Полупроводники. Проводимость собственная и примесная. Донорные и акцепторные примеси. Фотоэффект в полупроводниках. Схема фотодиодного сенсора матрицы

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.^[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.^[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:

если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32).



В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта

двух полупроводников р- и n-типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

Собственной проводимостью обладают чистые проводники. Атом германия через свои четырехвалентные электроны образует с каждым из четырех соседних атомов германия парноэлектронную связь. Bнyтpeннuй фoтoэффeкт нa6людaeтcя npu ocвeщeнии пoлyпpoвoднuкoв и дuэлeктpuкoв, ecлu энepruя фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнa из вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдимocти. B некоторых noлynpoвoдникax фoтoэффeкт o6нapyживaeтcя тaкжe в тoм cлyчae, ecли энeprия элeктpoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнoв в зoнy npoвoдимocти c дoнopныx npимecныx ypoвнeй или из вaлeнтнoй зoны. Taк в noлynpoвoдникax и диэлeктpикax вoзникaeт фотопроводимость. Интepecнaя paзнoвиднocть внyтpeннero фoтoэффeктa нa6людaeтcя в кoнтaктe элeктpoннoro и дыpoчнoro noлynpoвoдникoв. B этoм cлyчae noд дeйcтвиeм cвeтa вoзникaют элeктpoны и дыpки, кoтopыe paздeляютcя элeктpичecким noлeм p-n-nepexoдa: элeктpoны nepeмeщaютcя в noлynpoвoдник тиna n, a дыpки - в noлynpoвoдник тиna p. Пpи этoм мeждy дыpoчным и элeктpoнным noлynpoвoдникaми измeняeтcя кoнтaктнaя paзнocть noтeнциaлoв no cpaвнeнию c paвнoвecнoй, т.e. вoзникaeт фoтoэлeктpoдвижyщaя cилa. Taкyю фopмy внyтpeннero фoтoэффeктa нaзывaют вeнтильным фoтoэффeктoм.

Ма́трица (или фотосенсор) — часть (фотосенсора) прямоугольной формы, полученая на базе полупроводникового материала , полимера кремния и других добавок методом: окисления, литографии, травления, легирования, химического парофазного осаждения и металлизации, отличающийся наличием полученных фотодиодов и пикселей, созданных на цельной керамической кремниевой подложке и предназначен для сборки.^[1]

Матрица состоит из работающих фотодиодов — пикселей), объединённых специализированной аналоговой интегральной микросхемой в указанной границе, а также —неработающих фотодиодов по периметру пластины

Обычно матрица (фото) формируется из фотодиодов, которые могут быть однослойными и многослойными. Именно работающие фотодиоды, объединённые токопроводящими электрическими проводниками, называются пикселями. Готовые фотосенсоры получают при сборке матриц и каркаса фотосенсора с токопроводящими выводами. Они используют нейтральные контуры пластин (матриц) по периметру для крепления в корпусе и для пайки выводов фотосенсора. Не работающие фотодиоды оговаривается в инструкциях цифровых фотоаппаратов. Т.е. габарит фотосенсора определяется конечными размерами корпуса с выводами, в которам вмонтирована матрица (фото). Рабочая поверхность фотосенсора определяется обычно прямоугольной зоной на поверхности матрицы соединенных между собой электрической схемой фотодиодов — пикселей. В однослойных фотосенсорах матрицы содержат фотодиоды однослойные. В этом случае фотодиоды и пиксели лежат в одной плоскости. В Foveon X3-иатрица кажлый фотодиод трёхуровневый, трёхслойный и несёт 3 пикселя, откуда размеры их в три раза меньше по площади, чем однослойные пластины матриц. В обоих случаях по переферии пластин матриц расположены только фотодиоды, служащие технологической базой при создании готового фотодатчика (фотосенсора). Применение матрицы (фото):

• Матрица (фото) предназначена для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
• Она является основным элементом современных цифровых фотоаппаратов, видео- и телевизионных камер, фотокамер в телефонах, камер видеонаблюдения и т.п.
• Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации и т.д.

7.3 ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО МОП-КОНДЕНСАТОРА. ФОТОЭФФЕКТ В МОП-КОНДЕНСАТОРЕ.

ПЗС-матрица состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена из кремния, прибор с зарядовой связью. Устройство: 1 сверху падает свет 2 стекло 3 полекресталический кремний аксид sio2 4 (по бокам выступы) в которые стекают заряды, выступы позволяют не растекаться зарядам Затем большая ячейка в которой: п-типа(из кремниевой светочувств. Подложки) 1 приповерхностный слой объединенный электронами 2 посередине. Потенциальная яма Н типа. Зона с положительной потенциальной энергией-электрона притягиваются. Кол-во электронов пропорционально освещенности и яркости на объектах А. Считываются сначала четные, потом не четные Конденсируется заряд 1.После объектива стоит инфракрасный фильтр, поглощает инфра(от 780 до 1100) и пропускает видимый 2. Выпукло-вогнутая собирающая линза 3. зеленый. Фильтр байера (с-в, к-r, 2з-g) rgbr - очередь в таблице 4. Защитное стекло 5. Управление электронном.стекло. 6. Изолятор 7. Полупооводниковая подложка

ФОТОЭФФЕКТ В МОП-КОНДЕНСАТОРЕ:

Линейные преобразователи содержат один ряд фоточувствительных элементов на ПЗС и позволяют сформировать сигнал с одной строки изображения.

Матричные преобразователи представляют собой пластинку из полупроводника небольшого размера. На пластинке содержится большое число миниатюрных МОП-конденсаторов, образующих множество строчных структур.

7.4 ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРОВ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ МАТРИЦЫ. Для любых сенсоров критич(основной)характерист.является линейная зависимость фототока или заряда конденсатора от интенсивности падающего излучения. 7.5 МАТРИЦА ПЗС. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ. СЕНСОР И ПИКСЕЛ МАТРИЦЫ. ФИЛЬТР БАЙЕРА. ФОРМАТЫ МАТРИЦЫ. ПЗС- специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонированияобычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Фильтр Байера. (Шаблон Байера) — двумерный массив цветных фильтров, которыми накрыты фотодиоды матриц (фото), и состоящий из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов

Фильтр Байера (с-в, к-r, 2з-g) rgbr - очередь в таблице 1 пиксел=4 сенсора=4 моп Форматы матрицы:

7.6. Цифровая фотография (последовательность преобразования оптического сигнала):

В случае цифровой фотографии регистрация изображения объекта съемки осуществляется твердотельным преобразователем «свет-сигнал», так называемым фоточувствительным прибором с зарядовой связью. Это изделие электронной техники, преобразующее оптическое изображение в электрический сигнал, действие которого основано на формировании и быстром переносе по поверхности или внутри полупроводника регенерированных при действии света дискретных зарядовых пакетов. Зарядовые пакеты передаются к выходному устройству вследствие перемещения положения потенциальных ям.

В процессе съемки электронной фотокамерой при действии света регенерируются, а затем под светочувствительной ячейкой накапливаются пакеты электрических зарядов, количество которых пропорционально интенсивности освещенности электрода.

Для регистрации сигнала, содержащего видеоинформацию об изображении, необходим магнитный или магнитооптический диск, на который происходит запись в цифровой форме.

7.7 ПРИРОДА СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГАЛОГЕНИДА СЕРЕБРА. ФОТОЭФФЕКТ В ГАЛОГЕНИДАХ СЕРЕБРА. ЦЕНТР ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ. ЦЕНТР СКРЫТОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ. ЦЕНТР ПРОЯВЛЕНИЯ. ЦЕНТР ВУАЛИ. В твердом состоянии галогениды серебра-ионные кристаллы.Кристаллическая решетка образована чередованием серебра Ag+ и галогена Hal-, которые удерживаются на месте по электрическими силами притяжения разноименных зарядов.(у галогенида свободный электрон, а у серебра его нет)если осветить решетку светом, то наступит фотоапроводимость электронов Центр чувствительности образуется в дефектах решетки. Те центры которые можно проявить являются центром проявления(на них будет усиленно наплывать серебро) В месте, где подействовал свет отрывается электрон. Центр скрытого изображения состоит из 4-10 серебра. Чем не правильнее решетка, тем чувствительнее. Центр вуали-образуется на центре вуали(чувствительности) не под действием света, хим. реакция происходит на центре чувствительности. 7.8 СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА. СУЩНОСТЬ ОПТИЧЕСКОЙ (СПЕКТРАЛЬНОЙ) СЕНСИБИЛИЗАЦИИ. ТИПЫ ОПТИЧЕСКОЙ (СПЕКТРАЛЬНОЙ) СЕНСИБИЛИЗАЦИИ. Стекло меньше 300Нм не пропускает, а галогенид чувствует от 100Нм(большая часть обрезается) Спектральная чувствительность разделяется на: 1.НЕЕСЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫЕ (чб) красная граница на 500Нм, мах чувствительности 450Нм2.ОРТОХРОМАТИЧЕСКИЕ сенсибидизоторы мах чувствит. 510Нм(голубовато-зеленый); красная граница-580-600 3. ИЗООРТОХРОМАТИЧЕСКИЙ (обрабатывается при красном) Мах чувств. 520Нм (зеленый); красная граница 580-600Нм 4. ИЗОХРОМАТИЧЕСКИЙ мах чувств. 540-560Нм; красная граница-620-650Нм(серьезный провал в зеленой области) изохроматический сглаживает провал между 1 и 2. 5. ПАРОМАТИЧЕСКИЙ сине-зеленый. мах 640-680Нм; красная граница 660-730Нм (Обрабатывать при зеленом) 6. ИЗОПАНХРОМАТИЧЕСКИЙ мах 680Нм; красная граница 660-730Нм(Макс чувств в зеленой области) в позитиве светло-зеленое, нужен желто-зеленый светофильтр. В полной темноте. Сенсибилизация-оптическая и химическая.