Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
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