Transcript n-dopet halvleder

Figur 1-2 Gitterstruktur
Elektronenergier i gitteret (Figur 1-2)
Energi
Ledningsbånd
Elektroner som
er løsrevne og driver
rundt i krystallen
er i ledningsbåndet
Forbudt område, energigap
Valensbånd
Elektroner som
er bundne til atomer
er i valensbåndet
1
Energiskjema for ledere, halvledere og isolatorer
Ser på de to øverste båndene: Ledningsbåndet og valensbåndet
(Figur 1-3)
LEDER
HALVLEDER
Energi
ISOLATOR
Energi
Mange elektroner
som kan delta
I en elektrisk strøm
Valensbånd fullt.
Energi
Noen få elektroner
som kan delta i en
elektrisk strøm,
eksitert fra
valensbåndet
Valensbånd,
nesten fullt.
Ingen elektroner
som kan delta
I en elektrisk strøm
Valensbånd fullt.
2
Kald krystall (silisium), isolator (ingen bevegelige elektroner):
Romtemperatur, dårlig leder = halvleder (silisium):
3
N-doping av Si-krystall (Figur 1-4 og 1-5):
Si
Tilsetting av fremmedatom med 5 elektroner i ytterste skall:
n-doping
Energi
Elektron nr.5
4
Si
N-doping av Si-krystall (Figur 1-6 og 1-7):
Tilsetting av fremmedatom med 3 elektroner i ytterste skall:
p-doping
Energi
Ledig plass
5
Hullstrøm:
1)
Tid
Elektronhopp mot venstre
betyr at hullet går mot høyre.
2)
Hullet har positiv ladning,
fordi et elektron mangler.
3)
6
Doping og energi, en oversikt
Halvleder:
n-dopet halvleder:
Energi
Energi
Ledningsbånd:
Nesten tomt
Valensbånd
Fullt
*)
Inndopede
elektroner
Valensbånd
Fullt
p-dopet halvleder:
Energi
Ledningsbånd
Nesten tomt
*) Valensbånd:
Inndopede ledige
plasser, hull
*) De inndopede elektronene havner
*) Hullene havner egentlig på et nivå like over
egentlig på et energinivå like under
ledningsbåndet, kalt donornivå.
valensbåndet, kalt akseptornivå.
7
Figur 1-10
En p-n overgang kan
1)
tenkes dannet på
denne måten.
Si-atomene er ikke tegnet!
1)
2)
3)
”Skjøter” sammen to krystallbiter.
Elektroner diffunderer (termiske
hastigheter)
Elektroner okkuperer ledige
plasser. Det dannes negative
ioner og positive ioner.
2)
p-side: Nøytralt område med p-doping.
n-side: Nøytralt område med n-doping.
Sperresjikt: Ladet område, negative
ioner på p-siden og positive ioner
på n-siden.
p-side
sperresjikt
n-side
3)
4)
Sperresjiktet ligner en platekondensator med et elektrisk felt
fra pluss til minus.
4) p-side
E
n-side
8
sperresjikt
Diode i lederetning:
Svekking av feltet i
sperresjiktet slik at
ladninger kan passere
p-side
n-side
sperresjikt
(Fig. 1-13)
p-side
Diode i sperreretning:
Styrking av feltet i
sperresjiktet slik at
ladninger ikke kan passere
E
E
n-side
sperresjikt
(Fig. 1-12)
9
Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor)
I
(Figur 1-14)
Lysfølsom
motstand
Lys
Det som begrenser strømmen i kretsen er antall elektroner
i ledningsbåndet i den lysfølsomme motstanden.
10
Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor)
hf
hf
Bestråling:
Fotoner treffer elektroner
i silisiumkrystallen.
Fig. 1-15
Energi
Elektroner sparket
opp av fotoner
E
Resultat:
Valensbånd med
hull
Elektroner slåes ut (fotoelektrisk
effekt) dersom fotonet har nok energi.
Det skapes elektron-hull par.
(To par på tegningen). Flere elektroner betyr
bedre ledningsevne/mindre motstand
11
Fotodioden, Figur 1-16
hf
I
A
12
Dette skjer i Fig 1-17:
Foton mot krystall
Elektron-hull par
hf
13
Figur 1-17 Fotodioden. Strålingsenergi
elektrisk energi.
Stråling
p-side
n-side
Pos.
ladning
Neg.
ladning
E
Elektronstrøm fra dioden
Batteri som lades
14
Billeddannende sensor,
CCD
Charge Coupled Device
5 bilder om punkt 1.3.4
15
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
16
linse
Sensoren plasseres i bildeplanet
Objekt
Hvert element (pixel) i matrisen er en sensor
som registrerer lysmengden (antall fotoner)
som treffer.
Ulike
antall
fotontreff.
I dette eksemplet er det brukt
81 sensorer
Hva betyr antall pixler for bildets kvalitet?
17
Halvlederkrystaller i matrise:
En følsom sensor: ca 70 % av fotonene skaper
ladning, mot ca 2 % som lager spor i en
”gammeldags” fotografisk film.
E: Det elektriske feltet i p-n overgangen
Drar elektroner mot høyre
n
p
Forklaring
til Fig 1-19
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.
18
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
205 199 248
67
4
246 251 248 72
215
84
210
Mer om farger:
1) Bayer-filter1, Bayer-filter2
2) Bayer-filter med teskje (You-tube)
7
19
Lysforsterker
Hovedidé:
Problem:
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
Hvordan skape et elektronskred?
Svaret er fotomultiplikatorer:
Fotomultiplikator, gammel type-1
Antall elektroner som funksjon av spenning
Fotomultiplikator, gammel type-2
Fotomultiplikator, ny type
20
Den store oppfinnelsen er mikrokanalplaten:
Tynne rør (diameter ca 6 mikrometer)
Høy spenning
21
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
Mikrokanalplate
Animasjon
Viser hele systemet
fram til CCD sensoren
22
Lysemiterende diode:
Skal denne overta all belysning?
Figur 2-7:
p
n
Elektronstrøm
Energi
p
p-siden får mange elektroner
over fra n-siden når det går strøm
gjennom dioden
p-siden har mange hull
23
Kan vi få dioder med hvitt lys?
The wavelength (color) of light produced by a light emitting diode is
determined exclusively by the nature of the doped semiconductor
materials and is independent of dyes utilized to color the epoxy dome lens.
Typical visible wavelengths emitted by semiconductor diodes are
red (650 nanometers), orange (620 nanometers), yellow (585 nanometers),
green (555 nanometers), and blue (480 nanometers). White light LEDs are
manufactured by a variety of mechanisms, but often contain a phosphor
material in the reflector cup that intercepts high-energy blue light from the diode
and emits secondary radiation across the entire visible light spectrum.
24
Halvleder-laseren.
Billig og liten, i størrelse ned til et sandkorn.
Tvillingen til LED, men speil sørger for stimulet emisjon
Figur 2-8
p-side
Vifteformet laserstråle
n-side
p-n overgang
(deplesjonsområde)
Overflate som virker
som speil
25