Download - examen de stat

Transcript
Page 1: examen de stat

I.FIZICA CORPULUI SOLID1.Spectrul energetic al purtătorilor de sarcină în semiconductoare.Se ştie că un semiconductor cristalin e un solid, ce se caracterizează printr-o structură zonală particulară. La 0 absolut ea e constituită din banda de valenţă complet ocupată de electroni şi banda de conducţie complet “liberă”,

adică neocupată, acestea fiind separate între ele printr-o bandă de energie interzisă cu lărgimea ΔE<2÷3eV. Benzile situate mai jos de cea de valenţă pot fi excluse, deoarece ē din ele nu participă la trecerea curentului în crist.La temperaturi înalte are loc excitarea termică a ē des.1. Stările neocupate, ce rămân în banda de valenţă se comportă ca sarcini pozitive - . Modelul tipic al spectrului energetic al ē Ee(k) şi a Eh(k) într-un semiconductor cu banda i. directă în apropierea centrului Brillowin e prezentată în des.3. Degenerarea bandei de valenţă e parţial ridicată. Astfel de structură zonală întâlnim la GaAs şi InSb (neglijând despicarea spin orbitală). La T0 semiconductorul posedă o conductibilitate electrică 0. =nen+ pep, unde n,n,p,p –respectiv concentraţia şi mobilitatea ē şi golurilor ca caracteristică principală a semiconductorilor poate fi numită variaţia concentraţiei purtătorilor liberi cu temperatura n=(A/T3/2)e-Eg/2kT ,unde A- constanta de normare. O altă caracteristică esenţială e că ei posedă două tipuri de purtători liberi: ē şi . se formează la ruperea legăturilor de valenţă. Aşa semiconductori se numesc ideali, puri sau intrinseci, adică n=p. să considerăm un ē în banda de conducţie sau un gol în banda de valenţă. Energia E(k) în reţeaua cubică va fi:

, unde A-integrala de schimb pentru stările electrice de tip S→A<0 şi pentru stările de tip P→A>0 avem . Se poate de măsurat energia de la valoarea E’=0, atunci pentru modelul unidimensional: , deci sau dacă măsurăm energia de la valoarea , atunci . Să cercetăm E(k) în vecinătatea minimului şi

1

Page 2: examen de stat

maximului zonei de energie. În cazul de tip S pentru k=0 se obţine , pentru valori mici kI a<<1(i=x,y,z), dezvoltăm:

pentru analogie cu energia ē liberi se poate scrie:

unde . La marginea superioară a

benzii de energie: , în vecinătate Emax introducem

; , deci avem:

Întrucât masa efectivă nu poate fi negativă se introduce pentru stările de la marginea superioară a zonei de energie, noţiunea de goluri—particule cu

masa efectiva mp*>0 şi cu sarcina mai mare ca >0, . E—se

măsoară de la marginea superioară a benzii în jos.

2.Densitatea stărilor cuantice, funcţia de distribuire şi concentraţia electronilor în semiconductori intrinseci şi extrinseci.Pentru a determina concentraţia de echilibru trebuie să ştim densitatea stărilor şi funcţia de distribuţie:

2

Page 3: examen de stat

N(E) – numărul de stări cuantice într-o unitate de volum şi într-o unitate de interval de energie.

Z – numărul de stări într-o unitate de volum.

Funcţia de distribuţie Fermi-Dirac.Probabilitatea ocupării stării cuantice de către electron:f0 – cu creşterea energiei scade brusc , ceea ce înseamnă că limita de sus a integralei (1) poate fi înlocuit cu infinit.Energia Fermi prezintă nivelul limită – toate nivele plasate sub nivelul Fermi unt ocupate.La orice temperatură T > 0K nivelul Fermi prezintă probabilitatea de ocupare a căruia a căruia de către electroni este ½. Valorile funcţiei de distribuţie diferă de 0 sau 1 într-un domeniu foarte îngust ΔE(f0).Dacă E-EF ≥ 3KT atunci unitatea în (3) poate fi neglijată:

Distribuţia Maxwell-Boltsmann.

În acest caz sistemul de electroni se află în stare nedegenerată iar semiconductorul nedegenerat. Dacă sistemul de electroni este supus statisticii Fermi-Dirac atunci el se află în stare degenerată. În microelectronică mai des se folosesc electroni nedegeneraţi.

Valoarea efectivă a concentraţiei în banda de conducţie

Dacă nivelul Fermi se află la distanţă mai mare decât kT de Ec – semiconductorul se consideră nedegenerat.

Analog : .

3

Page 4: examen de stat

Plasarea nivelului Fermi determină concentraţia de echilibru a electronilor şi golurilor.

3.Stările energetice localizate ale donorilor şi ale acceptorilor. Stările localizate ad î nci şi puţin adînci. Modelul hidrogenoi al impuritatilor cu adincime mica.Acest model permite de a obtin structura energetica a semiconductrului extrinsec.De ex. Si dopat cu P .Al 5 electron al P care intra in componenta legaturilor covalente poate fi privit asemanator ca electronul in atom de hidrogen .Energia potentiala de interactiune a acestu electron cu atomul de P poate fi prezentata prin formula:

U(r)=- ( - ) E n = n- numar cuantic

principal n=1,2,3Energia d eionizare are valoarea Impuritatile care creaza nivelurile energetice la distanta mica fata de zonele permise determina in mare masuara conductiilitatea semiconductaoareleor .Nivelele acestea se numesc niveluri cu adincime mica .Nivelurile cu adincime mica sint create de elementele din grupa a III V .Alte elemente din grupele II VI VII creaza nivelele adinci care sunt plasate in centrul zonei interzise .Nivele adinci joaca un rol important la procesele de neechilibru findca ele influenteaza in mare masura asupra proceseleor de de generare si recombinare a purtatorilor de sarcina.Legea actiunii maselor

Produsl concentratiilor de echilibru este vloare constanta la temperatura data.Daca creste numarul electronilor descreste numarul proonilor.Ecuatia neutralitatii electriceSemiconductorul in stare neutra contine purtatori de sarcina electroni si goluri,si sarcina localizata (donori,atomi ionizati cu sarcina pozitiva si atomi acceptori ioizati cu sarcina negativa).

- cocentrati electronilor si golurilor liberiNd-concentratia atomilor donori ionizati

4

Page 5: examen de stat

nd-concentratia electonilor pe niveluri donoreNa- concentratia atomilor acceptori ionizatina-concentratia golurilor pe niveluri acceptoarend=Ndfn fn-functia de distributie a electronilor pe niveluri donoare

g – factor de degenerare

Daca este luat in considerare numai dpendenta de spin atunci acest factor este egal cu 2 ecuatai neutralitatii. In dependenta de temperatura ,pozitia nivelului fermi si a concentratie de sarcin a semiconductorului intersec avem:

ecuatia neutralitatii pentru un conductor intrinsec.4.Dependenţa de temperatură a poziţiei nivelului Fermi şi concentraţiei electronilor în semiconductor extrinsiec şi intrinsec.În semiconductor extrinsec ē pot trece în b.c. nu numai din b.v., dar şi de pe nivelele donoare, golurile însă pot apărea şi la trecerea electronilor din b.v. pe nivelele acceptoare.Expresia pentru concentraţia ē la nivelul impurităţilor în statistica Fermi-Dirac poate fi primită, dacă concentraţia atomilor impurităţilor Nimp vom înmulţi cu funcţia:

unde Eimp- energia nivelului impurităţii g-

factorulNumărul locurilor libere pe nivelele donoare (energia nivelului donor este egală cu - Ed)

egalând n şi Nd+, primim expresia pentru determinarea :

expresia (3) poate fi simplificată dacă socotim, că la temperaturi destul de mici donorii sunt slab ionizaţi (Nd

+Nd)

iar expresia (3) capătă forma:

De aici:

În aşa caz nivelul Fermi cu creşterea temperaturii de la 0oK are următoarea distribuţie de mai jos. Temperatura Ts se numeşte temperatura de epuizare a impurităţilor. Ea poate fi găsită din ecuaţia:

5

Page 6: examen de stat

De aici:

Ts depinde de concentraţia impurităţilor. Aceasta se explică prin aceea că la orice temperatură are loc schimbul de electroni dintre nivelul donor şi nivelele de jos a b.c.Concentraţia ē în b.c. la temperature joase este

următoarea:

logaritmând această expresie primim:

dependenţa aceasta este regiunea I din desenul de mai jos:Regiunea II este regiunea epuizării impurităţilor.EF îl calculăm din relaţia:

Deoarece Nc devine mai mare decît Nd chiar şi la TTs, atunci nivelul Fermi scade cu creşterea temperaturii.Nivelul Fermi şi concentraţia purtătorilor de sarcină în semiconductorul intrinsec.

Semiconductorul se consideră intrinsec, dacă influenţa impurităţilor e infinit de mică. În el purtătorii de sarcină liberi apar în urma ruperii legăturilor

6

Page 7: examen de stat

covalente, deoarece n0=p0—condiţia electroneutralităţii a semiconductorilor intrinseci conform căreia suma tuturor particulelor încărcate trebuie să fie egală cu zero.Această condiţie determină plasarea F. Se determină rezolvând Nc F1/2(η)=NvF1/2(-η-εi).Semiconductor intrinsec nedegenerat : În cazul dat integrala Fermy-Dirac poate fi aproximat cu exponenta.

Obţinem:

Dacă T=0k F=(Ec+Ev)/2—nivelul Fermi e situat la mijlocul zonei interzise.Când , F cu mărirea temperaturii liniar se deplasează către fundul de conducţie. Când —spre podul zonei de valenţă(curba 1şi 2).Găsim concentraţia intrinsecă a purtătorilor de sarcină:

ni depinde de T, Eg, mn* şi mp

* şi nu depinde de plasarea lui F. Dependenţa termică a ni când Eg>>kT se determină de termenul exponenţial. Energia de activare pentru semiconductor intrinsec =Eg/2 . Lăţimea zonei interzise se schimbă cu temperatura. Mărirea amplitudinii oscilaţiilor termice a atomilor reţelei cristaline aduce la micşorarea ei. Cu mărirea lui T se schimbă distanţa interatomară, care de asemenea influenţează asupra mărimii lui Eg: Eg=Eg0-T; Eg0=Eg la T=0k.Semiconductor intrinsec degenerat:La semiconductor intrinsec viteza schimbării lui F cu temperatura e proporţională cu raportul maselor efective a ē şi . Cu mărirea lui T, F se depărtează de zona purtătorilor de sarcină grei, apropiindu-se de zona purtătorilor de sarcină uşori. Dacă distanţa nivelului F până la această zonă e măsurabilă cu kT , atunci în ea apare degenerarea şi intergradul Fermi-Direc nu poate fi înlocuit cu exponenta cu cât diferenţa dintre masele efective e mai mare, atât de repede apare degenerarea. Dacă degenerarea are loc în Ec, atunci în Ev ea nu este şi concentraţia va fi: de unde căpătăm

7

Page 8: examen de stat

5.Mecanisme de recombinare a purtătorilor de sarcină. Timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină.În starea de echilibru semiconductorul se caracterizează prin purtători de

sarcină de echilibru no , po care cu creşterea temperaturii îşi schimbă concentraţia , dar no , po=const.pentru anumite temperaturi T=const. Cu mărirea T frecvenţa oscilaţiilor purtătorilor este o mărime variabilă şi creşte

cu creşterea T , aceasta duce la creşterea Ec a purtătorilor şi în deosebi a ē. Sarcinile ce au o energie mai mare ca Eg pot trece din BV în BC al semiconductorului. Cu mărirea T particulelor din banda interzisă pot trece de pe ceste nivele de asemenea în BC. Deoarece în semicomductor există impurităţi şi defecte în reţeaua cristalină în banda interzisă sunt nivele

energetice pe care sînt plasate purtători de sarcină.Procesul de trecere a purtătorilor de sarcină în BC sub acţiunea T se numeşte generare termică, iar starea în care produsul dintre nopo=const.pentru anumite temperaturi se

8

Page 9: examen de stat

numeşte echilibru termodinamic, iar purtătorii de sarcină apăruţi în BC se numesc purtători de sarcină liberi.

Însă produsul de generare termică nu poate avea loc pînă la infinit şi pentru T mai înalte are loc revenirea. Purtătorii de sarcină liberă din nou în BV şi procesul de generare este un proces de formare a perechilor de purtători de sarcină. Cu revenirea purtătorilor de sarcină de echilibru din zona de Ec în Ev are loc dispariţia perechilor ē- şi are loc procesul aşa numit recombinare. Recombinarea purtătorilor de sarcină poate fi atît un proces direct cît şi indirect. Prin intermediul centrelor de recombinare care se găsesc pe nivelul energetic din banda interzisă a semiconductorului la concentraţii mari şi mici a purtătorilor de sarcină.Procesul de recombinare de obicei are loc prin centre de localizare pe nivele energetice.Recombinarea se petrece în 2 etape:- captarea sarcinii libere pe nivele localizate- captarea purtătorilor de sarcină de semn opus pentru recombinarea lui cu purtători de sarcină capturat anterior.Recombinarea indirectă are loc numai atunci cînd se petrec aceste 2 etape. Dacă etapa 2 a procesului indirect nu are loc atunci purtătorii de sarcină liberă se opresc pe centre de localizare şi procesul de recombinare nu se petrece, adică nivelul energetic local din banda interzisă îndeplineşte 2 funcţii:a) centre de captareb) centre de recombinare sau alipireClasificarea proceselor de recombinare:a) recombinarea radiantă sau fotonică1.bandă→bandă 2.bandă→nivel localizat3.bandă ce cond. →nivel acceptor4.nivel donor→bandă de valenţă5.nivel localizat→nivel localizat (nivel donor→nivel acceptor)b) recombinarea neiradiantă1.fononică (cu emisie de fononi)- în care energia la recombinare se transmite reţelei cristalineAuger- în care energia de transmitere prin intermediul altor purtători de sarcină apoi transmit energia reţelei cristaline (la concentraţii mari).6.Statistica fononilor. Spectrele fononice în cristale tridimensionale.Fononii permit lămurirea unor fenomene fizice:a) conductibilitatea termică

9

Page 10: examen de stat

b) procese opticec) suprraconductibilitatea Exzistă diferite modele de oscilaţii. Oscilaţiile unei reţele unidimensionale alcătuită dintr-o specie de atomi.Luăm în consideraţie interacţiune cu atomi vecini, prin intermediul forţelor cuaze-elastice. Asupra atomului n acţionează 2 forţe:

(1) . Ecuaţia miscării atomului poate fi prezentată:

(2)

Soluţia ecuaţiei 2 poate fi prezentată ca undă plană monocromatică ţi exprimă prin:

(3) deplasare în cazul unui corp continuu.

(4) x=an (coordonatele nodurilor)

(5)

(6)

(7)

(8)Inlocuim (5), (6), (7), (8) în (2)

(9)

(10)

În cazul corpului discret este caracteristică prin valoarea .

Ea corespunde

10

Page 11: examen de stat

Dependenţa frecvenţiilor în funcţie de K în cazul cînd reţeaua cristalină este un lanţ liniar constituit din atomi de diferite specii avem:

fregventa opticăfregventa acustică

Difirenţa dintre si poate fi redată prin:

Ramura a) (optica): atomii vecini oscileaza unul în direcţia opusă altuia.

Ramura b) (acustică):

atomii vecini oscilează în aceiaşi direcţie.

În cazul tridimensional vibraţiile unui atom sînt superpoziţiile lin. Vribraţiile care sunt create de atomii a întregului cristal.Adică fiecare atom fiind legat cu forţele elastice cu atomii vecini participă în oscilaţii normale (miscarea de amsamblu a particolelor care alcătuiesc întregul cristal se numesc vibraţiile normale.Spectrul vibraţiilor normale poate fi exprimat prin vibraţiile oscilatorului cuantic. Energia căruia este:

(1) n=0,1,2,….

Pentru un lanţ liniar energia oscilaţiilor este egală:

11

Page 12: examen de stat

(2)

Pentru cazul 3D nr. oscilaţiilor cuantici este determinat de nr. de celule elementare N a retelei, nr. de atomi care intră în coponenţa unei celule S şi gradul de libertate al fiecărui atom i=3.

(3)

Energia minimală a oscilaţiilor este:K=1-N

(4)

Cuanta energiei de oscilaţie minimală se numeste fononFononul poate i privit ca o cuazi-particulă.Apariţia unui fonon corespunde

Disparitia unui fonon corespunde La schimbarea energiei corespunde absorbţiei fononului de către reţeaua cristalină, iar corespunde emisiei fononului de către reţea. Cristalul poate fi privit ca un vas umplut de fononi.Varietăţile fononilor sunt determinate în primul rînd de densitatea atomilor într-o celulă dimentară.Pentru cristalul 3D există 3 ramuri:S=1: există numai ramuri acustice.(pentru Si S=2)TA- ramura acustică transversalăLA- ramura acustică longitudinalăLO – ramura optcă longitudinalăTO – ramura optica transversalăOscilaţiile transversale diferă de polarizarea lor. La Si 3 ramuri optice şi 3 acustice.Energia medie a fonnonilor este:

7.Supraconductibilitate: crearea cuplurilor lui Cooper, structura energetică a supraconductorului, factorii care duc la distrugerea stării de supraconductibilitate.Supraconductivitatea

12

Page 13: examen de stat

Temperatura la care are loc tranziţia normală din starea normală în starea de supraconductivitate se numeşte Tcritic. Materialele supraconductive

întrun cîmp magnetic slab se compară cu ca un diamagnetic ideal.

Variază (0,01-20)0KFenomenul de respingere a liniilor cîmpului

magnetic se numeşte efectul Meussnep-Ocsenfelid.Supracondictivitatea poate fi distrusă în cîmp magnetic natural. Mărimea de prag ce distruge supraconductivitatea cîmpului magnetic critic

Bc (T) – depinde de temperatură. La Tcritic , Bc =0

unde Bcr (0)- cîmp

critic la T=00KPb→Bcr(0)=0,084Cositor→ Bcr(0)=0,03

Supraconductibilitatea

1) kT<<ħω

13

Page 14: examen de stat

2) kT>>ħω

Supraconductibilitatea este un fenomen neobişnuit din cauza că propietăţile în domeniul micro şi nano dimensiuni se manifestă în domeniul real. De exemplu în cazul supraconductibilităţii fenomenele lui Josephon care prezintă schimbarea curentului cu totul este determinat de faza funcţiei de undă.Supraconductibilitateaare şi aplicaţii tehnice: dispozitive medicale şi de măsurare cu parametrii extraordinari referitor la sensibilitate, rapiditate, consum de putere etc. Folosind fenomenele în domeniul supraconductibilitate, pot fi create diferite scheme analogice şi digitale, elemente de memorie etc. cu cei mai buni parametrii. Fenomenele Supraconductibilitaţii a fost descoperit de savantul olandez Kamerling-Onnes, care a stabilit că la o T0 dată rezistenţei mercurului scade brusc.

Curba (1) se referă la supraconductibilităţii (2)dependenţa pentru un µe real (3)dependenta pentru un µe idealApare intrebarea: rezistenţa Hg scade pînă la valoarea mică, dar care ≠0, sau scade la 0?

Peste un timp a fost stabilit că

Ag la T0 He lichid:

Onnes a răspus că rezistenţa scade pînă la zero şi-n aşa fel µe trece în stare nouă supraconductibilă.Faptul ca ρ=0 înseamnă că într-un circuit închis curentul poate circula o veşnicie. Experienţa lui Onnes poate fi caracterizată prin următoare schemă:

14

Page 15: examen de stat

La început , comutat S1 este închis dar S2 este deschis. Pe urmă S1 se deconectează S2 se conectează.În bobina de Pb apare curentul, prezenţa căruia este detectată de indicatorul busolei.În 1911 a fost descoperit supraconductibilitatea.În 1933 savanţii germani Meisgner şi Ocsenfeld au stabilit faptul că supraconductibilitatea nu prezintă numai un conductor ideal dar şi un diamagnetic ideal. Asta înseamnă că în cîmp magnetic slabe înăuntrul supraconductibilităţii cîmpul magnetic este egal cu zero, adică cîmpu magnetic este expulzat la T=Tc din interiorul conductibilităţii.

Sa demonstram ca că diamagnetismul ideal nu este consecinţa rezistenţelor nule a supraconductorului. Aplicam una din legile lui Maxwell, care leagă cîmpul electric cu cel magnetic

ρ=0 => E=0 => j=τE jρ=E

Supraconductibilitatea prezintă scaderea rezistenţei pînă la 0 şi apariţia diamagnetului ideal.Procesele care se desfăşoară în supraconductor au fost pe deplin înţelese abia în 1957, cînd savanţii americani Bardeen, Cooper şi Schriffer au propus teoria microscopică bazată pe interacţiunea electronilor

cu fononii şi care ulterior a obţinut denumirea de teoria BCŞ. rot = µoj, µ=1

Dacă | |=0 = > j=0, adică intensitatea curentului în interiorul

supraconductibilităţii egal cu 0, adică curentul curge pe suprafaţa de grosime 10-6-10-7cm rezulta ca la aceeaşi adincime pătrunde cîmpul

15

Page 16: examen de stat

magnetic.Generalizînd densitatea curentului electric în interiorul supraconductibilităţii . E=0, dar cîmpul magnetic patrunde înauntrul supraconductibilităţii la adincimi mici .Explicind fenomenul supraconductibilităţii se bazează pe crearea de catre electroni a cuplurilor Cooper. Dupa crearea perechilor Cooper, proprietatilor electronilor se schimba radical. Teoria BCŞ este teoria interacţiunilor electronilor cu fotoni în starea normală, dintre 2 ē există funcţia de respingerea Culomb. Datorită interacţiunii cu reţea cristalină(fononii), posibilitatea de a

schimba semnul interacţiunii dintre electroni în locul funcţiei de respingere poate sa apara funcţia de atracţie.Cuplurile Cooper crează electroni care au impulsuri egale, dar cu diferite semne.Funcţia de atracţie este foarte mică distanţa dintre electroni care creaza cuplu este mai

mare m. Asta înseamna ca perechile Cooper crează un colectiv

unic care este caracterizat impulsul total=0 şi o funcţie de unda unică. Datorită acestui fapt perechile Cooper se mişcă prin cristal fără împrăştiere,adică rezistenţa =0. Pentru distrugerea cuplului Cooper este necesara energie care se numeşte „fisura” energetică sau bandă energetică, adică toţi electronii cuplaţi se află într-o singură stare enrgetică, care se numeşte stare de bază, deoarece perechile sint bosoni adica sint supuse statisticii Boze-Enstein .Zona energetică a unui supraconductor poate fi prezentată in felul urmator

Exista benzi interzise explică majoritatea proprietăţilor supraconductorului. Cum poate fi distrusa starea de supraconductibilitate:1) cu cresterea temperaturii valoarea fisurii energetice se micsorează şi la T=Tc Δ(Tc)=0

16

Page 17: examen de stat

2) atingerea cîmpului magnetic a valorii critice H=Hc3) marirea curentului în supraconductor I <Ic8.Efectele Iosephson. Squidul.SQUIDCuantificarea fluxului magnetic. Efectul Josephson. Un inel plasat în câmpul magnetic, T< Tc , după ce sa răcit câmpul

magnetic este deconectat.După deconectare câmpul magnetic

în inelul supraconductor câmpul magnetic este îngheţat. Valoarea fluxului magnetic este cuantificat, adică multiplă cu o valoare.

(flaxon)

Cuantificarea câmpului magnetic confirmă faptul că curentul supraconductiv este creat de cuplurile Cooper (valoarea minimă a cuantei

)

Sunt cunoscute 2 efecte Josephson, staţionar şi nestaţionar.Efectul staţionar prezintă supraconductibilitatea care se observă într-o structură, numită contactul Josephson şi care prezintă îmbinarea a 2 supraconductoare care sunt despărţite cu un strat subţire izolator cm prin care este posibilă tunelarea perechilor Cooper.

;

17

Page 18: examen de stat

; (1)

Relaţia (1) afirmă că valoarea curentului supraconductor în contactul Josephson este determinată de adică diferenţa de fază a funcţiei lor de undă în ambele jumătaţi a contactului Josephson.Dacă valoarea curentului depăşeşte valoarea critică Ic, pe contactul Josephson apare tensiunea fluctuaţiei curentului cu frecvenţa f înaltă şi radiaţia electromagnetică din domeniul contactului. Acest fenomen se numeşte efectul Josephson nestaţionar.Comportarea sistemului de electroni poate fi descrisă folosind ecuaţia Shredinger:

;

Din această ecuaţie Josephson am obţinut următoare relaţie

, U tensiunea care cade pe structură (3);

Integrăm: (4);

Apariţia tensiunii pe contactul Josephson înseamnă că prin contact trec electroni normali, adică curentul în cazul dat conţine 2 componente: una prezintă curenul supraconductiv şi a doua componentă prezintă curentul normal.

(5);

(6);

(7);

Din (7) rezultă că curentul oscilează cu . Valoarea frecvenţei

depinde de tensiunea aplicată pe contactul Josephson.

18

Page 19: examen de stat

Daca

Eliminarea radiaţiei electromagnetice din domeniul contactelor Josephson poate fi explicată folosind zona energetică a contactului.

Diferenţa de energie dintre nivelile de bază . Cuanta energetică

a radiaţiei , deoarece trece o pereche de electroni.

SQUID(Supraconducting Quantum Interference Device)Un SQUID în curent continuu reprezintă îmbinarea a 2 contacte Josephson unite cu un supraconductor într-un inel şi care este plasat în câmpul magnetic.

Curentul prin SQUID se schimbă conform următoarei formule: ; ;

Când este un număr întreg atunci rezultă că SQUID-ul se află în stare de supraconductibiliate. Cind F/F0 este un număr semiîntreg atunci se observă cădere de tensiunea. Datorită faptului că cu ajutorul SQUID-ului se poate de măsurat câmpul magnetic extrem de

slab cu precizie foarte înalt( ). cu ajutorul SQUID-ului se

măsoară câmpuri magnetice care apar la funcţionarea organilor interne.

La funcţionarea creierului şi inimiii se crează .

Cu ajutorul SQUID-urilor sunt realizate nu numai magnetometre cu sensibilitatea cea mai mărită, dar şi majoritatea dispozitivelor analogice şi

19

Page 20: examen de stat

digitale cu performaţe extraordinare referitor la performanţă, consum de putere, etc. 9.Mecanismele absorbţiei de lumină în materiale semiconductoare. Absorbţia în semiconductori intrinseci . La absorbţia intrinsecă energia luminii, care nimereşte în semiconductor se cheltui pentru excitarea ē din b.v. în b.c.În conformitate cu legea păstrării energiei aşa absorbţie poate avea loc dacă :

de aici se poate determina max a absorbţiei intrinseci:

În afară de păstrarea energiei trebuie să se păstreze legea păstrării impulsului.

unde: pn—impulsul electronului Pp—impulsul golului Pfot—impulsul fotonuluiÎn limitele primei zone Briulen, proecţia impulsului a ē pe axa cristalografică se află în limitele [-ћπ/a; ћπ/a]. La trecerea optică impulsul ē practic nu se schimbă.

Calculul teoretic al coeficientului de absorbţie intrinsecă pentru trecerile directe

(fig.1) aduce la următoarele:

ň—coieficient de refracţie a semiconductorului.În afară de trecerile directe în aşa semiconductor pot avea loc şi trecerile indirecte (Ge, Si) la care trebuie să se îndeplinească condiţia:

Trecerile indirecte sunt arătate (2) în (fig.2).Aceste treceri se petrec cu participarea a cuaziparticulei a III—fononul. În acest caz legile de păstrare a energiei şi impulsului capătă următoarea formă:

20

Page 21: examen de stat

“+” se referă la procesele care decurg la absorbţia fononului, iar “-” cu procesul de eliminare a fononului. Impulsul fononului ђkfon se află în aceeaşi limite a primei zone Briulen, ca şi impulsul electronului.Limita absorbţiei intrinseci în semiconductor puţin se deplasează sub acţiunea presiunii, care duce la schimbarea constantei reţelei, iar odată cu ea şi structura energetică a semiconductorului. Limita absorbţiei intrinseci

poate să se deplaseze în partea spectrului de unde lungi, sau de unde scurte. Absorbţia în apropierea limitei zonei intrinseci se schimbă de asemenea în câmp electric exterior. Acest efect a primit denumirea de efectul Franţ-Keldiş se lămureşte ca înclinarea benzilor energetice în câmp electric exterior şi absorbţia

tunelară a ē la adîncimea x3-x1 de la punctul x1 în dreapta şi la distanţa x2-x3 de la subpunctul x2 în stânga (fig.3). Din fig.3 se vede că-n punctul x3 ē poate trece din starea Ep în starea En, absorbând un cuant de lumină. 10.Fotoconductibilitatea intrinsecă şi extrinsecă. Cinetica fotoconductibilităţii . Cinetica fotoconductibilitaţiiτ=qnμn+qpμP

τ0=en0μn+ep0μP

Iradiem un cristal cu radiaţie electromagnetică: I0 h hν>Eg

n= n0+Δnp= p0+Δpτ=q(n0+Δn) μn+q(p0+Δp) μp

τ=q(n0 μn + p0 μp)+ q(Δnμn + Δpμp)Δ τ= q(Δnμn + Δpμp) ------ FotoconductibilitateaTimpul de viaţă al purtătorilor de sarcină de neechilibru estemult mai mare decît timpul de relaxare.

G,R- viteza de penetrare şi recombinare a purtătorilor de neechilibru

21

Page 22: examen de stat

- coeficientul ce arată cîţi purtători pot apărea la absorbţia unei cuante de lumină.

t=0= =0 (1- )

(1- ) Conectoare Deconectare

Distribuţia spectrală a fotoconductibilităţii

Cu cresterea coeficientului de absorbţie are loc creşterea fotoconductibilităţii.

II.DISPOZITIVE MICRONANOOPTOELECTRONICE ŞI TRADUCTOARE1.Teoria şi calculul parametrilor joncţiunii p-n.Teoria redresării şi deducerea caracteristicelor volt-amperice ale joncţiunii p-n.Fie că avem un semiconductor de tip p şi altul de tip n. nnpp=ni

2 ; Na>Nd. la hotar apare un gradient de difuzie, se formează un cîmp electric E. Sub acţiunea lui apare curent de derivă. Dacă nu acţionăm cu cîmp electric exterior , se formează un echilibru dinamic unde suma tuturor curenţilor este =cu zero.

22

Page 23: examen de stat

o depinde de Na , Nd , ni ; ni ~ e-Eg/kT ; c ~ 2/3 Eg2. Repartizarea potenţialului de contact: (x)

Ecuaţiile lui Poisson pentru reg. n şi p . Condiţiile de limită:N: x =n ; n(n )=0 ; n

I(n )=0 ; p: x =p ; p(-p )= -o ; p

I(-p )=0 ; x =0 ; n(0 )= T ; n

I(0 )= pI(0 ) ;

2 1: pentru n: nII(x)= -kn , I(x)=-kn+c

n(x)=-kn x2 /2 +c1x+c2 ; determinăm c1 şi c2 :23

2

Page 24: examen de stat

c1=knn ; c2= -knn2 /2

n(x)= -knx2 /2 +knnx -knn2 /2 =>

pentru p: pII(x)=kp ; p

I(x )= kp+c1 =>c1=kpp ; p(x)= kpx2 /2 +c1x+c2 =>c2= -0+ kpp

2 /2 =>

5.sarcina de volum Q: ; pentru joncţiunea abruptă:

Qa= -qNa xp ; Qd= -qNd xn ;Cb – caracterizează schimbarea sarcinii de volum la schimbarea tensiunii. Odată cu formarea sarcinilor spaţiale în semic. De tip n apar sarcini pozitive iar în cel de tip p-sarcini negative , distanţa dintre care variază cu mărimea tensiunii aplicate. Aceste sarcini pot fi privite ca un condensator plan. Capacitatea acestui cond.- Cb

C=dQa,d/dU ; pentru joncţiunea abruptă:Ca,d =qNa dp/ dU=qNd dn/dU; dacă privim joncţ. ca un condens. plan cu distanţa dintre plăci n :

Cb=f(U) se întrebiunţează pentru determinarea distribuirii concentraţiilor în

semicond.cu rezistenţă înaltă:

3. Cîmpul electric de contact:

4.xn , xp ; xo= xn + xp ; xn=n ; xp=p ; x=0 ; n(0)= p(0) ; n

I(0)= pI(0) ;

24

Page 25: examen de stat

; Qa=Qd ;

qNap= qNdn ; p/n=Nd/Na ;

dacă cîmpul electric exterior este diferit de 0 atunci U nu este 0:

Lărgimea joncţuinii depinde invers de concentraţie şi direct proporţional cu potenţialul de contact. La joncţiunea simetrică:Na=Nd=N ; p=n:

; p=n=o/2

Joncţiunea nesimetrică: Na>>Nd =>

Nd>>Na=>

Teoria redresării şi deducerii CVA a joncţ. P-n

U=Udir; -qU; xo-x; R-R.

Dispozitivele cu joncţ. P-n lucrează ori la polarizare directă ori la cea inversă. Vom cerceta aceste procese în regim deschis şi închis, folosindune de diagrama zonală pentru regim staţionar.P(x) şi n(x) se deplasează dioda se

25

Page 26: examen de stat

deschide apare j=jdir. Nivelul fermi se shimbă cu qU. Are loc procesul de injecţie a electr. Polarizarea inversă:Procesul de extracţie are loc în rezultatul procesului de extracţie a sarcinilor. Condiţiile de limită:1)pentru pol.directă: x=0; pI(U)=pneqU/kT , nI(U)=npeqU/kT 2)pentru pol.inversă: x=0; pI(-U)=pne-qU/kT , nI(-U)=npe-qU/kT

pentru deducerea CVA e necesar de a determina profilele n(x),p(x) apoi de detrminat jn=qDdn/dx; jp= -qDdp/dx.Pentru a calcula n(x) , p(x) ne vom folosi de ecuaţia de bază:

Ec.(3) este ec.generală ce descriu profilele sarcinilor injectate. Determinăm CVA în caz general:

Aceste ecuaţii le vom scrie p/u 2 cazuri: a)bază mare; b)bază mică:

În acest caz avem dependenţă exponenţială

26

Page 27: examen de stat

Iar în acest caz avem dependenţă liniară.Vom demonstra CVA pentru aceste 2 cazuri:

curenţii cu sarcină injectată se supun legii exponenţiale.

Pentru x=0: ; ; j=joA

unde :

jo depinde de temperat. după

legea exponenţială, cu creşterea lui T creşte şi jo.

b) folosim ecuaţia curenţilor:

La nivel înalt de injecţie apare un cîmp electric local şi curentul prezintă suma curenţilor de difuzie şi de drift , în acest caz e necesar să luăm în consideraţie cifra 2 pentru diode cu baza mare , iar pentru diode cu baza mică vom lua raportul bazei la lungimea de difuzie şi viteza de recombinare.

27

Page 28: examen de stat

La nivel înalt de injecţie concenteţia sarcinilor pI>nn ; nI>pp. În acest caz apare cîmp electric local ce se

determină după formula: ca

rezultat curentul va fi alcătuit din suma curenţilor de difuzie şi de drift: j=jd+jE.

În acest caz pentru diodă cu bază mare:W>>L =>

Pentru diodă cu baza mică:W<<L =>

Pentru diode cu baza mică curentul de saturaţie nu este constant dar depinde de tensiunea inversă. Deasemenea pentru diode cu baza mică apare influenţa contactelor ohmice asupra CVA şi a parametrilor.

a) b)

unde S- viteza de recombinare în contacte.

-coeficient ce depinde de proporţionalitate a contactelor ohmice. Pentru funcţionarea normală e necesară obţinerea contactalor de înaltă calitate.2.Teoria redresării si modelele CVA ale diodei Shotkky1)U=U0=0 2) U=Uinv 3) U=Udir

28

Page 29: examen de stat

Sunt mai multe metode teoretice de deducere a: 1)Diodic;2)Cu CVA difuzie; 3)Model cu termo emisie în cîmpul electric; 4)Model cu recombinare; 5)Model cu tunel; 6)Alte modele.1)Model diodic:

La bază se află ecuaţiille:

2)Model cu difuzie:Acest model are loc în cazul barierilor mai adînci

29

Page 30: examen de stat

Înmulţim cu şi primim:

4)Mecanizm cu emisie la cîmp înalt:

5)Tunelare prin nivel-impuritate (aproximativ ca în(3)) 6)Conductibilitate cu recombinare:

3.Heterojoncţiuni. Diagrame zonale, parametrii si caracteristicele.Heterojoncţiunea este contactul dintre 2 semiconductori diferiţi. Creşterea

unui semiconductor pe altul se poate efectua prin: epitaxie, gaze, lichide. ; constanta reţelei , reţele identice , coeficientul termic de dilatare T1=T2.

Diagrame zonale:

30

Page 31: examen de stat

Pe baza heterojoncţiunilor pot fi formate mai multe structuri: p1-n2 ;n1-p2 ;n1-n2 ;p1-p2.

Des.1

În heterojoncţiuni este posibil de a dirija cu tipul de conductibilitate (la conducţie participă numai electroni ori numai goluri).Parametrii heterojoncţiunilor: c ;Ec ;Ln ;Lp ;L0 ;Q1 ;Q2 ;Cb . Pentru calculul

acestor parametri se foloseşte ecuaţia lui Poisson:

În hetrioj.: N11=N22 -simetrică. -nesimetr.

Heterojoncţiunea se aseamănă cu homojoncţiunea abruptă.

Q1=qN1L1

Q2=qN2L2

(Des1)

Mecanizmele de conductibilitate pot fi: difuzie, drift, recombinare, emisie termoelectronică, termoelectronică cu cîmp, tunelare. Cercetăm aceste mecanizme pe baza diagramelor zonale: 1)la polarizare directă U=0 (des.1)

31

Page 32: examen de stat

2)La polarizare inversă: U=Uinv

Efectele: 1)L+L ; 2) ; 3)n2 ,p1 ,p2 –respinse ;4)drift n1

Jmv ~n1+p2tunel

3)Polarizare directă: U=Udir

Efectele: 1)injecţia p1

2)injecţia slabă n2 .

extracţia n2I. Jdir p > Jdir n Jtot > Jdir p

Faptul că în conductibilitate poate participa numai un fel de sarcini duce la îmbunătăţirea proceselor de injecţie , deci şi la mărirea eficienţii de recombinare. Pentru deducerea CVA se folosesc mai multe modele şi teorii principale: 1)de difuzie şi de drift.

2)Modelul de emisie:

xm-lăţimea joncţiunii ;

a) -mecanism de difuzie ;

32

Page 33: examen de stat

b) -emisie termoelectronică.

3)Modelul de recombinare j1+j2=j – recombinare.

4)Modelul cu efect tunel:I=ztun E ; ztun – coef.de tunelare. Acest model poate fi aplicat la p-n înguste

1) p1-n2 Eg1<Eg2

K1<K2 A1<A2 Fp<Fn2) p1-n2 Eg1<Eg2 K1>K2 A1>A2 Fp<Fn

3) n1-n2 Eg1>Eg2 K1<K2 A1<A2 Fp>Fn

4) p1-p2 Eg1<Eg2 K1<K2 A1<A2 Fp<Fn

Ec=K1-K2=K Ev=(K1+Eg2)-(K1+Eg1)= K+Eg

4. Diode tunel Dioda tunel se utilizează pe baza semiconductorilor dopaţi pînă la concentraţii foarte înalte: . La aşa concentraţii mari EF

se află înăuntrul benzilor Ec şi Ev . Dioda tunel serveşte pentru: comutare, generare, amplificare la frecvenţe foarte mari.

Tunelarea are loc în joncţiunile care sînt înguste, iar cîmpul este mare.

33

Page 34: examen de stat

n(E) , p(E)-densitatea stărilor electronilor şi golurilor ;-coeficientul funcţiei de formă a barierii ;

34

Page 35: examen de stat

fn(E) , fp(E)-funcţia fermi.La frecvenţe mari dioda tunel are următoarea schemă echivalentă:

condiţia de rezonanţă .

Pentru diode tunel rezistenţa bazei cît şi a contactului trebuie să fie minimă, chiar mai mică ca Rd. În condiţii normale de lucru trebuie să se îndeplinească şi alte condiţii: Rb+Rd >L /CR ; L-min ; Rb-min; Rcont-min. Dioda tunel funcţionează la frecvenţe foarte înalte fmax ~5-50GHz. Materialele de bază: Ge, GaAs, InSb. Pentru diferite materiale primim diferite: Imin, Imax, U1, U2, U3.

1.regiunea de comutare:regiunea MN nestabilă ;

2.regiunea de amplificare.

3.regim de generare: alegînd parametrii Rd ,Rext ,Cb , L putem primi conturul cu rez=2frez

Probleme întîlnite: 1) doparea Na~1020-1021 cm-3 Nd~1018-1019 cm-3

La astfel de concentraţii materialul devine defectat.2)Nivelul fermi este în Ec şi Ev . Eg-energia de suprapunere Eg~Ec, Ev.3)Degradarea: 1-normal; 2-degradat

Pricina de degradare:

35

Page 36: examen de stat

a)La concentraţii avem gradient mare ;

b)

c)defecte pe straturi:p+, n+

5. Compararea tranzistoarelor cu drift si fară drift: cîmpul în bază, diagrame zonale.În tehnica semiconductorilor se aplică TB cu drift şi fără drift . Practic mai mult se folosesc numai cele cu drift . Clasificarea celor cu drift şi fără drift se bazează pe mecanizmul de transport al sarcinilor.

Ec – este foarte concentrat dar îngust.36

Page 37: examen de stat

Pentru 0< x< W

-gradientul ce caracterizează dependenţa exponenţială a impurităţilor în bază.

(7)

Pentru TR.cu drift rolul principal îl joacă timpul de accelerare.6.Parametrii de eficienţă a tranzistoarelor bipolare1. Eficienţa emitorului.

În regim activ din emitor în bază sînt injectate golurile Ipe , din bază în emitor sînt injectaţi electroni Ine . Prin eficitatea emitorului se subînţelege:

E necesar ca nivelul de dopare a emitorului să fie mai mare decît nivelul de dopare a bazei: În bază:1016 cm -3 , în emitor 1020 cm –3 .2. Coeficientul de transfer în bază:

37

Page 38: examen de stat

(1) EB = 0 W- grosimea bazei

(2) (4)

Fie că tranzistorul nostru e comutat după BC. În regim activ şi se dă o tensiuneUE (x,t) = u0+u1exp(it) (5) ; P (x,t) = p0(x)+p1(x)exp(it) (6) ; j (x,t) = j0(x)+j1(x)exp(it) (7) ; Rezolvăm (6) cu ecuaţia continuităţii:

pI(0)=1 (9) pI(W)=0 (10) ; A1+A2 =1 ; A1=1-A2 (10a)

38

Page 39: examen de stat

Pentru

frecvenţe joase cînd ip <1

La micşorarea W:

Coeficientul de amplificare a curentului în schema cu BC.

Eficienţa colectorului:

(E mai bună n >p)

7.Caracteristicele volt-amperice ale tranzistorului bipolar.Procesele fizice a TB pot fi descrise prin sistemă de ecuaţii ce reprezintă modelul matematic al tranzistorului. Pentru obţinerea acestui model e necesar de a obţine ecuaţii care ar lega curentul tranzistorului cu joncţiunea la emitor şi colector. Pentru componentele curentului determinate de ē a emitorului şi a colectorului avem următoarele ecuaţii:

39

Page 40: examen de stat

Componentele curenţilor determinate de pot fi determinate din ecuaţia de continuitate pentru regiunile E şi C.Pentru E:

Calculul curentului în C prezintă o problemă mai complicată deoarece formula (2) ne arată curentul electric numai în baza activă. Construcţia reală a TB este:P2 –baza pasivă sub metalizaţie ; P1 –suprafaţa pe care nu se află metal.Fie că TB lucrează în regim invers, atunci în suprafaţa Sc-Se curentul va fi:

şi socotim că viteza de recombinaresub stratul de metalizare şi la suprafaţa bazei sînt foarte mari.

Curentul total în colector va fi:

(8) şi (5) sînt forme de bază ce descriu curenţii în tranzistor şi ele pot fi scrise sub diferite forme :

40

Page 41: examen de stat

sau altă formă:

N-coef.de transfer a curentului în regiunea activă .

- ne arată cum acţionează joncţiunea E şi C

una cu alta şi ea are mare însemnătate pentru tranzistor cu bază scurtă: W/Ln <<1 ; Pentru tranzistor cu bază lungă: W/Ln >1 ; E şi C nu acţionează unul asupra altuia.Notăm:

Ebers şi Moll au arătat această legătură ce descriu procesele fizice în TB şi poartă denumirea de modelul Ebers – Moll.8.Caracteristicele de impuls ale transzistorului bipolar. Deducerea caracteristicii de comutare.Dispozitivele semiconductoare şi circuitele integrate aplicate în calculatoare, memorii statice şi dinamice lucrează în regim de impuls, regim de saturaţie şi regim de blocare.

41

Page 42: examen de stat

42

Page 43: examen de stat

9.TEC cu jonctiune p-n. Deducerea CVA.TEC funcţionează pe baza dirijării proceselor electronice cu curentul electric. Aceste tranzistoare sînt unipolare. În conductibilitate lucrează ori p, ori n.TEC cu canal propriu şi joncţ.p-n:

În regim activ : la polarizare inversă joncţiunea se lărgeşte cu h(U): W(U) = a-h(U) ; Id = f(Ud,Ug) TEC se mai foloseşte pentru amplificarea tensiunii, puterii.

Caracteristicile:1.Id =f(Ug) la Ud const. 2. Id =f(Ud) la Ug const. Ugo-tensiunea de prag pentru canalul p

43

Page 44: examen de stat

-Ugo-tensiunea de prag pentru canalul p1-segmentul liniar2- segmentul de saturare3-segmentul de străpungereCurentul ve fi mai mare cînd Ug3<Ug2<Ug1 , pe baza acestor caracteristici putem determina :

1) 2) conductibilitatea ; 3)Panta

;

4)coeficientul de amplificare ; 5) parametrul de frecvenţă fmax ; 6) Imax , Umax , Pmax – reiese din valorile maximale a caracteristicilor.Deducem caracteristicile:

;

dacă U=Ug , Ud=0

W(Ug=Ugo)=ah(Ugo)=0. Dacă canalul este închis atunci Ug=Ugo

- tensiunea de prag . Depinde de concentraţie şi de grosimea

plăcii.

Deci putem construi caracteristica:

44

Page 45: examen de stat

Regimul de lucru a tranzistorului este regimul de saturare . În acest regim determinăm: Is=f(Uds) ,σs , Ss.Punem condiţia :Ud+Ug=Ug0 . Pentru a primi Ids=f(Uds) înlocuim Ud cu Ug

Ug=Ug0-Ud .

Deci primim:

;

10. MOS-tranzistoare. Deducerea CVA pentru tranzistorul cu canal indus.Construcţia unui astfel de tranzistor poate fi arătată în felul următor:

La un astfel de tranzistor în comparaţie de cel cu canal propriu îi lipseşte canalul. În cazul cînd ; L-lungimea canalului.Caracteristicile V-A.I=f(Ud,Ug),

.

Parametrii: Qi = 0 –dielectricul nu conţine sarcină Ci – capacitatea structurii MOS

di –grosimea dielectricuului. Qn =UCi ;

45

Page 46: examen de stat

Qn = Qtot-QA- = (Ug-Up)Ci – UpCi = (Ug-Up-U)Ci (7) ;

1-regim liniar.2-regim de saturaţie3-regim de străpungerePrecăutăm regimul de saturare:

Ug –Ud = Up (10) ; Ug –Ud -Up =0 ; ;

determinăm panta-S ; lăţimea canalului-Z

11. Dispozitive cuplate cu sarcini DSC-dispozitive ce funcţionează pe baza efectului de cuplare, memorizare şi transferul sarcinii. La baza acestor dispozitive se aplică TMOS cu canal indus.DSC cu 3 faze:

46

Page 47: examen de stat

1,2,3,4,5,6-porţi metalice. Dacă aplicăm o tensiune la D, obţinem o groapă de potenţial. Putem genera , transfera, memoriza în dependenţă de tensiunile aplicate U1,2,3 pe suprafaţa semiconductorului pe poarta respectivă vom obţine sarcina informaţională: Aceste dispozitive cu 3 sarcini au plusuri şi neajunsuri.+ tehnologia planară ; + memorii mari+ registru cu 3 faze e utilizat pe larg ; + frecvenţe mari- multe contacte de suprapunere ; -fiabilitate scăzută ; - probleme cu defecte de suprafaţă.Pentru a exclude neajunsurile pe larg se folosesc dispozitive cu 2 sarcini cuplate. Groapa de potenţial apare sub dielectricul subţire. Funcţiile de registru se îndeplinesc ca şi în cazul 1. Are loc transferul, înscrierea, memorizarea, citirea. a) DSC cu porţi îngropate. b) DSC cu joncţiuni în lanţ.

În acest caz avem o serie de tranz.MOS cu canal inversat. Sarcina informaţională ΔQ=CiΔUg se transferă de la un tranzistor la altul pentru comutarea tensiunii U1, U2 . Concentraţii minimale, fiabilitate mare. Pentru a exclude defectele de pe suprafaţă se dopează suprafaţa de impurităţi adăugătoare. Problema contactelor se rezolvă folosind în

calitate de contact polisiliciu sau metale cu temperatură mare. Parametrii: DSC sunt caracterizate cu mai mulţi parametrii:

1) care formează zgomote de suprafaţă.

2) fmax depinde de lungimea canalului şi de ;

3) Eficienţa unde 1-η – pierderile

4) ΔQ=CiΔUg

5) Durata vieţii de exploatare

47

Page 48: examen de stat

Aceste dispozitive sunt sensibile la lumină şi radiaţie , însă aceste efecte sînt pozitive pentru alte aplicaţii (optoelectronică, camere video, cinematografie, ecrane şi displeie)12.Mecanismul electroluminescenţei prin injecţie în joncţiuni şi heterojoncţiuni. Construcţia, caracteristicile şi parametrele ale diodelor electroluminescente.În calitate de emiţători necoerenţi pot fi utilizate tuburi cu incandescenţă şi cu tuburi cu descărcări în gaze supraminiature , luminofore sub formă de praf şi pelicolă. DE ,însă cerinţele ce se referă la Disp.Opto. Elec.sunt satisfăcute numai deorece se carac. Cu o valoare mare a eficienţei de transformare a energiei electrice în cea luminoasă cu fiabilitatea înaltă , durată mare de funcţii , stabilitate către acţiuni mecanice şi climaterice , rapiditate înaltă ( Ins 10-10s). ELD este procesul de recombinare a purtătorilor de sarcini neechilibraţi prin trecerea purtătorilor prin semi. DE se împart în 3 grupe:1)DE care radiază în domeniul vizibil al spectrului optic şi care se utilizează p/u afişarea informaţiei de simboluri .2)DE care radiază în domenii infraroşii pe care se utilizează în optocuploare şi în comunicaţii optice prin fibre optice.3)DE de o putere înaltăde rotaţie.Diodele acestor grupe se fabrică din materiale semi-re :GaP, GaAs, GaAs1-xPx, Ga1-xAlxAs, In1-xGaxAs1-yPy, GaAsPSby, InGaAsPSb. Mai puţin se utilizează InP. Principiul de funcţionare a DE acestor grupe este acelaşi şi se bazează pe fenomenul electroluminiscenţei spontane prin injecţie adica injecţia purtătorilor de sarcină minoritari prin jonc. p-n în domeniul activ a cristalului ,care are o joncţiune omogenă ,heterojoncţiune sau o jonc variabilă. Specific proceselor de injecţie în DE (LED) constă în aceea că unul din domeniul al joncţiunii trebuie să fie optic activ, adică trebuie să aibă o eficienţă mare de transferare a energiei electrice în energie luminoasă aşa domeniu în DE ca deobicei este domeniul de tipul p. . Acest domeniu activ se mai numeşte bază. Din fizica corpului solid cunoaştem că recombinarea purt. de sarc. Neechilibraţi într-o unitate de volum şi de timp se determină prin formula:R=Bnppp0 (1) unde R-viteza de recombinare B-coef. De recombinare np-concent.purt.de sar. neechil. ppo -echilibraţi

48

Page 49: examen de stat

P/u mat. sem. cu tranziţii directe B=7,2*10-10cm3/scu tranziţii indirecte B=5,3*10-14cm3-s. Domeniul optic activ trebuie să fie fluxul :ФR=Bnpppo (2)Intensitatea de radiaţie IradR=Bnpppo

Sau Irad=f()nppp (1a) probabilitatea Electroluminiscenţa apare în jonc. ce sunt căpătate în semic. La doparea lor cu impurităţi şi în aceste joncţiuni au următoarele procese de bază:

49

DE după structură se reprezintă printr-un cristal cu 2 contacte omice.Nde-(qVd/kT)=ni

2/NA , (5) np=ni

2/Na(1-e-(x/Ln)), (3)

Vd= ln(NdNA/ni2) ,(6)

Nd Na pentru a forma această jonc. se respectă: np=nI

2 ; np=ni

2/NR EdkT4kTEAkT4kTrepartizarea de-a lungul cristalului a purtătorilor.jnp=-qDn

=-q(Dn/NALn)e-(x/Ln)

(4) Deplasarea electronilor din p în n unde Ln=τn

Page 50: examen de stat

50

Distribuţia după energie

np(E)e distribuţia

Maxwell Boltzman

Page 51: examen de stat

Vom precăuta cînd U0 şi joncţiunea are opolarizare directă.

Numărul de electroni în n va fi mai mare decît în p cu ejn=jnn- jnp x=0 =q(ni

2Dn/NALn)*(e(qU/kT)-1) (7)

e-(x/Ln) x=0=1

curentul total I=jnSjp=jpp-jpn=q(ni

2Dp/NDLp)(eqU/kT-1) (7a)

j=jn+jp=js(eqU/kT-1) (8) formula lui Sotkli

js=j0=qnI=(Dn/LnNA+Dp/LpND) (9) formula (8) a fost determinată în condiţiile că:- în apropierea frontierei metalurgice nu se formează defecte a reţelei cristaline (ideală)- în straturi a reţelei spaţiale nu sunt impurităţi ce formează nivele energetice adînci.- Deplasarea purtătorilor de sarcini este numai într-o singură direcţie (direcţia cîmpului exterior).Formula (8) mai are forma: I=Is(eqU/kT-1) (10) I=jS unde U0 sau U0

51

Page 52: examen de stat

1-polarrizare directă 4-curba teoretică la 2-experimentală (Ge) polarizare directă3-curba teoretică (Si) 5-exp6-teoretică (indirectă) a;m=2, b;m=1, c;m=12, d;m2În regiunea a se aflau impurităţi ce formau nivele energetice adînci, I=Is(eqU/mkT-1) (11)Sectorul a ne caracterizează mecanizmul de parcurgere a purtătorilor de sarcini prin joncţiunea p-n şi este efectuat de curentul de recombinare în stratul sărăcit.Sectorul b se caracterizează prin deplasarea de difuzie a purtătorilor de sarcini din emitor în bază ,la difuzie apare un curent Idif (descrisă prin formula lui Sotkly).Sectorul c se descrie prin curentul de difuzie şi curentul de drift Idif+Idrift are o mai mare importanţăÎn d cînd rezistenţa joncţiunii p-n =0 rezultă toată tensiunea cade pe bază şi curentul este determinat cu rezistenţa bazei ce eunită şn serie la circuit.Coeficientul de injecţie? =In/Itot=In/In+Ip (12a) într-o joncţiune abruptă cînd NDNA .Dacă NDNA InIp şi avem situaţia cînd avem injecţie într-o direcţie ?1 Însă curentul total mai are componente ?=In/In+Ip+Irecomb+Itunel+IAuger+Isupraf (12)Ca să nu avem Isupraf trebuie să asigurăm un strat dielectric (SiO2) şi deci Isupr=0 , IAuger=0 cînd avem banda interzisă destul de mare (1,4eV)Itunel apare în joncţiune puternic dopate (poate fi Itun=0)În domeniul vizibil =0,350,7m Ef1,8 eV Recombinarea poate fi în 3 moduri :1)recombinarea radiativă –la care energia de prisos este emisă în formă de cuantă(foton) de lumină.2)recombinare neradiativă-energia deprisos este transmisă reţelei cristalină şi aduce la majorarea cristalului.3)recombinare neradiativă-energia deprisos este transmisă al treilea particule. Energia particolei a 3 e transmisă ca fonon reţelei cristaline .Eficienţa recombinării radiative se caracterizează prin eficienţa cuantică internă care ne arată cîţi fotoni apar sau se regenerează la recombinarea unui electron neechilibrat. ηint=Nfotoni/num.de elec.Numărul de electroni în domeniul activ se determină prin numărul electronilor injectaţi în p-n.

Qn= τef (13) 1/τefectiv=1/τRadiativă+ 1/τNeradiativă (14)

Nfotoni=Qn/τR (15) ηint=Nfotoni/(I/q)=Qn/τR*τef/Qn=τef/τR=1/(1+τR/τNR) (16)

Din (16)reese că ?int1 dacă ?NRτRηint152

Page 53: examen de stat

Adică la recombinarea unui electron putem căpăta un foton sau chiar mai puţin .

Prad.internă= hυ*ηint (17)

DE se caracterizează prin eficienţa cuantică exterioară(parametrul ?ext) ηext=Nfotoni/num.purt. ηext=ηint*γ*ηoptic (18) ηext=(τNR/τNR+τR)*(1-σp/σn)*ηopt (18a) ND=5*1017cm-3

NA=5*1017----1*1018cm-3

ηopt=ηα*ηffresnel*ηθcritic (19)coeficient de refracţie R1=(n1-n2)/(n1+n2) (20)coeficient de transparenţă T=1-R=1-(4/(2+n1/n2+n2/n1)) (21)T=0,69----0,702 numai 70 de energie la căderea normală către frontierăse va reflecta mai departe. n1sinθ1=n2sinθ2 , θcritic=arcsin(n2/n1), θcritic=17°.

ηF2=T/ηθcritic=(n2/n1)2 dacă νext=100 α= adîncimea la care ajunge

fotonul. P/u a micşora absorbţia fotonilor generaţi în mediul activ se utilizează următoarea metodă:-micşorarea energiei fotonilor generaţi prin întroducerea impurităţilor în domeniul activ în bază.-utilizarea semiconductorilor cu tranziţii indirecte.

2)pentru mărirea eficienţei schimbăm forma cristalului

53

ηext=37 ηint=5083

Page 54: examen de stat

Structura joncţiunilor în DE:

Parametrii diodelor electroluminiscente.

54

Page 55: examen de stat

1)lungimea de undă ce iradiază DE ?max,Δλ300400APrad=I/q* hυ*η

Curentul maximal la polarizare directă:Imax.dir.

Durata de funcţionare-?

Ea—o aşa energie de activare la care temperatura T se va schimba cu 10C.Τ—se va micsora de doua ori .Dacγ m=1 τ=106ore de funcţionare neîntreruptă.Degradarea are loc din 2 motive :1)difuziei impurităţilor ,cîmpuri electrice înalte în domeniul activ.2)difuzia impurităţilor din contactele omice ale DE (impurităţi cu:Cr,Ni,Ag,Au,Fe ele formeazăcentre neradiativeale DE).

Marcarea Numărul elaborării AЛ 102Б КЛ101А Tipul Materialul folosit

Heterojonctiunile simple sau duble sunt structuri de tipul AlGaAs – GaAs, sau Al InAs – GaInAs – AlInAs, AlGaAs – InGaAs – AlGaAs, sau AlGaAs – GaAs – AlGaAs, precum si alte combinatii si sunt utilizate pentru realizarea diodelor LASER[Shi;Zha]  si a tranzistoarelor cu efect de câmp HEMT[Mat;Lai] (High Electron Mobility Tranzistor), care functioneaza în frecvente de zeci de GHz. Ambele tipuri de dispozitive exploateaza discontinuitatile mari între benzile interzise ale straturilor în contact, ceea ce determina pe de o parte indici de refractie diferiti pentru stratul

55

Rapiditatea : Prad/Pel.cons.=η randamentulPrad(t)=Prad(0)e-t/τ

iniţialăτ=Aj-me-(Ea/kT)

Ea—energia de activare j=js(eqU/mkT-1)

Page 56: examen de stat

intermediar fata de cele doua straturi vecine, iar pe de alta parte, în stratul intermediar, se poate obtine o densitate ridicata a gazului electronic bidimensional (2DEG), combinata cu o mobilitate ridicata a electronilor si, implicit o densitate ridicata de curent. Gazul electronic bidimensional, se formeaza în interfata dintre straturile structurii, densitatea superficiala de electroni fiind 4.5 , iar mobilitatea electronilor depaseste 10000cm/Vs [Mat]. Densitatea curentului de prag al diodelor LASER, realizata cu heterojonctiune simpla este de ordinul: , iar pentru heterojonctiuni duble, curentul de prag scade cu un ordin de marime la: Heterojonctiunile cu GaN nu necesita dopari, pentru ca exista în mod natural regiuni puternic polarizate, care poseda sarcini electrice.CONSTRUCŢIA DIAGRAMEI ENERGETICEO să studiem diagrama energetică a heterojoncţiunii GaAs – Ge.Presupunem că proprietăţile acestor semiconductori nu variază în volum până la graniţa metalică a heterojoncţiunii.

, ; - lucrul de ieşire (extracţie) al electronilor, fiind egal cu energia necesară

pentru a transfera un electron de pe nivelul Fermi pe nivelul energetic al vidului.

- afinitatea electronică, fiind energia necesară pentru transferul electronului de pe pe nivelul vidului (nu depinde de poziţia nivelului Fermi, de gradul de dopare).

Se vede că energia electronilor pe nivelul este mai mică ca pe . Deci, la contactul acestor semiconductori nivele Fermi vor coincide şi un număr de electroni din GaAs vor trece în Ge. Aceasta face ca zonele energetice în GaAs să se coboare în jos, iar cele din Ge să se ridice în sus. Numai capetele zonelor energetice rămân nemişcate.Curbura zonelor o însemnăm prin şi .

56

Page 57: examen de stat

Diferenţa dintre nivelele Fermi care a fost lichidată în urma contactului va fi:

. (1)Însemnăm prin „ ” şi „ ” – grosimea regiunii de sarcină spaţială în semiconductorul „n” şi „p”. Atunci obţinem:

;Din ecuaţia lui Poisson:

; ;

;; .

Aflăm valorile discontinuităţii benzilor energetice în regiunea contactului:.

În ultima relaţie introducem relaţia (1) şi obţinem:.

Analogic se poate calcula:.

De aici rezultă: .Acestea sunt expresiile pentru discontinuitatea zonelor energetice pentru orice nivel de dopare al semiconductorului.

Analogic se construieşte diagrama energetică pentru pGaAs – nGe.

57

Page 58: examen de stat

Dacă este mare, atunci este limitată injecţia golurilor din „p” în „n”. Atunci curentul prin joncţiune este format prin recombinarea purtătorilor de sarcină la graniţa metalurgică a joncţiunii.

Discontinuităţile (rupturile) benzilor energetice generează următoarele particularităţi proprii ale heterojoncţiunilor:1. La polarizarea directă a heterojoncţiunii poate avea loc injecţia unilaterală a purtătorilor de sarcină (din semiconductorul cu bandă energetică interzisă în cel cu banda energetică interzisă îngustă).2. În heterojoncţiuni este posibilă situaţia când în semiconductorul cu mică concentraţia purtătorilor de sarcină injectaţi este mai mare ca concentraţia purtătorilor de sarcină majoritari în semiconductorul cu largă. Acest efect se numeşte „superinjecţie” şi se foloseşte în structurile laser şi a diodelor luminescente.3. În cazul când bariera de contact este destul de îngustă ( ) proprietăţile barierei vor depinde de constantele dielectrice ale semiconductorilor şi, deci, de curenţii de întuneric.4. În heterojoncţiunile ideale, la graniţă, poate apărea reflectarea purtătorilor de sarcină şi variaţia maselor efective ale purtătorilor de sarcină. Aceasta, iarăşi, influenţează curentul prin joncţiune.La proiectarea dispozitivelor optoelectronice pe bază de heterojoncţiuni este necesar să se ia în consideraţie: Constantele dielectrice; Coeficienţii de refracţie; Coeficienţii de transparenţă; etc.De exemplu, în heterolaser, stratul activ (mijlociu) trebuie să aibă coeficientul de refracţie „ ” mai mare ca în regiunile emitorului.Neajunsul principal: La heterograniţă există o cantitate mărită de defecte, care sunt generate de: difuzia reciprocă a materialelor ce contactează;

58

Page 59: examen de stat

formarea fazelor intermediare dintre materialele ce contactează; defecte ale reţelei cristaline din cauza ; defecte din cauza , ( - raza atomilor).13.Procesele fizice în laserii cu semiconductori; caracteristicile şi parametrele ale diodelor laserLaserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale.

L—distanţa rezonatorului optic. Amplificarea va avea loc cînd:L=m(λ/2), m=0,1,2……..

59

Page 60: examen de stat

Nu avem tensiune exterioară

d0—grosimea stratului sărăcit 1)N2N1

2)αωβ se descrie cu ajutorul ecuaώiei: R*e 1 R1=R2=RR*e(gt-α)L1 R--coeficient de difracţie gt—amplificare R1R2 e(gt-α)L1 α—coef. de absorbώie gt=[c2(N2-N1*(g2/g1))g(ω)]/8πγ2n2τrec

jth=8πυ2Δυn2d/c2ηext[α+ ln( )]

jth=1/β(α+ ln(1/ ))

Lazerii pe parcurs de timp pot să-şi schimbe puterea de radiaţie .Prad(t)=Prad(0)e-(t/τ)

În formula dată are loc proces de degradare şi sunt 3 tipuri de degradare:a)catastrofică, b)apariţia liniilor negre ,c)încetinităa) diferite straturi epitaxiale au diferiţi coeficienţi termici de dilatare liberă la încălzire.

60

în 1967 Cazarinov a arătat joncţ. omogene GaAscă se poate obţineheterojoncţiuni adică numărul de sarcini injectat în heterojon. poate depăşi valoarea sarcinilor majoritari. În aşa caz se poate de căpătat Inversia de populaţie. Această inversie are loc înstratul sărăîcit cu gr. d.

Page 61: examen de stat

b) majorarea defectelor a reţelei cristaline şi a apariţiilor lor în mediul activ,dacă în suport sunt defecte a reţelei cristaline apoi pe parcursulfuncţionării lazerului cu mărirea temperaturii lazerului aceste defecte trec în straturile epitaxiale şi peste un timp trec în mediu activ.Defectele joacă un rol de centre de recombinare neradiativă.Dacă aceste defecte au apărut în planul oglindit apoi acolo apar centre neradiative,puncte negre ,linii negre.c) degradarea încetinită e ca şi în DE şi e legată de difuzia impurităţilor,centrele de recombinarea radiativă se reduc şi puterea de radiaţiese majorează.

Fibra optică p/u comunicaţii are dimensiunile firului de păr 0,1mm.Aşa structură se numeşte laser cu contact de fîşie(cu bandă de contact). Stratul de SiO2este depus prin fotolitografie (proces cu o precizie destul de mare).

Tipul de miezo-structuri

61

Page 62: examen de stat

14.Receptori de radiaţie optică cu semiconductori (fotodiodele, fototranzistori, fototiristori)Receptor de radiaţie—dispozitive optice care transferă energia semnalelor luminoasă din domeniul spectral de radiaţie optică în semnale electrice.Receptor de radiaţie se mai numesc detectori fotoelectrici,fotodetectori.Principiul de funcţionare:absorbţia de radiaţie şi transformarea în alte forme.Semnalul de ieşire este proporţional cu pătratul amplitudineia undei electromagnetice.UieşireE2; UieşireH2

Fotodetectorii se împert în:1)—Fd termici2)—Fd fotonici1)Absorbţia radiaţiei luminoase însoţeşte creşterea ta reţelei cristaline în aşa situaţie se schimbă rezistivitatea elementului sensibil ,forţa electromotorică termică ,volumul,conductibilitatea electrică sau polarizarea.2)are loc nemijlocit interacţiunea fotonilor cu electronii de valenţă ale atomilor care sunt în elementul sensibil al Fd ca rezultat elecccctronii atomului se excită. După numărul electronilor excitaţi se poate de determinat numărul fotonilor sau Prad absorbită,deci ele sunt nişte contoare de fotoni. Fdfotonii sunt sensibili numai la fotonii prag(în caz contrar sunt transparenţi).Fd fotonici sunt dispozitive selective sensibili la anumite . Fd termici în dependenţă de sensibilitatea lor este la acelaşi nivel .Undele de raze infraroşii aduc la mărirea a t mate-lui razele infraroşii

raze termice.Alegerea Fd se face după date concrete ,Capacitatea descoperirei rapiditatea, S domeniul spectral,schema dispozitivului corezistivitatea la acţiuni mecanice climatice şi radiaţii radioactive.

62

Page 63: examen de stat

Fotodioda Fotodioda este un dispozitiv optoelectronic realizat dintr-o joncţiunepn sau un contact metal-semiconductor polarizat invers, cu regiunea detrecere excitată de un flux luminos. Simbolul, modul de polarizare şicaracteristicile statice ale fotodiodei sunt prezentate in fig. 11.1.

Vom presupune o radiaţie luminoasă din domeniul de absorbţie fundamentală a semiconductorului care cade perpendicular pe suprafaţa regiunii p, (planul x=0 din fig. 1a). Dacă coeficientul de saturaţie este

foarte mare (dp>> ) putem presupune că generarea purtătorilor de neechilibru are loc practic la planul x = 0. Ei difuzează spre interior concentraţia lor scăzând cu distanţa datorită recombinării, după legea:

(1)unde este lungimea de difuzie adică drumul parcurs de purtători în timpul de viaţă . Purtătorii care nu recombină şi ajung în zona câmpului intern al joncţiunii, sunt separaţi de către aceasta, electronii de concentraţie n(dp) fiind antrenaţi în regiunea “n” a structurii, golurile de neechilibru fiind “blocate” de barieră în regiunea p, cele două regiuni încarcându-se negativ, respectiv pozitiv, până la atingerea unui regim staţionar datorită concurenţei proceselor de generare şi recombinare.Caracteristicile fotodiodelor şi celuelor fotovoltaice:Tensiune inversă VR(V) este tensiunea nominală de funcţionare ;

63

Page 64: examen de stat

Curentul de întuneric ID(nA) este curentul invers la tensiunea VR ;Tensiunea de străpungere VBR (V) este valoarea tensiunii inverse la care curentul de întuneric creşte de 1000 de ori (convenţional).Temperatura ambiantă de funcţionare TA . Se indică printr-un interval de temperatură în care parametrii variază cu până la 50% faţă de valorile temperaturii camerei (de exemplu –40......+100o C)Puterea disipată PD(nW) este determinată de condiţiile de alimentare a dispozitivului şi se defineşte la TA=25o C, PD scade cu creştererea temperaturii.Capacitatea joncţiunii Cj(pF) se determină la întuneric la tensiunea VR şi la o anumită frecvenţă, de exemplu f=1Mhz. În unele cazuri, se prezintă şi capacitatea lor la tensiunea nulă, Cj0.

Tensiunea în gol Voc (V) este tensiunea la circuit deschis, când curentul este nul, măsurata pentru o anumită iluminare (100 sau şi 1000 lx) folosind ca sursă o lampă cu filament de tungsten cu temperatura de culoare 2856 oK. (standard de iluminare)Curentul de scurt-circuit ISC (A) este curentul invers la tensiune nulă pe dispozitiv, măsurat în aceleaşi condiţii de iluminare ca şi Voc.

Coeficientul de temperatură al tensiunii la circuitul de mers în gol. Voc, KV(mV/oC). Se defineşte ca variaţia tensiunii Voc la creşterea temperaturii dispozitivului cu 1oC. Voc scade cu creşterea temperaturii (KV<0) deoarece curentul de saturaţie creşte puternic cu T(v.ec.(7)). KV are valoarea –2,5 -2,6 mV/oC la dipozitive din Si;Coeficientul de temperatură al curentului de scurt-circuit ISC, KI(%,oC)

reprezintă variaţia curentului ISC la creşterea temperaturii cu 1oC. KI > 0 şi are valoarea 1,2 1,6 %/oC pentru Si;Sensibilitatea integrală S(nA/1x pentru fotodiode A/1x sau A/W pentru fotocelule) se defineşte ca raportul între curentul invers la tensiunea VR şi iluminare pentru fotodiode şi raportul între curentul de scurt-circuit şi iluminare sau puterea radiantă pentru fotocelule.Lungimea de undă la sensibilitatea maximă se determină din dependenţa S= F()(V.fig.6) p este apropiat de valoarea corespunzătoare pragului absorbţiei.Sensibilitatea spectrală S (A/W) este raportul între curentul invers la tensiunea VR (sau pentru fotocelule, curentul pentru scurt-circuit şi puterea radiantă =p.

Banda spectrală se defineşte ca intervalul spectral de o parte şi de alta a lui max în care sensibilitatea scade cu cel mult 50% faţă de valoarea maximă.

64

Page 65: examen de stat

Randamentul cuantic se defineşte ca raportul dintre numărul de electroni generaţi optic care străbat joncţiunea (şi participă la curent) şi numărul fotoni incidenţi la =p. Pentru tipurile moderne de fotodiode şi fotocelule are valori intre 0,7 şi 0,9.Aria fotosensibilă A (mm2) este aria liberă a dispozitivului neacoperită

de contacte. Pentru fotodiode, A este cuprinsă între fracţiuni de mm2 şi câţiva mm2, iar pentru fotocelule de la câţiva mm2 până la câţiva cm2.Tipul capsulei. Ferestrei(lentilei). Întrucât capsulele sunt

standardizate, indicativul ei arată dimensiunile şi schema de conectare a terminalelor. Fereastra poate fi plană sau sub formă de lentilă din epoxi pentru care se prezintă diagrama polară, adică caracteristici de directivitate (v.lucrarea diode luminiscente). Puterea generata maximă Pm(mW) este puterea maximă generată la o putere radiantă incidentă, standard (de ex. 100mW/cm2), când rezistenţa de sarcină din circuit are valoare optimă Fotocurentul pentru putere maximă Im (mA) este latura pe axa curenţilor a dreptungiului de arie maximă (v.fig.2)Tensiunea fotovoltaică pentru putere maximă Vm(V) este latura pe axa tensiunii a dreptungiului de arie maximă (v.fig.2). Factor de formă (sau de umplere). FF reprezintă raportul între puterea generată maximă Pm şi puterea “ideală” ISCVOC. Se poate observa ca FF<1. Eficienţa (randamentul) de conversie se defineşte ca raportul între puterea electrică generată maximă şi puterea radiantă incidentă.

Pentru fotodiodele care pot funcţiona ca şi fotodetectori de semnale optice rapid variabile şi slabe, se definesc şi alte caracteristici ca: timpii de comutaţie şi parametrii de zgomot.Timpul de întârziere (sau timpul

de răspuns) td(ns sau s), se defineşte ca timpul scurs între momentul aplicării semnalului luminos şi cel la care fotocurentul creşte până la 0,1 din valoarea sa maximă (fig.7).

65

Page 66: examen de stat

Timpul de creştere tr (ns sau s), timpul în care fotocurentul creşte de la 0,1 la 0,9 din valoarea sa maximă (fig.7) iar td+tr=ton . Timpul de stocare (storage), tS(ns,s) este timpul în care fotocurentul scade la 0,9 în valoarea maximă după încetarea semnalului (fig.7).Timpul de cădere tf (ns,s) este timpul în care fotocurentul scade de la 0,9 la 0,1 din valoarea maximă iar ts + tt = toff .Puterea echivalentă de zgomot NEP(W Hz-1/2) se defineşte ca puterea medie a radiaţiei incidente P care dă la ieşire un semnal mediu Vn egal cu valoarea medie a zgomotului propriu, detectorului Vs, când acesta nu are semnal la intrare .

(W Hz-1/2)

Pentru fotodiodele din Si, Nep ajunge de 10-15W Hz-1/2 .Detectivitatea D* (cm W-1Hz1/2) este inversul NEP înmulţit cu A1/2, unde A este aria suprafeţei fotosensibile (deoarece ne arată că NEP depinde de A1/2) ceea ce permite compararea fotodetectorilor de diferite A2.

Pentru fotodiode de Si, D* ajunge la valori de 1014 cm W-1 Hz1/2.3.Sarcinile lucrărilor şi modul de lucruÎn lucrarea de faţă, se studiază funcţionarea fotodiodelor şi fotocelulelor şi se determină experimental unele dintre caractereisticile de mai sus.Astfel, pentru fotodiodă se determină:1) a) caracteristica I-V de intunericb) caracteristicile I-V la trei valori ale fluxului luminos,c) dreapta de sarcinad) sensibilitatea integrala.In cazul fotoelementelor, în laborator, se determina:2) a) tensiunea la circuit deschis VOC precrum şi circuitul de scurt-circuit ISC la o valoare a fluxului luminosb) caracteristica statică de ieşire la un anumit flux luminosc) pentru aceasta caracteristică, mărimile RLM, Pm , Vm ,FFd) randamentul de conversie

66

Page 67: examen de stat

FototranzistorFototranzistorul este un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structurăde tranzistor, a cărui comandă se realizează pe cale optică de către un flux luminos ce cade pe regiunea bazei sau pe oricare altă regiune (emitor sau colector). Pentru cazul in care comanda se realizează in bază fototranzistorul are simbolul şi caracteristicile statice de ieşire date in figura 11.2:

Sensibilitatea integrală a fototranzistorului este mai mare ca lafotodiode datorită amplificării in curent β. Parametrii fototranzistoarelor seaseamănă cu ai fotodiodelor şi ai tranzistoarelor obişnuite.FT functionand in regim variabil de semnal mic si frecvente joase se comportă, intre emitor si colector, ca un generator de curent de valoare proporŃională cu iluminarea: FT poate functiona in regim de comutaŃie sau in regim liniar. Comparativ cu fotodioda, fototranzistorul in regim de comutatie permite trecerea unui curent mai mare. In regim liniar, de multe ori, se preferă folosirea unei fotodiode, deoarece liniaritatea caracteristicii de transfer aacesteia este mai bună si distorsiunile introduse in circuit sunt mai mici.Informatia binară oferită de un fototranzistor in regim de comutatie se referă la prezenta sau absenta iluminării sau la depăsirea/nedepăsirea unui prag de iluminare prestabilit. De exemplu, fototranzistorul blocat sau saturat poate comanda direct un releu.Curentul rezidual al fototranzistorului, numit şi curent de întuneric este dat de relaţia:

(7.3)Acest curent este mai mare decât cel al unei fotodiode cu acelaşi curent

ICB0.Deoarece IL este curentul de colector datorat incidenţei luminoase şi βIL, cel datorat efectului de tranzistor (IL = IB), curentul de colector al unui fototranzistor va fi dat de relaţia

67

Page 68: examen de stat

sau

(7.4)Sensibilitatea fototranzistorului este de ordinul a , iar inerţia în

funcţionare este mai mare decât cea a fotodiodei datorită timpului mare de stocare a sarcinii. Ca şi tranzistoarele, cele mai răspândite fototranzistoare sunt cele pe bază de Si, simbolul unui fototranzistor fiind dat în fig. 7.4.c. Fototranzistoarele au numeroase aplicaţii în instalaţiile de automatizare şi telecomandă.FototiristorulFototiristorul este un dispozitiv realizat pe o structură de tiristor, a cărui aprindere se face sub acţiunea unui flux luminos focalizat pe una din joncţiunile dispozitivului, J2, fig. 7.5.a.

Sursa de radiaţie care asigură comanda optică a fototiristorului este cel mai adesea o diodă electroluminiscentă (LED) cu emisie în infraroşu (IR). Semnalul optic generat de LED este condus până în regiunea p2 prin intermediul fibrelor optice.În ipoteza că fototiristorul este polarizat direct (+ pe p1 şi – pe n2) şi în

absenţa semnalului de comandă, el este blocat deoarece, cu toate că joncţiunile J1 şi J3 sunt polarizate direct, joncţiunea J2 este polarizată invers.Semnalul optic de comandă pătrunde prin emitorul n2, o parte este reflectat şi o parte absorbit în material. El generează perechi de purtători electron – gol în regiunea de sarcină spaţială a joncţiunii J2. Aceştia sunt separaţi de câmpul electric intern al joncţiunii J2, electronii fiind dirijaţi spre zona n, iar golurile spre zona p. Purtătorii injectaţi în baze determină un curent între anod şi catod, curent ce creşte cu incidenţa radiantă. Pentru o anumită valoare a curentului prin fototiristor câştigul total în curent devine supraunitar şi are loc deschiderea acestuia. Din acest moment, semnalul optic de comandă poate fi anulat având în vedere contribuţia redusă a fotocurentului la curentul anodic.

68

a

G

A

Fig. 7.5

K

p1 n1 p2 n2

J1 J2 J3

A

Khυ

regiuneafotoactivă

b c

Ahυ

G

K

Page 69: examen de stat

Amorsarea dispozitivului se poate face cu o putere extrem de redusă, Pa < 0,5 mW, dacă fluxul luminos este concentrat pe o suprafaţă redusă de ordinul 10-2 mm2.Simbolul fototiristorului este dat în fig. 7.6.b. Din fig. 7.5.c se observă că

schema echivalentă a sa este constituită din două tranzistoare, unul de tip pnp şi celălalt de tip npn şi o fotodiodă.În prezent se realizează fototranzistoare având următorii parametrii:

Fototiristorul are aplicaţii multiple, el putând fi folosit ca element de separare (izolare) galvanică între un circuit de comandă, care este de obicei de joasă tensiune şi un circuit de forţă care este un circuit ce lucrează la tensiuni şi curenţi mari.15.OptocuploareleOptocuplorul este un ansamblu alcătuit dintr-un fotoemiţător, de obicei o diodă electroluminiscentă şi un fotodetector, de obicei un fototranzistor, cuplate optic şi separate galvanic, fig.7.7.a. Pentru obţinerea unui curent de ieşire mare în locul tranzistorului se poate folosi un tranzistor compus de tip Darlington, fig.7.7.b.

Acest ansamblu este introdus într-o carcasă cu pereţi opaci, astfel încât lumina emisă de fotodiodă să cadă direct pe fototranzistor. Într-o altă variantă constructivă carcasa este prevăzută cu o fantă (deschizătură), fig.7.7.c, prin intermediul căreia se poate obtura legătura dintre cele două componente ale optocuplorului.Dacă în deschizătura carcasei se introduce o lamelă opacă, radiaţia electromagnetică a LED-ului nu mai

69

Page 70: examen de stat

poate să ajungă la fototranzistor. Acest tip de optocuplor se mai numeşte senzor optic sau optocuplor cu fantă. Trebuie precizat faptul că în locul fototranzistorului poate fi utilizată o fotodiodă sau un fototiristor.Parametrii unui optocuplor cu fantă sunt determinaţi de parametrii dispozitivelor componente, fotoemiţătorul şi fotodetectorul.Cei mai importanţi parametri ai unui optocuplor sunt:- caracteristica de ieşire, fig. 7.7.d, care exprimă dependenţa grafică între curentul de ieşire şi tensiunea de ieşire, având drept parametru curentul de intrare, IF;- raportul de transfer, reprezintă raportul între curentul de ieşire şi cel de intrare. El se exprimă în procente şi poate ajunge până la valoarea 1000, pentru optocuploare prevăzute cu amplificator;- parametrii de izolare între fotoemiţător şi fotodetector, exprimaţi prin rezistenţa de izolaţie, capacitatea de cuplaj şi tensiunea de izolaţie.Rezistenţa de izolaţie între intrare şi ieşire are valori de ordinul 1010 ÷ 1012

Ω, fiind mult mai mare decât în comutatoarele electronice. Capacitatea de cuplaj este de 0,5 ÷ 2 pF, considerabil mai mică decât capacitatea de cuplaj a altor dispozitive izolatoare.Tensiunea de izolaţie este cuprinsă în intervalul 1000 ÷ 3000 V.- frecvenţa maximă de lucru, fmax, determinată de timpii de comutare ai elementelor componente ale optocuplorului.Pentru optocuploare cu fotodiodă fmax = 3 MHz iar pentru cele cu fototranzistor , fmax = 5 ÷ 10 kHz.Valoarea mai mică a frecvenţei de lucru pentru optocuplorul cu fototranzistor se datorează timpului de comutare mai mare al fototranzistorului care la rândul său este determinat de timpul de stocare a sarcinii.

70

Page 71: examen de stat

16.Traductoare magnetice; aplicaţii.Traductorul magnetic serveşte p-u înregistrarea, măsur., dirijarea, câmpului mag. Cu ajutorul el. Putem genera un câmp mag. Şi invers.1.Trad. Holl dă posibilitate de măsurare şi control direct a câmp magnet. Fiindcă există dependenţă directă între semnalul Holl, câmp mag şi curent pot fi utilizate să mărească curentul transformă curentul din continuu în alternativ, pulsaţiile magnetice în electrice…

FA= FH; qFH = qUB = qVB ;

Determinăm mobilitatea:

Parametrii trad. Holl .

1. sensibilitatea

2. randamentu

71

Page 72: examen de stat

3. fiabilitatea, durata vieţii

2.Trad. magnetorezistor. Efect magnetic rezistiv, depinde de câmpul magnetic.

R/R0 = f(B)P-u măsurarea câmpurilor magn. Pe larg se utilizează magnetorezistoare la care R se măreşte cu creşterea câmp. magn. În rezultatul câmpului are loc abaterea forţei lorenz.Ca rezultat se micşorează mobilitatea micşorarea conductibilităţii şi se măreşte rezistenţa ţi se micşorează drumul liber.

F = qE + qVB l = l0 - l - б-бR+R.

Sensibilitatea se va schimba sau P-u a mări sensibilitatea şi eficienţa este necesară excluderea efectului Holl.1. Confecţionăm dispozitive în formă de disc. Sarcinile nu se apropie de suprafaţă, efectul Holl este exclus.

2. Aplicăm rezistoare cu lungimea mică şi lăţimea mare. ld. Deci sarcinile nu la ajung periferii

3.Şontarea (excluderea prin şontare) şontăm cu pelicole de Au. Dacă aplicăm + şi – are loc scurt circuit şi efectul Holl dispare.

72

Page 73: examen de stat

3. Magnetodiode

Deci dioda semiconductoare deasemenia este sensibilă la cîmpul magnetic.

Udir=f(B)

Dioda S - c-ca de transferAvem şi LED-uri dependente de B.

4.Tranzistor ca traductor magnetic. Pot fi realizate mai multe variante.1, Tranzistor obşnuit. Dacă B=0 curentul merge direct, E-C I=Ic

Dacă B 0 atunci curentul se va abate ori dreapta ori stînga B0 I = Ic-I = f(B) c-ca de transfer va fi Ic = f(B).

2. Tranzistor cu 2 colectoare pentru a mări sensibilitatea se folosesc 2 colectoare.

73

Page 74: examen de stat

1, B = 0 curentul merge simetric I1 = I2 ;Ux = 02, B 0 curentul se înclină, ori stînga ori dreapta deci: I1 I2 I = f(B) c-ca de transfer este:

3. Tranzistorul cu emitorul în părţi. B = 0 curentul simetricB 0 se înclină I1 I2

I1- I2 = I = f(B)Avem încă ca traductor magnetic tiristor, TEC,

17.Tenzo-traductoare integrate în baza de siliciuTraductorul integrat presupune utilizarea directă a punţii, a rezistoarelor, trad. şi schemelor de compensare şi toate acestea se produc în acelaşi ciclu tehnologic. Cum de orientat cristalul şi componentele. De exemplu termorezistorul are 2 poziţii 1. Radială2. Tangenţială

74

Page 75: examen de stat

Bazele fizicii constau în dependenţa efectului tenzo de orientare a cristalului, dopare a cristalului şi temperaturii lui. Dacă placheta e orientată (111) atunci parametrii elastici σikjm , ξikjm f(orientare)În comparaţie cu efectele mecanice legea lui Hook ne spune: că tensiunea

σ ij=Cijkmξkm

ξkm= Skmijξij unde:σ – tensiunea mecanică

ξ – deformarea elastică C – coeficientul de elasticitate S - coeficientul de supunere (adoptare)Cu cît deformarea e mai mare cu atât tensiunea mecanică e mai mare ; i, j, k, m – direcţiile alese.În Si se observă o anizotropie accentuată a parametrilor elastici.

G – coeficient de deplasare; y – coeficientul lui Poison 75

Page 76: examen de stat

Tensiunea în cristal e omogenă iar coef lui Poison merge la maximum.Orientarea cristalului şi a tenzotraductorului este principial în determinarea eficienţei. Parametrii trad. depind şi de dopare şi temperatură.

Cu cât e mai mare concentraţia cu atăt e mai mică dependenţa de temperatură.Tenzotraductor integrat se numeşte traductorul obţinut în ciclul tehnologic. În tehnologia traductoarelor (sensorilor) integrate practic se aplică aceleaşi procese ca şi în microelectronică, cu deosebirea câtorva 1.Litografia bilaterală (lucrăm cu 2 feţe a plachetei).2.Procesul se petrece cu ajutorul razelor infraroşii. 3.Orientarea strictă a cristalului.4.Anizotropia corodării. Viteza de corodare este direct proporţională cu temperatura. 5.Pelicolele sau plachetele sunt foarte subţiri. h= 10-20m

Exemplu de structuri

76

Page 77: examen de stat

P/u realizarea tenzo traductorului integrat se aplică mai multe structuri 1. Rezistor funcţie de presiune. 2. S – a dopat şi s – a primit

Tenzotraductoarele sunt dispozitivele sensibile la deformaţie. În rezultatul deformaţiei are loc schimbarea proprietăţilor lor (R0+ΔR, σ+Δσ, n+Δn, α+Δα, U+ΔU, etc.). 1.Deformarea elasticăσ ijk=kijk εijk

ijk – coordonate; ε – coeficient de deformare; k – modulul lui Young.

legea lui Hooke.

- coeficient de supunere. 2.Tenzosensori metalici.

R=f(F), Legea Bridgeman: c – constanta de conversie.

- coeficientul Poisson de ingustare.

77

Page 78: examen de stat

km – coeficient de tenzoconversie a metalului (schimbarea R cu schimbarea l).

Pentru metale Tenzotraductoarele metalice au un coeficient de conversie minimal, însă au o serie de priorităţi:1.Stabil la temperatură R(T)=const.

Dependenţa este liniară.1.Rezistent la presiuni mari.

2.Tenzosensorii cu semiconductori sunt cu mult mai sensibili şi pot fi optimizaţi în baza mai multor efecte fizice: Selectarea materialului Si, Ge, InP, GaAs, Al,GaAs. Doparea: Na, Nd. Orientarea cristalografică: Si cel mai anizotropic material în deformaţiile elastice. Anizotropia corodării. Dependenţa de T.La deformare au loc mai multe efecte fizice: Liniarizarea benzilor. Transferul electronilor din valea 1 în valea 2 cu modificarea ulterioară a masei me

*.Schimbarea mobilităţii

78

Page 79: examen de stat

Concluzie: sub influenţa deformării are loc modificarea benzilor energetice şi ca rezultat modificarea tuturor parametrilor semiconductorului cu o sensibilitate cu mult mai mare.

legea lui Hooke.π – coeficient tenzorezistiv.

cazul anizotropic.Datorită anizotropiei Siliciului proprietăţile tenzometrice sunt foarte avantajoase:Efect tenzo

Tenzosensori: Puntea Weabstone Cu membrană Integrate Digitale Sisteme cu microprocesoare

Traductoarele în baza de membrană au o sensibilitate înaltă. În baza lor se folosesc dispozitive: Accelerometre

F=am. Accelerometre cu capacitate.

79

Page 80: examen de stat

C=f(F)3.Tehnologia R-tenzo cu membrană Tehnologii convenţionalePregătirea plachetei, corodarea, difuzia, epitaxia, implantarea ionică, depunere şi oxidare. Tehnogii neconvenţionaleCorodare inirotropică (într-o singură direcţie în cristal), prelucrarea plachetei din ambele părţi, oxidarea din ambele părţi, litografia din 2 părţi, combinarea proceselor, contacte, asamblare.4.Tenzosensori în baza dispozitivelor Microelectronice.Tenzo-D, Tenzo- DŞ, Tenzo-TB, Tenso – MOS. Tenzo – D, Tenzo- DŞ, Tenso – MOS.

Acest efect se observă bine la polarizare inversă.

5.Caracteristicile de transfer ale tenzosensorilor integraţiPentru tenyosensori nu se pot obţine caracteristici ideale:1.ideal2.realDeosebiri: nu trec prin originea coordonatelor diapazonul de măsurare este mai limitat sensibilitatea este minimală în realitate există driftul de zero. Apare driftul sensibilităţii.6.Smart-SensoriSmart-sensorii conţin: Elementul sensibil (sensor) Schemele de balansare Schemele de prelucrare a informaţiei analogice Microprocesor Dispozitiv de afişare.

80

Page 81: examen de stat

18.Metode de compensare a driftului "zero" şi a sensibilităţii senzorilor

; Ux = kp – abaterea liniară

Se foloseşte AO cu bloc de rezistenţe

Variind R6 aducem caracteristica p1 în p2 variind cu AO putem liniariza caracteristica.

Metoda elementelor pasive şi activePentru compensarea driftului se folosesc mai multe metode schemotehnicea.Pasiveb.ActiveMetodele pasive prevăd introducerea în punţi a termotiristorului cu coeficienţii corespunzători.Metodele active implică curse adăugătoare de curent , amplificatoare, blocuri de termostabilizări. În calitate de termoelemente se folosesc diode sau tranzistori termo.

Metoda pasivă.

81

Page 82: examen de stat

82

Page 83: examen de stat

Metoda activă

1. In (T)2. I1 (T)3. Ux (T)4. Rezultanta

Sensibilitatea

Se utilizează scheme active şi pasive, termorezistoarele se conectează în circuitul întrare sau ieşire a punţii.

83

Page 84: examen de stat

Schema cu diodă sunt scheme cu tranzistor,

scheme cu AO

19.Traductoare optoelectronice; aplicaţii. În calitate de traductoare optoelectronice pot fi: fotorezistenţe, fotodiode, fototranzistoare, fototiristoare etc. Fotodioda ca traductor se foloseşte în 2 regimuri a. diodic b. fotogalvanic. Regim diodic:

Regimul fotogalvanic.

84

Page 85: examen de stat

; ; ; ;

UF – tensiunea fotogalvanică.

« 1 ;

1. » 1 ;

Parametri principali

85

Această suprafaţă ne determină energia electrică conversată. S = ImUm – energia conversată.

, după energia totală.

S Stotal

Pl. Si 10 – 15 %

AlxGaAs heterojoncţiuni – 35 %

Page 86: examen de stat

1.coeficientul de conversie

2.Um.g.

3.IF = 04.Full factor5.Pm = ImUm

6.

%

Tristorul

Exemplu de aplicare

20. Senzori cu fibre optice; aplicaţii. Fibra optică tot mai larg se răspîndeşte în domeniul electronicii, de comandă, de control etc.

Un avantaj mare, la 100 km pierderile sunt de câteva % deci I1 = I2 – pierderea.Fiabilitatea – (păstrarea proprietăţilor) destul de mare.

86

Page 87: examen de stat

AplicaţiiTraductoarele cu fibre optice se împart în clase şi grupe după mai multe criterii:Funcţii – Efecte fizice – metode de înregistrere.

Structura generală

1.Sursă de lumină2.Fibra optică3.FO traductor senzor4.Prelucrarea semnalului5.Înregistrarea semnalului ecran, recepţionat, calculat etc.Lumina în acţiune cu traductorul poate provoca diferite efecte : schimbarea amplitudinii luminii, schimbarea coeficientului de refracţie. ΔInν – amplituda, Δn – indicele de refracţie, Δy – faza, ΔQ – polarizarea, Δλ – spectru.Prelucrarea semnalelor include : Inν , n, ntunel – coef de tunelare, Δy , ΔQ, - coef de absorbţie, - spectru. Reeşind din aceşti factori şi parametrii traductoarelor, ultimii au funcţiile: 1. A In2. y – traductor amplitudional pe schimbul fazei.3. Traductor cu schimbu coeficientului de refracţie n4. Q - - - - - schimbarea unghiului de polarizare5. n tunelare6. schimbarea dependenţei spectrale.

Traductorul amplitudionalÎnregistrează cu cât s-a schimbat amplituda semnalului iniţial.

87

Page 88: examen de stat

1.sursa2.fibra optică3.vas4.sist cu robinet5.sist optică , măreşte drumul optic.6.receptorReceptorul ne înregistrează concentraţia , masa şi spectru.

Traductor cu FO cu reţele

1. laser2. FO3. SO4. Dispozitivul5. Membrana cu ecran – reţele6. Ecranul7. Receptor8. Robinet

21.Caracteristica generală a senzorilor inteligeţi; aplicaţii.Avantajele incontestabile ale microelectronicii au condus la implementarea a noi incercari in constructia fizica a senzorilor integrati, precum:MEMS (Micro-Electrical-Mechanical Systems) si SoC (Systems-on-Chip) Microsystem technologia de tip microsystem (MST) ofera noi cai de combinare a elementelor sensibile, cu circuitele de procesare si de comunicare pe acelasi cip. MEMS – este un cip integrat IC care are functiuni de senzor si/sau de sistem de actionare cumulate cu o electronica necesara prelucrarii semnalelor vehiculate intre acestea.SoC presupune integrarea tuturor componentelor unui sistem de calcul pe acelasi cip. El contine sisteme de procesare analogica, numerica sau

88

Page 89: examen de stat

mixta a semnalelor si posibilitati de preluare a unor functii de transmitere a acestora in radiofrecventa. Ca urmare poate include: P, C, DSP, memorii, periferice, diferite interfete de communicatie, ADC, DAC, etc.Dupa un studiu din 2006 al IFSA 55% din senzori sunt de tip analogic, 25% de tip digital si 20% de tip quasi-digital. Numarul de fenomene fizice ce pot fi convertite direct in digital sunt putine.Printre putinele exemple ar fi presiunea joasa, temperatura si bineinteles, cel mai cunoscut senzorul de pozitie unghiulara (encoder). Sistemul de achizitii de date este dispozitivul ce colecteaza, masoara si adapteza semnalele primite de la senzori facandu-le compatibile cu calculatorul. Acesta proceseaza semnalele primite, urmand a le afisa sau transmite altor operatori sau sisteme de operare pe cale digitala si/sau analogica sau via Internet.Senzorul intelligent

Sensorul inteligent este un cip fara componente externe ce include elementele sensibile de captare a semnalului fizic, de procesare analogica si digitala a semnalului primit de la acestea dar si functii de inteligenta: autotestare, autoidentificare, autovalidare sau autoadaptare. Ca urmare:Principalele proprietati ale unui asemenea senzor sunt: - Adaptabilitatea: modificarea preciziei in functie de viteza de raspuns si invers; modificarea consumului de putere prin ajustarea frecventei unui timer de tip oscilator cu cuart. - Precizie: erorile de masura pot fi programabile ( algoritmi statistici,valoare medie, abatere medie patratica, etc.) - Siguranta: pentru a controla performanta sistemului si conectarea acestuia la firele senzorului senzorului este utilizat autodiagnosticul Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu Timp sunt:

89

Page 90: examen de stat

-frecventa (fx)- perioada (Tx)- raportul de frecvente sau diferenta lor (f1/f2)- abaterea de frecventa(Δf)- factorul de umplere (%)- intervalul de timp (t2-t1)- largimea impuldului (ti)- numarul de impulsuri (N)- gradul de modulare a impulsului (PWM)- modificarea de faza (φ).

Sensorii quasi-digitali combina simplitatea si universalitatea caracteristica unui senzor analog si acuratetea si imunitatea la zgomote, proprii sensorilor cu iesire digitala Sensors quasi-digitali sunt senzori de tip frecventa-timp cu iesire in frecventa (70%), perioada (1%), factor de umplere (9%), numar de impulsuri (3%), impulsuri modulate (PWM)(16%), modificare de faza (1%), etc.

Senzorii quasi-digitali pot fi de trei tipuri; – Senzori cu conversie x(t) F(t) -Sunt senzorii ce pot genera direct o

frecventa la iesire, in functie de valoarea marimii de masurat. Exemple: senzori inductivi, senzori cu impulsuri fotoelectrice, senzori de tip cuarda vibranta senzori , senzori acustici si cu stralucire (scintilatie) – Senzori cu conversie x(t)V(t)F(t) - Este cea mai mare categorie de senzori .Avand iesirea in tensiune acestia necesita o simpla conversie tensiune-frecventa si/sau curent-frecventa.Exemple : senzori Hall, senzori de tip termocouplu, senzori de tip fotoelectric sau fotovoltaic (celule fotoelectrice) – Senzori cu conversie x(t)P(t)F(t)- Din aceasta categorie, foarte numeroasa de altfel, fac parte senzorii bazati pe oscilatoare electronice Senzorul (elementul sensibil) este cel ce determina el insusi frecventa oscilatorului .Exemple: senzor inductiv, senzor capacitiv, senzor parametric rezistiv (cu modulare) .Figura 1. Curba ideala si sensibilitatea erorii.

90

1,2,3-discrete4-MicroElectronica5-Electromacanic6-micro mechanic7-micro-electromecanic

Page 91: examen de stat

22.Caracteristica generală a micronanosenzorilor biomedicaliBiosenzorii = detectori ce se bazeaza pe molecule selective ce intra in componenta plantelor si animalelor.  Biosenzorii moderni au evoluat din combinarea a doua discipline separate: tehnologia informationala, (microcircuite si fibre optice, procesare numerica a datelor, teoria generala a sistemelor cu comportare neliniara) si biologia moleculara. Prima furnizeaza electrozi miniaturali sau senzori optici, tehnica de preluare si procesare a informatiei iar a doua, pune la dispozitie  biomolecule care recunosc o substanta tinta. Aplicatiile acestor dispozitive sunt cu atat mai variate cu cat moleculele incorporate sunt mai variate. Asistenta medicala este cea care beneficiaza imediat de biosenzori, nu numai in testele clinice, dar si in fabricarea de medicamente si inlocuirea unor organe ca pancreasul artificial pentru diabetici. Biosenzorii se folosesc de asemenea pentru stabilirea calitatii si sigurantei hranei si detectarea factorilor de mediu poluanti. Biosenzorul este un circuit analitic care convertește un răspuns biologic într-un semnal electric. Este folosit pentru determinarea concentrațiilor substanțelor și a unor parametrii biologici.Este alcătuit din trei părți: elementul biologic sensibil, traductorul și electronica pentru prelucrarea semnalelor.Structura unui biosensor

91

Page 92: examen de stat

(a) bio-reacție – transformă substratul (S) în produs (P); (b) traductor – determină reacția și o transformă într-un semnal electric; (c) amplificator – amplifică semnalul electric; (d) circuit de prelucrare a semnalelor - prelucrarea semnalului electric amplificat;(e) dispozitiv de afișare – afișarea rezultatului prelucrării semnalului.Substratul (analitul)Orice substanță care este consumată sau produsă într-un proces biochimic poate fi, în principiu, analizată de un bisenzor construit în acest scop.Exemple: zaharuri, urea, creatina, etanolul, acidul glutamic, acidul lactic, fosfatul, colesterolul, penicilina, paracetamolul, aspirina, TNT, diferiți aminoacizi.cElementul biologic sensibilImportanța elementului biologic constă în faptul că interacțiunea sa cu substratul este în cea mai mare parte realizată doar cu acesta, fără influența (interferența) altor substanțe. Elementul biologic poate cataliza o reacție implicând substratul (enzima) sau se poate lega selectiv cu substratul (anticorpi).Exemple: enzime sau componente care conțin enzime (microorganisme și țesuturi), anticorpi, acizi nucleici.Primii biosenzoriPoartă denumirea de biosenzori bazați pe enzime (enzyme-based biosensors).Primul biosenzor bazat pe enzime a fost senzorul pentru determinarea glucozei în sânge – Clark (1962).Parametrii unui biosenzor- Selectivitatea: - indică abilitatea de a deosebi diferite substraturi. Este, în principal, o funcție a elementului biologic.- Domeniul de sensibilitate: - în general este ordinul submultiplilor de milimolar, dar poate coborî, în cazuri speciale, la ordinul femtomolar (10-15 M).

92

Page 93: examen de stat

- Precizia: - în general este în jurul valorii de ± 5 %.- Natura soluției: - condiții precum indicele pH, temperatura, forța ionică, care trebuie specificate.- Comportarea dinamică:- timpul de răspuns – timpul necesar pentru a ajunge la 95% din răspuns (poate fi 30 s sau mai mare);- timpul de revenire – timpul necesar biosenzorului pentru a putea fi gata pentru analizarea unui nou eșantion (nu trebuie să depășească câteva minute);- durata de funționare – este determinată de instabilitatea elementului biologic (poate varia de la câteva zile la câteva luni).Exemplu: biosenzorul pentru măsurarea glucozei în sânge – 1 an.

93