Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

Podobné dokumenty
Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Charakteristiky optoelektronických součástek

2.3 Elektrický proud v polovodičích

Fotoelektrické snímače

Fotovodivost. Destička polovodiče s E g a indexem lomu n 1. Dopadající záření o intenzitě I 0 a hν E g. Do polovodiče pronikne záření o intenzitě:

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Optoelektronické polovodičové součástky

Senzory ionizujícího záření

Optoelektronika. Zdroje. Detektory. Systémy

Detektory optického záření

Abstrakt. fotodioda a fototranzistor) a s jejich základními charakteristikami.

FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 4

Elektrický proud v polovodičích

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Charakteristiky optoelektronických součástek

Úloha č.9 - Detekce optického záření

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY

III. Stacionární elektrické pole, vedení el. proudu v látkách

Elektřina a magnetizmus polovodiče

U BR < 4E G /q -saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci. Šířka přechodu: w Ge 0,7 w Si (pro N D,A,Ge N D,A,Si ); vliv U D.

13. Spektroskopie základní pojmy

Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Odporové senzory

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

Fotodioda ve fotovodivostním a fotovoltaickém režimu OPTRON

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

Anihilace pozitronů v polovodičích

Fotoelektrické snímače

Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Rozměr a složení atomových jader

Transportní vlastnosti polovodičů 2

25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory

Projekt Pospolu. Polovodičové součástky diody. Pro obor M/01 Informační technologie

17. Elektrický proud v polovodičích, užití polovodičových součástek

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Optoelektronické senzory. Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

Polovodiče. Co je polovodič? Polovodiče jsou látky, jejichž rezistivita leží při obvyklých teplotách v intervalu 10 Ω m až 8

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

7. Elektrický proud v polovodičích

Elektrické vlastnosti pevných látek

Sada 1 - Elektrotechnika

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

Otázka č. 3 - BEST Aktivní polovodičové součástky BJT, JFET, MOSFET, MESFET struktury, vlastnosti, aplikace Vypracovala Kristýna

Praktikum III - Optika

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

1. Zdroje a detektory optického záření

Výukové texty pro předmět Měřící technika (KKS/MT) na téma Podklady k principu měření a detekce záření (radiové vlny, neviditelné záření)

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Spektrální charakteristiky fotodetektorů

Polovodičové diody Definice

Sada 1 - Elektrotechnika

1 Polovodiče základní pojmy, vlastnosti. Přechody, diody, jejich struktura, vlastnosti a aplikace.

Neřízené polovodičové prvky

Polovodiče, dioda. Richard Růžička

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Tranzistory. tranzistor z agnl. slova transistor, tj. transfer resisitor. Bipolární NPN PNP Unipolární (řízené polem) JFET MOS FET

Základy pyrometrie. - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty. 0.4 µm µm C C

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

Osnova: 1. Polovodiče materiály, dotace 2. Polovodičové diody 3. Dynamické parametry. 5. Aplikace diod

Obr Teplotní závislost intrinzické koncentrace nosičů n i [cm -3 ] pro GaAs, Si, Ge Fermiho hladina Výpočet polohy Fermiho hladiny

Laboratorní práce č. 2: Určení voltampérové charakteristiky polovodičové diody

Dioda - ideální. Polovodičové diody. nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem)

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Elektronika pro informační technologie (IEL)

Fotovoltaické systémy

Fotonásobič. fotokatoda. typicky: - koeficient sekundární emise = počet dynod N = zisk: G = fokusační elektrononová optika

Detektory. požadovaná informace o částici / záření. proudový puls p(t) energie. čas příletu. výstupní signál detektoru. poloha.

Světlo jako elektromagnetické záření

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

Úloha 5: Charakteristiky optoelektronických součástek

Bezkontaktní termografie

Systémy pro využití sluneční energie

Fyzika pro chemiky II

Otázky pro samotestování. Téma1 Sluneční záření

7. Elektrický proud v polovodičích

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

Vybrané spektroskopické metody

2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

SNÍMAČE. - čidla, senzory snímají měří skutečnou hodnotu regulované veličiny (dávají informace o stavu technického zařízení).

Transkript:

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