Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры

10.2. Сенсоры на элементах с отрицательной ВАХ

Известен целый ряд полупроводниковых элементов, вольтамперная характеристика (ВАХ) которых имеет участок с отрицательным наклоном.

10.2.1. Туннельные диоды

Это, например, туннельные диоды и тиристоры. ВАХ туннельного диода показана на рис. 10.8. Участок АВ с отрицательным наклоном возникает в нём вследствие того, что на узкой границе раздела вырожденных областей полупроводника - и -типа при определенных условиях у свободных электронов появляется возможность прямого туннельного перехода из одной области в другую. Одним из этих условий является подача на туннельный диод достаточно большого обратного напряжения.

Рис. 10.8. Вид ВАХ туннельного диода

Такой сенсор может быть чувствительным ко всем внешним факторам, которые влияют на создание условий переключения. Особенно чувствительным он становится вблизи критической рабочей точки . В частности, туннельные диоды в состоянии, близком к точке , применяют для выявления слабых электромагнитных колебаний (1-10 мВ) с частотами до сотен ТГц. Благодаря наличию отрицательного участка ВАХ одновременно с обнаружением происходит и значительное усиление таких сигналов за счет внешнего источника энергии.

10.2.2. Тиристоры

Тиристор – это четырехслойная полупроводниковая -структура с двумя или тремя выводами, показанная на рис. 10.9, а. Участок ВАХ с отрицательным наклоном ( рис. 10.9, б ) возникает благодаря специфическому взаимодействию трех рядом расположенных -переходов [ [ 242 ] ]. В неактивном состоянии (на участке О – А) тиристор ведет себя как полупроводниковый диод, включенный в обратном направлении, поскольку всегда один из -переходов смещен в обратном направлении. Но, если напряжение на тиристоре превысит критическое значение , то в обратно смещенном -переходе начинается управляемый электрический пробой. Ток через тиристор возрастает, в результате чего при замкнутой электрической цепи происходит инжекция носителей заряда в обратно смещенный -переход из рядом расположенного открытого -перехода. Тиристор "открывается", его сопротивление резко падает. Он переходит на ветвь 2 вольтамперной характеристики и остается на ней, пока ток через него не станет меньше так называемого "тока удержания" .

Рис. 10.9. а) Структура тиристора: УЭ – управляющий электрод; б) вольтамперная характеристика; в) типичная схема применения

На рис. 10.9, в показана типичная схема применения тиристора. Если напряжение на тиристоре близко к напряжению переключения , то он становится очень чувствительным к влиянию ряда внешних факторов. Он может, например, открыться вследствие воздействия внешнего света (такие сенсоры называют фототиристорами ), под действием ионизирующей радиации, при повышении температуры или при появлении на его управляющем электроде слабого электрического сигнала.

10.2.3. Z-резисторы

В работах [ [ 219 ] , [ 220 ] , [ 319 ] ] предлагаются полупроводниковые сенсоры на основе так называемых Z-резисторов. Их функционирование основано на явлении "управляемой прыжковой электропроводности", открытом в конце 1980-х г.г. [ [ 162 ] ]. Оно приводит к тому, что Z-резисторы имеют L-подобную ВАХ, показанную на рис. 10.10. На участке 1 полупроводниковый Z-резистор ведет себя как обычный резистор. Электрический ток в нем распределяется по всему объему. Но, когда напряжение достигает критического значения , то в наиболее узких участках между островками начинается электрический пробой, и весь ток стягивается в "шнур" вдоль цепочки наиболее близко расположенных локальных "островков" с повышенной концентрацией носителей заряда. Величина сопротивления и напряжение на Z-резисторе резко падают. Он переходит в режим 2. Увеличение силы тока в этом режиме в результате локального разогрева приводит к пропорциональному увеличению поперечного сечения токового "шнура" при практически неизменном падении напряжения.

Рис. 10.10. ВАХ полупроводниковых Z-резисторов: 1 – обычный омический режим; 2 – режим "шнурования"; Uп и Іп – напряжение и ток переключения; Uш – падение напряжения в режиме шнура

Если Z-резистор находится в режиме 1 под напряжением, близким к напряжению переключения, то он становится очень чувствительным к влиянию разных внешних факторов и может быть использован как чувствительный сенсор со значительным внутренним усилением сигналов.

На этой основе созданы, например, высокоэффективные температурные сенсоры – так называемые "Z-термисторы", которые в диапазоне температур от –40 С до +120 С можно довольно просто настроить на разные режимы работы: амплитудный, частотный, импульсный или пороговый [ [ 220 ] , [ 221 ] ]. Это позволяет реализовать чувствительные и экономичные устройства контроля и регулирования температуры в очень компактном исполнении. Для примера на рис. 10.11 слева показано увеличенное изображение Z-термистора размером 0,2 мм в миниатюрном теплоизолирующем керамическом зажиме.

Рис. 10.11. Примеры применения Z –термисторов

Если таким крохотным температурным сенсором провести по телу человека, то можно зарегистрировать изменения температуры в десятые и даже в сотые доли градуса. Это – настоящая находка для врачей при термодиагностике щитовидной и молочной желез, артритов, остеохондрозов и т.п. При лечении детского энуреза сенсор на ночь приклеивают на область мочевого пузыря ребенка. Когда пузырь наполняется, температура его несколько повышается. Сигнал от Z-термистора включает миниатюрный пьезоэлектрический зуммер, прикрепляемый к уху, который своевременно будит ребенка.

На рис. 10.11 справа показан пример применения Z-термистора для экспериментальных исследований физиологических процессов в цветах растений.

Созданы также Z-сенсоры, чувствительные к магнитному полю, к ультрафиолетовому излучению, и т.д. [ [ 319 ] ].

10.3. Газоразрядные сенсоры

Свои электрические свойства под действием внешних воздействий могут изменять не только твердые тела, но и газы. Известно, что электропроводность газов очень зависит от степени их ионизации. Поэтому электропроводность газов особенно чувствительна, прежде всего, к тем внешним факторам, которые изменяют степень их ионизации. На рис. 10.12 показана упрощенная принципиальная электрическая схема первых газовых сенсоров ионизирующей радиации.

Рис. 10.12. Упрощенная принципиальная электрическая схема газового сенсора ионизирующей радиации

В заполненной газом ионизационной камере имеются 2 электрода, на которые подано напряжение. Если под действием ионизирующей радиации в газовой среде появляются ионы и электроны, то положительно заряженные ионы летят к катоду, а отрицательно заряженные ионы и электроны – к аноду. В электрической цепи возникает ток, величина которого измеряется прибором, откалиброванным в единицах интенсивности радиации.

Напряжение между электродами выбирается таким, чтобы практически все ионы вытягивались на электроды, не успевая рекомбинировать.

В так называемых " пропорциональных счетчиках ", предназначенных для выявления и измерения интенсивности мягкого рентгеновского и нейтронного излучений, создается значительно более высокая напряженность электрического поля между электродами. Она выбирается такой, чтобы образовавшийся ион или электрон на пути своего свободного пробега в газе успел настолько ускориться электрическим полем, чтобы при следующем столкновении с нейтральной молекулой или с атомом газа он ионизировал их. При таких условиях возникает лавина электронов, электрический ток быстро нарастает и усиливается в тысячи раз. Такие газовые сенсоры работают в импульсном режиме.

Еще более широко известны так называемые " счетчики Гейгера-Мюллера " – сенсоры для подсчета числа ионизирующих частиц, пролетающих сквозь счетчик за единицу времени. На рис. 10.13 показано, как устроен такой сенсор.

Рис. 10.13. Структура счетчика Гейгера-Мюллера

Как правило, он имеет форму металлической трубки, на оси которой расположена металлическая проволока – анод. Трубка помещена в баллон с инертным газом. Электрическое поле внутри трубки еще сильнее, чем в пропорциональных камерах. Поэтому, когда через тонкое окошечко в трубку проникает ионизирующая частица, ионизирует атомы газа, и возникают носители заряда, то очень быстро (за наносекунды) развивается лавинный процесс, и на выходе схемы появляется импульс тока. Чтобы импульсы были короткими, и их можно было подсчитывать с высокой частотой, к инертному газу прибавляют органические молекулы, которые способствуют быстрому "гашению" лавинного процесса. А к источнику высокого напряжения подключают резистор большого номинала, на котором при возникновении импульса тока падает большое напряжение, в результате чего напряжение на аноде трубки снижается и становится недостаточным для продолжения лавинного пробоя.

Краткие итоги

Устройство и физика работы полевого транзистора позволяют использовать его как элемент, чувствительный к изменениям электрического заряда или потенциала на вентильном электроде (затворе). Эти изменения могут быть обусловлены влиянием разнообразных внешних факторов, которые нужно контролировать. КМДП (КМОП) технология группового изготовления на одном кристалле кремния "комплементарных" (взаимно дополняющих) -канальных и -канальных транзисторов позволила совместить малое потребление мощности с высоким быстродействием, с очень малыми размерами элементов и создавать интегральные схемы с уровнем интеграции порядка миллиона элементов на одном кристалле. Совместное применение фотодиодов и МДП транзисторов позволило создать и организовать массовый промышленный выпуск высокоразрешающих, быстродействующих светочувствительных КМДП матриц для восприятия черно-белых и цветных изображений, содержащих до 3-5 млн. пикселей. Для восприятия цветных изображений используют фотодиоды с красным, желто-зеленым и синим светофильтрами либо разницу в поглощении кремнием света разных длин волн. Благодаря этому фотодиоды, сформированные в кремнии на разной глубине, преимущественно воспринимают свет разных длин волн и позволяют хорошо различать цвета даже без светофильтров.

Благодаря своей простой структуре, отработанной технологии изготовления и вытекающей из этого сравнительной дешевизне на рынке видеосенсоров до сих пор еще удерживают свои позиции также и светочувствительные линейки и матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Хорошие возможности для применения в качестве сенсоров предоставляют полупроводниковые приборы, имеющие участки с отрицательным наклоном ВАХ – туннельные диоды, тиристоры, Z-резисторы и др. При работе вблизи точки переключения они становятся очень чувствительными к влиянию ряда внешних факторов и могут, например, переключиться при воздействии внешнего света, под действием ионизирующей радиации, при повышении температуры или при появлении на управляющем электроде слабого электрического сигнала.

Продолжают применяться и электрические газовые сенсоры, особенно для выявления и измерения радиоактивных ионизирующих излучений ( счетчики Гейгера-Мюллера, пропорциональные счетчики ) и дешевые газоразрядные сенсоры.