u tranzistorů (emitor báze, kolektor báze) změna charakteristik v závislosti na teplotě křemík pro rozsah -50ºC až 150ºC GaAs pro rozsah od 1 K do 450 K
Teplotní závislost s teplotou dochází (u nevlastní vodivosti) vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování pohyblivosti závislost odporu senzoru 4 R[kΩ ] ( T ) 2 0 T R = RT + k 2 Teplotní koeficient senzoru 0.7 %K -1-50 25 150 T[ C]
ρ = 1 q µ + q µ n n p p µ se mění u Si s teplotou úměrně mocnině T -2.5 (elektrony) T -2.7 (díry) µ s teplotou klesá ρ s teplotou roste R roste U vlastního polovodiče R klesá generují se volné nosiče
Teplotní závislost PN přechodu v propustném směru voltampérové charakteristiky PN přechodu I eu = I0 exp 1 KT U P pro U >>kt/e, U P = U BE U P = KT e I ln I I 0 má exponeciální průběh při I C = konst. a 50 až +150 C je u Si teplotní závislost U BE lineární 0
Teplotní závislost PN přechodu v propustném směru teplotní koeficient U BE je při pokojové teplotě cca 2.25 mv K -1 konstrukce integrovaných senzorů teploty (monolitické senzory) 0.8 U BE [V] U P 0.4 0-40 40 160 T[ C]
Piezoodporový jev v polovodičích Změna odporu piezorezistoru R vyvolaná tlakem p R R = α rezistory páskového tvaru p R R = Faktor K závisí na typu vodivosti (P, N), krystalografické orientaci monokrystalu (100), (111), (110) a dotaci (měrném odporu) K l l
Fotonové jevy v polovodičích Přechod elektronu z valenčního do vodivostního hν δw mezní vlnová délka (rychlost)ν hν = δw pro záření o delších vlnových délkách fotoelektrický jev nenastává hν = δw počet uvolněných elektronů v objemu V za jednotku času je úměrný světelné energii absorbované ve V δ = δ = β k I n p t
Fotoproud, fotocitlivost tvorba párů elektron-díra silně závisí na vlnové délce dopadajícího světla fotoproud dosahuje maxima, dopadají-li na polovodič fotony s energií rovnou šířce zakázaného pásu c [%] 100 80 60 40 Si spektrální fotocitlivost polovodičů 20 OKO Se 0 400 600 800 1000 λ [nm]
Vnitřní fotoelektrický jev Intrinsický jev v nedotovaném polovodiči záření generuje volné páry elektron-díra, interreagující foton má minimálně energii rovnou energii (šířce) zakázaného pásu E g hc hν = λ E g Intrinsická dlouhovlnná hrana λ 0 Polovodič CdS GaP GaAs Si Ge PbS λ0 [µm] 0.52 0.56 0.92 1.1 1.8 2.9 = hc E g
Vnitřní fotoelektrický jev Extrinsický jev v dotovaném polovodiči záření generuje páry volný elektron-vázaná díra nebo volná díra-vázaný elektron, minimální energie fotonu hν E i Extrinsická dlouhovlnná hrana λ 0 = hc E i Příměs In Ga Al As P B Sb E i [ev] 0.155 0.0728 0.0685 0.0537 0.045 0.0439 0.043 λ0 [µm] 8 17 18 18 28 28 29
Vnitřní fotoelektrický jev Interakce fotonů s volnými nosiči náboje Lokalizovaná excitace elektronů do vyššího energetického stavu V senzorice jsou nejvíce využívány první dva fotoelektrické jevy, které lze nalézt u senzorů pracujících na fotovodivostním a fotovoltaickým principu. Fotovodivostní změna elektrické vodivosti polovodiče vyvolaná dopadajícími fotony (odporové senzory mapř. s CdS,přechod PN) Fotovoltaický podmínkou je existence vnitřní potenciálové bariéry s elektrickým polem na separaci generovaných nosičů náboje (přechod PN) generátorový senzor
Fotodioda III. kvadrant fotovodivostní IV. kvadrant fotovoltaický Potenciálová bariéra v polovodiči (v senzoru) tvořena PN přechodem nebo Schottkyho přechodem. fotosignál změna proudu protékající senzorem nebo úbytek napětí na zatěžovacím odporu zapojeném v sérii se senzorem světelný tok je rovnoběžný s PN přechodem, světelný tok je kolmý na PN přechod Fototranzistory více PN přechodů
Radiační jevy v polovodičích Neionizující elektromagnetické záření λ = 0.4 0.75 µm je viditelné spektrum λ = 0.75 desítky µm je infračervené pásmo Dva způsoby interakce Tepelné bolometrický jev U B = i R = 2α R T senzory na bázi Ge a Si, pracují při teplotách 4.2 K mají citlivost 2.5 10 4 a 2.8 10 5 V.W -1 při detekci vzdálené infračervené oblasti Termistorové a vrstvové (Tl 2 SeAs 2 Te 2 ) bolometry pro oblast viditelného a blízkého IR záření mají citlivost 10 4 10 3 V.W -1 Fotonové
Radiační jevy v polovodičích Ionizující elektromagnetické záření elektrony, protony, α částice fotony γ a RTG (elektromagnetické záření velmi krátkých vlnových délek) Při průletu polovodičem ionizují atomy polovodiče (přímo nebo nepřímo) vytváří se volné nosiče náboje Využití pro detekci ionizujícího záření, získání informací o energetickém spektru
Energie ionizujícího záření Rozptyluje (absorbuje) se v polovodiči ionizací a částečně se spotřebovává na fotonovou emisi (ohřev mřížky). Užitečný signál vytvářejí pouze nosiče náboje vznikající ionizací. Celkový počet generovaných párů elektron-díra je lineární funkcí rozptýlené energie E a prakticky nezávisí na druhu záření počet generovaných párů (pro střední hodnotu ionizační energie) N = E ε
Detektor ionizujícího záření Elektrony a díry generované ionizačním procesem se musí v detektoru rychle a s nejmenším ztrátami transportovat k elektrodám a transport párů elektron-díra zabezpečuje vnitřním elektrickým polem v objemu detektoru Využívá se PN nebo PIN struktury + polarizované v závěrném směru N + - ++ -- + + - I + P + γ,x α,e -
Detektor ionizujícího záření velmi čistý materiál sextrémně nízkou koncentrací záchytných center prosnížení svodových proudů pracují obvykle při nízkých teplotách (77 K) nejvíce se využívá Ge a Si rozsah energií 100 ev GeV!!
Magnetoelektrické jevy Magnetoodporový jev při působení magnetického pole kolmo na protékající proud roste odpor s druhou mocninou magnetické indukce jehličky antimonidu niklu tl. 1 µm, délka do 50 µm R R 0 = ρ ρ 0 ( 2 1+ B ) µ n
Magnetoelektrické jevy Odporový materiál tl. 20 µm (meandr), odpor několika Ω až kω, B = 0,01 T 10 T Hallův jev Hallovy senzory užívají polovodičů InSb, InAs, GaAs a Si