Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
Download Ingen lysbildetittel - Universitetet i Bergen
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
Semiconductor sensors Jan Kocbach Department of Physics University of Bergen November 2000 Outline Introduction - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! – What is a sensor? – What is a semiconductor? – Why are semiconductors good Semiconductor physics NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, å candidates for istedenfor sensors? vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Working principles and applications Future trends - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende What is a sensor? - noe om objectives electrical quantity ANSI Standard MC6.1-1975: med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! “A device which provides a usable output in response to a specified measurand” physical, chemical- or biochemical Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings quantity, property or condition system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende What is a semiconductor? Materials categorised by ability to conduct electricity : Poor conductor Insulators Semiconductors Carbon (C) Glass Most plastics Silicon (Si) Germanium (Ge) Gallium arsenide (GaAs) Usually: poor conductors Can become better conductors under certain conditions Variation in conductivity with external stimuli exploited for sensor purposes. - noe om objectives Good conductor med arbeidet må sies tidlig! Metals Gold (Au)på NB! Fokuser mere Copper (Cu) hva som er nytt i dette Aluminium (Al) arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Why use semiconductors as sensors? Semiconductors good candidates for many types of sensors: - noe om objectives Semiconductors electrical behaviour change in response to: Electric fields Temperature variations Radiation Mechanical stress/strain Magnetic fields Chemical conditions Micromachining: possible to make small med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se sensors hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at • apply standard production methods from the IC industry ny mode klassifiserings system. • possible to produce thousands of sensors in one run • high performance-to-cost ratio Resp.fu: Nytt at • smart sensors: integrate with microelectronic circuitssystematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Conduction effect linked to band structure of materials – Atoms: • discreet allowed energy levels for electrons – Solids: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, Energy band (allowed energy levels) objectives osv. for å se hva det er som levels) er nytt!! Energy gap (forbidden energy Energy Energy • energy levels broaden into energy bands • energy bands separated by energy band gaps Atoms - Egenmoder: Nytt at Energy band (allowed energy levels) ny mode klassifiserings system. Solids Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Conduction effect linked to band structure of materials – Atoms: • discreet allowed energy levels for electrons – Solids: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Next higher energy band: konklusjoner, conduction band objectives osv. for å se Eg : Energy gap hva det er som er nytt!! Energy • energy levels broaden into energy bands • energy bands separated by energy band gaps - Egenmoder: Nytt at Highest occupied energy band: ny mode valence bandklassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Conduction effect linked to band structure of materials – Atoms: • discreet allowed energy levels for electrons – Solids: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Next higher energy band: konklusjoner, conduction band objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Energy • energy levels broaden into energy bands • energy bands separated by energy band gaps – Metals: - Egenmoder: Nytt at Highest occupied energy band: ny mode valence bandklassifiserings system. no energy gap: change state easily Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Conduction effect linked to band structure of materials – Atoms: • discreet allowed energy levels for electrons – Solids: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Next higher energy band: konklusjoner, conduction band objectives osv. for å se Eg : Energy gap hva det er som er nytt!! Energy • energy levels broaden into energy bands • energy bands separated by energy band gaps – Metals: – Insulators: - Egenmoder: Nytt at Highest occupied energy band: ny mode valence bandklassifiserings system. no energy gap: change state easily Resp.fu: Nytt at large energy gap (Eg > 2-3systematisk eV) vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Conduction effect linked to band structure of materials – Atoms: • discreet allowed energy levels for electrons – Solids: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Next higher energy band: konklusjoner, conduction band objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Eg : Energy gap - Egenmoder: Nytt at Highest occupied energy band: ny mode valence bandklassifiserings system. Energy • energy levels broaden into energy bands • energy bands separated by energy band gaps – Metals: – Insulators: – Semiconductors: no energy gap: change state easily Resp.fu: Nytt at large energy gap (Eg > 2-3systematisk eV) vist. small energy gap (Eg < -1-2 eV) Mye nytt og Frontlag: spennende Semiconductor Physics How do semiconductors conduct electric current? - noe om objectives T=0 : No electrons in conduction band med arbeidet må sies Semiconductor does not conduct electric current when electric field applied tidlig! Energy Eg : Energy gap NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette conduction band arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics How do semiconductors conduct electric current? - noe om objectives Increased T: Electrons thermally excited to conduction band med arbeidet må sies Semiconductor conducts electric current when electric field applied tidlig! Electrons Energy Eg : Energy gap Holes NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette conduction band arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, Probability per unit osv. timefor that objectives å an se electron-hole pair generated: hva det erissom er nytt!! p(T) = C T- 2/3 exp ( -Eg / Nytt 2kT )at Egenmoder: ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics How do semiconductors conduct electric current? - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! Applied electric field Energy Electrons Holes NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette conduction band arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, Uniform electric field applied objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Constant gradient of conduction and valence band edges - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings Electrons andsystem. holes move in opposite directions Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics Possible to provide extra charge carriers in semiconductors: Acceptors: - Add atoms with one valence electron less. - Increase number of holes in valence band. - Ex: Add Aluminum atoms to Silicon - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på n-type hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings p-type system. Energy Donors: - Add atom with one extra valence electron. - Increased number of electrons in conduction band. - Ex: Add Phosphorus atoms to Silicon Energy – Addition of impurity atoms to a semiconductor Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! n-type (extra electrons) p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device - noe om objectives Electrons diffuse arbeidet må sies frommed n-type to p-type tidlig! n-type (extra electrons) p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device small region of fixed positive charge n-type equilibrium: depletion zone +– +– +– (extra electrons) - noe om objectives small region of fixed med arbeidet må sies negative charge tidlig! p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: nytt og - Built-in potential: StrongMye electric field spennende - Opposes flow of charge carriers Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device What happens when voltage applied? n-type – equilibrium: depletion zone +– +– +– (extra electrons) - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! + Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device Forward biased: n-type – equilibrium: depletion zone +– +– +– (extra electrons) - noe om objectives Decreased potential barrier med arbeidet må sies Current flows tidlig! p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! + Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device Reverse biased: n-type equilibrium: depletion zone + – + – + – + (extra electrons) - noe om objectives Increased potential barrier med arbeidet må sies No current flows tidlig! p-type NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, (extra holes) objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! – Energy - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor Physics pn - junction: important semiconductor device - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! Pn - junction is a diode: Conducts current in one direction but not in the other I Reverse biased Forward biased NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at klassifiserings Vny modesystem. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. photodiode thermodiode - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor sensors working principles Mechanical stimuli Radiation stimuli Thermal stimuli - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! Magnetical stimuli semiconductor Change in electrical properties of semiconductor NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige Chemical stimuli enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Temperature variations - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, effects exploited in semiconductor sensors: objectives osv. for å se use of variation in electrical conductivity with temperature hva det er som er nytt!! Variation in electrical behaviour of semiconductor Thermal – Direct – Seebeck effect (thermoelectric effect) - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings – Nernst effect (temperature gradients in semiconductors in a system. magnetic field) Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Physical principles: Increased temperature leads to: Increased density of phonons decreased charge carrier mobility decreased conductivity - noe om objectives Interatomic distance between med arbeidet må sies atoms increases tidlig! decreased potential seen by NB! Fokuser mere på electrons hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å decreased bandgap Eg vise masse forskjellige increased conductivity enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Energy Energy More electrons thermally excited to conduction band increased conductivity - Egenmoder: Nytt Eg at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og Doping influences on conductivity as function of temperature spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal effects Example: Temperature dependency of resistivity for n-type Silicon - noe om objectives Resistivity [ cm] med arbeidet må sies mobility tidlig! Carrier NB! Fokuser mere på dominates hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! 100 10 Carrier generation 1 dominates - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. 0.1 0 100 200 300 400 500 Temperature [oK] Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal sensor examples: Thermoresistive sensor: slab of semiconducting -material noe om objectives med arbeidet må sies Thermodiode: pn-junction tidlig! Thermocouple: Seebeck effect NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal sensor examples: Thermoresistive sensors - noe om objectives med arbeidet må sies • Use temperature variation in electrical conductivity of semiconductor tidlig! directly NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! I V+ semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal sensor examples: Thermoresistive sensors - noe om objectives med arbeidet må sies • Use temperature variation in electrical conductivity of semiconductor tidlig! directly I V+ semiconductor • Example application: – Temperature measurement • Problem: – Not very sensitive – Nonlinear response NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal effects Thermal sensor examples: Temperature dependent diode - noe om objectives med arbeidet må sies • pn-junction connected to constant-current generator resulting tidlig! voltage is measure of junction temperature. Fokuser mere påT • Number of charge carriers generated in depletionNB! region varies with n-type p-type +– +– +– V hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, I : constant objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal effects Thermal sensor examples: Temperature dependent diode - noe om objectives med arbeidet må sies • pn-junction connected to constant-current generator resulting tidlig! voltage is measure of junction temperature. Fokuser mere påT • Number of charge carriers generated in depletionNB! region varies with n-type p-type +– +– +– V • Example applications: hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, I : constant objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. – Temperature measurement, infrared radiation sensor - Frontlag: Mye nytt og – More sensitive than thermoresistor. High degree of linearity. spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal sensor examples: Thermocouples (Seebeck effect: thermoelectric effect) - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! T T + T semiconductor A NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse hot cold forskjellige enkeltting. point point Se på konklusjoner, objectives osv. for å se • Different bandgap size at hot HOT and COLD point hva detpoint er som er nytt!! • Different number of charge carriers at HOT and COLD - Egenmoder: Nytt at • Phonon drag from HOT to COLD point ny mode klassifiserings • Electric voltage generated between HOT and COLD point system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Thermal sensor examples: Thermocouples (Seebeck effect: thermoelectric effect) - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! T T + T semiconductor A NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette V arbeidet, istedenfor å vise masse hot cold forskjellige enkeltting. point point Se på semiconductor B konklusjoner, objectives osv. for å se • Different bandgap size at hot HOT and COLD point hva detpoint er som er nytt!! • Different number of charge carriers at HOT and COLD - Egenmoder: Nytt at • Phonon drag from HOT to COLD point ny mode klassifiserings • Electric voltage generated between HOT and COLD point system. • Two semiconductors with different properties: Resp.fu: Nytt at – Different Seebeck effect in each Measurable voltage difference vist. systematisk • Example applications: - Frontlag: Mye nytt og – temperature measurements, infrared radiation sensors, flow measurements spennende Mechanical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Applied mechanical stress/strain - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Mechanical effects exploited in semiconductor konklusjoner, sensors: objectives osv. for å se – Piezoresistivity - variation in resistivity with applied stress/strain hva det er som er nytt!! Variation in electrical behaviour of semiconductor – Lateral photoelectric effect – Lateral photovoltaic effect - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Mechanical effects Physical principles: Applied mechanical stress leads to: Interatomic distance between atoms decreases increases potential seen by electrons bandgap Eg increases decreased conductivity Variation in mobility and number of charge carriers increased/decreased conductivity - noe om objectives arbeidet må sies Piezoresistive med effect: tidlig! Much stronger effect than NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette Explained byarbeidet, many-valley model: istedenfor å masse forskjellige Strain vise on crystal structure enkeltting. Se på deforms energy konklusjoner, bandstructure objectives osv. for å se hva det som er nytt!! Asymmetry ofer3D band and structure of semiconductor. - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Leads to decreased conductivity when stress applied inNytt certain Resp.fu: at directions systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Mechanical effects Relative change in resistivity proportional to mechanical stress Relative change in resistivity = ij · - noe om objectives med arbeidet må sies mechanical tidlig! Applied stress n-type p-type Silicon Silicon ·10-11 Pa -1 ·10-11 Pa -1 11 -102.2 +6.6 12 +53.4 -1.1 44 -13.6 +138.1 NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Mechanical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Mechanical sensor examples: Piezoresistive pressure sensor Piezoresistive accelerometer - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Mechanical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Mechanical sensor examples: Pressure sensor • Use piezoresistive effect to measure pressure: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at • Compression of thin film compression of piezoresistive material ny mode klassifiserings electrical conductivity varies electric potential over electrodes varies system. • Example applications: Resp.fu: Nytt at systematisk vist. – Tire pressure sensor, fuel injection pressure measurement, Altimeter, Blood pressure sensor (intravascular - ultraminorized) - Frontlag: Mye nytt og spennende Mechanical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Mechanical sensor examples: Accelerometer - noe om objectives arbeidet må sies • Use piezoresistive effect to detect movement of amed mass. tidlig! R1-R4: piezoresistive materialsmere på NB! Fokuser hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! • Displacement of mass compression of piezoresistive materials electrical conductivity varies Voltage difference measured- Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings – All three components of acceleration may be measured simultanously system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. – Airbag systems, ABS brakes, Vibration measurement devices, Seismeters, - Frontlag: Mye nytt og Robots spennende • Example applications: Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Incident electromagnetic radiation or charged high-energy particles - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på Variation in electrical behaviour hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å of semiconductor vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, Radiation effects exploited in semiconductor sensors: objectives osv. for å se – Photoelectric effect hva det er som er nytt!! – Photoconductivity – Photovoltaic effect – Photomagnetoelectric effect - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Physical principles: Two different types of ionizing radiation: Electromagnetic radiation electron excited to conduction band electron-hole pair generated increased conductivity photon Eph > Eg electron-hole pair(s) generation due to light absorption - noe om objectives med arbeidet må sies high-energy particles tidlig! Charged ionization of many electronhole pairs NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette increased conductivity arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Q - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. ionization of many electron-hole pairs Resp.fu: Nytt at along track of high-energy particle systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation effects Sensor material for electromagnetic radiation selected by wavelength – Operating range of sensors employing semiconductor materials: Ultraviolet Visible Near IR Wavelength (m) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Si IR 2 GaAsP GaP 4 - noe om objectives med arbeidet må sies (Infrared) tidlig! 6 NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette 8 10 istedenfor 20 å arbeidet, vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. CdS Ge PbS Resp.fu: Nytt at systematisk vist. HgCdTe (77K) - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photoresistor Photodiode - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photoresistor • Use photoconductive effect to detect radiation - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! I V+ semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photoresistors • Use photoconductive effect to detect radiation photon - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! I V+ – + semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation effects Radiation sensor examples: Photoresistors • Use photoconductive effect to detect radiation photon photon - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! I V+ – + – + semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photoresistors - noe om objectives • Use photoconductive effect to detect radiation med arbeidet må sies tidlig! photon photon NB! Fokuser mere på photon hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å V+ vise masse forskjellige – + enkeltting. Se på – + konklusjoner, – + objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! semiconductor I - Egenmoder: Nytt at • Electron-hole pairs generated due to incoming photons klassifiserings electrical ny mode system. conductivity of semiconductor increases electrical current increases • Example applications: Resp.fu: Nytt at systematisk vist. – detection of light. - Frontlag: Mye nytt og – Problem with piezoresistors: high leakage current, slow response time spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photoresistors • Use photoconductive effect to detect radiation V+ Q - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! I semiconductor - Egenmoder: Nytt at • Corresponding effect for charged high-energy particles ny mode klassifiserings system. • Large number of electron-hole pairs generated • Example applications: – particle detectors (seldom used in practice) Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photodiode / pn-junction - reverse biased - noe om objectives • Uses photoconductive effect to detect radiation. med arbeidet må sies tidlig! V+ n-type p-type depletion zone NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende I Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photodiode / pn-junction - reverse biased V+ - noe om objectives • Uses photoconductive effect to detect radiation. med arbeidet må sies tidlig! photon NB! Fokuser mere på photon hva som er nytt i dette n-type p-type arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på – + konklusjoner, – + objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! depletion zone - Egenmoder: Nytt at • Electron-hole pairs generated due to incoming photons electrons flow ny mode klassifiserings system. towards positive terminals / holes towards negative photocurrent flows Resp.fu: Nytt at systematisk vist. • Example applications: – Digital cameras (Silicon CCD color sensors), infrared -radiation Frontlag:detectors, Mye nytt fax og machines spennende I Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photodiode / pn-junction - reverse biased V+ - noe om objectives • Uses photoconductive effect to detect radiation. med arbeidet må sies tidlig! photon NB! Fokuser mere på photon hva som er nytt i dette n-type p-type arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på – + konklusjoner, – + objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! depletion zone - Egenmoder: Nytt at • Useful properties: ny mode klassifiserings system. – sensitive, fast response times and excellent linearity Resp.fu: Nytt at – sensible to different wavelengths by using different materials systematisk vist. – possible to produce small units using standard IC technology – may also be used in photovoltaic mode without biasing - Frontlag: Mye nytt og spennende I Radiation effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Radiation sensor examples: Photodiode / pn-junction - reverse biased - noe om objectives • Uses photoconductive effect to detect radiation. med arbeidet må sies tidlig! Q V+ n-type p-type – + – + – –+ + – + – + NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! depletion zone - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings • Corresponding effect for charged high-energy particles system. • Example applications: – Particle detectors Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende I Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Magnetic effects Applied magnetic field - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, semiconductor sensors: objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Variation in electrical behaviour of semiconductor Magnetical effects exploited in – Hall effect – Magnetoresistance – Magnetoconcentration (Suhl effect) - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Magnetic effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Physical principles: Hall effect: Applied magnetic field Lorentz force on moving holes and electrons (F = - q v B) – + - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Magnetic effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Physical principles: Hall effect: Applied magnetic field Lorentz force on moving holes and electrons (F = - q v B) Magnetic field – + - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Magnetic effects Physical principles: Hall effect: Applied magnetic field Lorentz force on moving holes and electrons (F = - q v B) Magnetic field – + - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! Magnetoresistive effect: Applied magnetic field mere på NB! Fokuser er nyttholes i dette Lorentz forcehva onsom moving and electronsarbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige Increases length of path of enkeltting. Se på charge carriers konklusjoner, objectivesof osv. for å se Increase resistance hva det er som er nytt!! semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Magnetic effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Magnetic sensor examples: Hall effect sensor - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Magnetic effects Magnetic sensor examples: Hall effect sensor • Use Hall effect to measure magnetic field: n-type semiconductor – – – – – – Electric field – - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! field Magnetic NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Magnetic effects Magnetic sensor examples: Hall effect sensor • Use Hall effect to measure magnetic field: n-type semiconductor – – – – – – Electric field – - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! field Magnetic NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. • Measure Hall voltage, which is a function of applied Resp.fu: magnetic fields Nytt at • Example applications: systematisk vist. – Magnetic field measurement, non-contact position -measurement, Frontlag: Mye computer nytt og keyboards spennende Chemical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Chemical stimuli - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, Chemical effects exploited in semiconductor sensors: objectives osv. for å se – Ion-sensitivity (Chemical-electric effect) hva det er som er nytt!! Variation in electrical behaviour of semiconductor - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Chemical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Physical principles: Ion-sensitivity: Combustible or non-combustible gas in contact with surface of heated semiconducting metal oxide (e.g. SnO2) Chemical reaction between gas and oxygen in semiconductor Change in electrical resistance of semiconductor - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! o Heated to 200-600 NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Chemical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Chemical sensor examples: SnO2 gas sensor - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Chemical effects Thermal Radiant Mechanical Magnetic Chemical Chemical sensor examples: SnO2 gas sensor - noe om objectives med Methane, arbeidet måetc. sies • Measure concentrations of e.g. CO, CO2, Hydrogen, tidlig! • Need catalyst V+ Fokuser mere på o Heated to 200-600NB! Gas Chemical hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å reaction vise masse forskjellige SnO2 enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Substrate I - Egenmoder: Nytt at mode klassifiserings • Chemical reaction between gas and SnO2 leads tony change in conductivity system. • Example applications: Nytt at in – gas leak detection systems, breath alcohol evaluation, airResp.fu: quality control systematisk vist. buildings, electronic noses for food industry, humidity sensor, automatic cooking control in microwave ovens, cigarette smoke- detection, engine Frontlag: Mye nytt og control spennende Micromachining: small = good Benefits: – – – – - noe om objectives make very small sensors med arbeidet må sies tidlig! exploit production technology from IC technology NB! Fokuser mere på low cost - large volume - reliable sensors hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å sensors arrays to sense distributions of measurands Smart sensors – full integration of sensor(s) and silicon wafer vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives for å se processor on aosv. single hva det er som er nytt!! Example: – Chemical SnO2 sensor – integrated heating – integral dust and chemical filters - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Micromachining Example: Micromachined flowsensor – – – – - noe Applied for liquid flow control, analytical chemistry, etc.om objectives med arbeidet må sies Measures pressure difference using two piezoresistive tidlig! elements Size: 4.5 mm x 9 mm x 0.9 mm NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette Signals available: • Inlet/outlet pressure • Temperature – 2 ASICS for: • Temperature compensation • Pressure amplification arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. (Sensor from Seyonic, CH) - Frontlag: Mye nytt og spennende Micromachining Micromachining processes typically involve: – crystal growth: - noe om objectives med arbeidet må sies • integrated sensors often made from large single crytals of silicon tidlig! – dopants introduced by thermal doping (or ion implantation) • inert gas passed over silicon wafers in a furnace NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! Gas, e.g. AsH 3 or PH3 Nytt at - Egenmoder: ny mode klassifiserings system. n-SiResp.fu: Nytt at Si substrate systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Micromachining Micromachining processes typically involve: – crystal growth: - noe om objectives med arbeidet må sies • integrated sensors often made from large single crytals of silicon tidlig! – dopants introduced by thermal doping (or ion implantation) NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette oxidation (and film deposition) arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige oC • oxide layer grown by placing wafer in furnace containing oxygen,1100 enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! • inert gas passed over silicon wafers in a furnace – SiO2 - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. n-SiResp.fu: Nytt at Si substrate systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Micromachining Micromachining processes typically involve: – crystal growth: - noe om objectives med arbeidet må sies • integrated sensors often made from large single crytals of silicon tidlig! – dopants introduced by thermal doping (or ion implantation) NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette oxidation (and film deposition) arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige oC • oxide layer grown by placing wafer in furnace containing oxygen,1100 enkeltting. Se på lithography and etching konklusjoner, objectives osv. for å se • oxide layer is selectively etched, using lithography hva det er som er nytt!! • inert gas passed over silicon wafers in a furnace – – SiO2 - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. n-SiResp.fu: Nytt at Si substrate systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Micromachining Micromachining processes typically involve: – crystal growth: - noe om objectives med arbeidet må sies • integrated sensors often made from large single crytals of silicon tidlig! – dopants introduced by thermal doping (or ion implantation) NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette oxidation (and film deposition) arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige oC • oxide layer grown by placing wafer in furnace containing oxygen,1100 enkeltting. Se på lithography and etching konklusjoner, objectives osv. for å se • oxide layer is selectively etched, using lithography hva det er som er nytt!! • inert gas passed over silicon wafers in a furnace – – – – – – Metallisation and wire bonding Dicing of wafer using saw / diamond scribe Packaging Testing - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Future trends Challenge: Miniaturization: Small - smaller - nanostructures – smaller sensors leads to - noe om objectives med arbeidet må sies areas opentidlig! up • increased applicability: new application • better precision measurements NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette • lower cost of manufacture by large-scale production methods arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Example: Micro-Hall junction Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Future trends Demand for: – Sensors for harsh environments • high temperature, high pressure, etc. – Sensors with longer lifetime – More sensitive sensors Increased applicability: – Multi-sensor systems: - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at • include different sensing principles on one chip ny mode klassifiserings – Integrate actuators with sensors: • provide self-calibration • provide self-check system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Semiconductor sensors working principles Medical and healthcare NB! Fokuser mere på Environmental Aerospace Automotive - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! Important future R&D areas hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på Process sensing konklusjoner, and control objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Future trends Automotive sensors applications: - noe om objectives – demand for better fuel economy med arbeidet må sies tidlig! – demand for better emission level control NB! Fokuser mere på – demand for increased safety: hva som er nytt i dette • airbags arbeidet, istedenfor å • collision avoidance sensors (IR / microwave)vise masse forskjellige Automotive sensors challenges: enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! – Harsh environment: high temperature - Egenmoder: Nytt at – Compatible with high-volume productionny mode klassifiserings system. – Reliable and low-cost How to achieve this? Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og – standardization, fabrication in silicon, on-chip processing spennende Future trends Medical and healthcare: noe om objectives – need for new types of sensors for online -monitoring med arbeidet må sies tidlig! – in-vivo measurements Environmental sensors: – – NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å market expands due to rapid worldwide vise industrialization masse forskjellige enkeltting. Se på continual in-situ measurements: konklusjoner, • must reduce sensor-aging and degradation objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! – personal environmental sensors: • monitor local air and drinking water quality - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende Future trends - noe om objectives med arbeidet må sies tidlig! NB! Fokuser mere på hva som er nytt i dette arbeidet, istedenfor å vise masse forskjellige enkeltting. Se på konklusjoner, objectives osv. for å se hva det er som er nytt!! - Egenmoder: Nytt at ny mode klassifiserings system. Resp.fu: Nytt at systematisk vist. - Frontlag: Mye nytt og spennende
