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

Ответы

Ответы на вопросы

1. Аббревиатура "МДП" расшифровывается как "металл–диэлектрик–полупроводник", аббревиатура "МОП" – как "металл–окисел–полупроводник". Они обозначают структуру, которая образуется на поверхности полупроводника после нанесения на нее диэлектрика (в частности, окисла) и металлической пленки.

2. "Исток", "сток" и "затвор" – это названия электродов (внешних выводов) полевого транзистора. Затвором называют тот электрод, напряжение (электрический заряд) на котором позволяет управлять прохождением тока через транзистор. Истоком называют электрод, на который подаётся положительное напряжение питания транзистора, а стоком – электрод, из которого вытекает ток при открытом транзисторе. "Канал" – это объём транзистора, по которому протекает ток от истока к стоку, и сопротивление которого регулируется напряжением на затворе.

3. МДП транзисторы называют "полевыми" потому, что протекающий через них ток управляется электрическим полем, возникающим при подаче напряжения на затвор или при появлении на затворе электрического заряда.

4. Может, если на сток подать положительное напряжение от источника питания. Но, по существу, область, которая считалась "стоком", станет при этом истоком. Т.е. сток и исток поменяются местами.

5. "КМДП (КМОП) технология" – это технология формирования интегральных схем из взаимодополняющих ("комплементарных") МДП (в частности, МОП) транзисторов. Буква "К" в начале аббревиатуры и означает "комплементарный". Преимущества этой технологии состоят в том, что логические схемы из взаимодополняющих ( - и -канальных) МДП транзисторов позволили сочетать высокое быстродействие с низким потреблением мощности, особенно в статических режимах, и с высоким уровнем интеграции схем.

6. "Пиксель" – это один из мельчайших элементов, на множество которых разбивается изображение. Так же называют ячейки фоточувствительной матрицы, обеспечивающие восприятие одного элемента изображения. Один пиксель в "черно-белой" светочувствительной КМДП матрице состоит из 1 фотодиода и двух МДП транзисторов, один из которых служит для организации последовательного считывания сигналов от пикселей.

7. Цветные изображения в светочувствительной КМДП матрице удаётся считывать благодаря установке перед фотодиодами светофильтров: красного, желто-зеленого и синего. На эти три цвета, как известно, можно "разложить" любой цветовой оттенок. Информация о цветном изображении считывается с каждого "цветного" фотодиода отдельно.

8. Каждый пиксель "цветной" светочувствительной КМДП матрицы состоит из 4 фотодиодов со светофильтрами (один "красный", один "синий" и 2 "желто-зеленых") и 7 МДП транзисторов.

9. Лучшие цветные светочувствительные матрицы состоят сейчас из 3-5 миллионов пикселей и позволяют достигать рекордной разрешающей способности воспринимаемых изображений.

10. "ПЗС" – это сокращенное название "приборов с зарядовой связью". Если на металлические электроды ПЗС подать положительное напряжение относительно основы из кремния и осветить соответствующие области, то в кремнии возникают электроны и "дырки". Последние отталкиваются от положительно заряженных электродов, а под электродами накапливается отрицательный электрический заряд – тем больший, чем больше экспозиция падающего света. Накопленный электрический заряд можно легко перемещать между электродами, поочередно подавая на них серию положительных импульсов напряжения. Преимуществами светочувствительных матриц ПЗС являются относительно простая и хорошо отработанная технология изготовления, благодаря чему они имеют относительно низкую стоимость.

11. Приборы с участком отрицательного наклона ВАХ становятся особо чувствительными к внешним воздействиям, когда они работают вблизи точки переключения. В таком режиме к переключению могут привести и небольшое изменение температуры, и воздействие слабого электромагнитного поля, и освещение, проникающая радиация или даже акустическая волна.

12. В данной лекции в качестве примеров электрических газовых сенсоров назывались газовые сенсоры ионизирующей радиации, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Можно назвать также тиратроны, тригатроны и др. газоразрядные приборы, чувствительные к появлению на их электродах электрического напряжения.

Ответы к упражнениям

Упражнение 10.1. Структура р-канального МДП транзистора показана на рисунке:

Когда в тонком слое диэлектрика электрическое поле отсутствует, ток между истоком и стоком практически равен нулю – из-за -перехода, смещенного в обратном направлении. Если на электроде вентиля появляются отрицательные электрические заряды, то в тонком слое диэлектрика и в приповерхностной области кремния возникает электрическое поле. Имеющиеся в кремнии "дырки" под действием этого поля притягиваются к диэлектрику, изменяя объемный электрический заряд приповерхностной области. Если напряжение на затворе достигает определенного порогового уровня, то происходит инверсия электропроводности кремния в приповерхностной области, и здесь формируется тонкий канал -типа проводимости. Его называют "индуцированным" -каналом. Через этот канал от истока к стоку может протекать электрический ток: МДП транзистор "открывается". При дальнейшем возрастании отрицательного напряжения на затворе канал расширяется, его сопротивление уменьшается, и электрический ток между истоком и стоком возрастает. Таким образом, МДП транзистор достаточно чувствительный ко всем изменениям электрического заряда или потенциала на затворе, которые могут быть обусловлены влиянием подлежащих контролю внешних факторов. Это могут быть, например, освещение, химические изменения в нанесенной на затвор пленке, изменения электрохимического потенциала и т.д.

Упражнение 10.2. Принципиальная электрическая схема "черно-белой" светочувствительной КМДП матрицы имеет вид:

Отдельные ячейки выделены штриховыми рамками, на левой верхней ячейке выводы пронумерованы. В режиме подготовки к экспозиции коммутатор режима подает на аноды всех фотодиодов напряжение , и на затворах МДП транзисторов накапливается положительный электрический заряд. В режиме экспозиции этот коммутатор перемыкает аноды фотодиодов на "землю". На матрицу с помощью высококачественного объектива проецируют изображение, которое требуется воспринять и преобразовать в видеосигнал. Под действием света через фотодиоды протекает фототок, и часть электрического заряда стекает на "землю". Когда истекает время экспозиции, коммутатор отсоединяет аноды фотодиодов от "земли", и ток через изолированные фотодиоды прекращается, даже если на них продолжает действовать свет. В режиме считывания видеосигнала коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов первой строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения сначала на свой первый выход. Вследствие этого ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы (С1) открываются. На видеовыход матрицы при этом может вытекать ток считывания лишь с 1-го элемента 1-й строки. В следующем такте коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения на свой 2-й выход, вследствие чего ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы закрываются, а во 2-м столбце (С2) открываются. На видеовыход матрицы теперь вытекает ток считывания лишь со 2-го элемента 1-й строки. В следующих тактах аналогично "снимаются" токи считывания последовательно с 3-го, 4-го и т.д. элементов 1-й строки. После того как "снят" ток считывания с последнего элемента 1-й строки, коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов 2-й строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения снова на 1-й свой выход. На видеовыход матрицы вытекает ток считывания с 1-го элемента 2-й строки. В следующих тактах коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения поочередно на все свои выходы, вследствие чего считывается информация со всей 2-й строки матрицы. И так строка за строкой считывается информация обо всем изображении.

Вариант 1. Видеопоследовательность, считанная с "черно-белой" светочувствительной КМДП матрицы размером 64x96 пикселей содержит 64x96 = 6144 такта.

Вариант 2. 128x180 = 23040 тактов.

Вариант 3. 256x360 = 92160 тактов.

Вариант 4. 512x696 = 356352 такта.

Вариант 5. 1024x1372 = 1404928 тактов.

Вариант 6. 1536x2044 = 3139584 такта.

Упражнение 10.3. Учитываем следующие условия: а) изображение считывается сверху вниз, слева направо; б) темным участкам изображения в режиме экспозиции соответствует отсутствие фототока, сохранение положительного электрозаряда на затворе и, следовательно, значительный вытекающий ток при считывании; в) светлым участкам изображения в режиме экспозиции соответствует большой фототок, практически полное стекание положительного электрического заряда с затвора и поэтому незначительный вытекающий ток при считывании; г) выходной видеосигнал с "черно-белой" светочувствительной КМДП матрицы размером 7x5 пикселей содержит 35 тактов на шкале времени; д) при переходе от такта к такту, пока закрываются/открываются управляющие транзисторы, вытекающий ток несколько уменьшается. С учетом этих условий получаем следующие видеопоследовательности:

Вариант 1:

Вариант 2:

Вариант 3:

Вариант 4:

Вариант 5:

Вариант 6:

Упражнение 10.4. Как следует из рис. 10.5, каждый пиксель "цветной" светочувствительной КМДП матрицы состоит из 4 фотодидов и 7 МДП транзисторов. Перед двумя фотодиодами установлены желто-зеленые светофильтры, и эти фотодиоды "реагируют" только на желто-зеленый свет. Перед двумя другими фотодиодами установлены красный и синий светофильтры, и поэтому один из них "реагирует" только на красный, а другой – только на синий цвет. Расположение этих фотодиодов в матрице показано на рис. 10.4. Основные режимы работы: режим подготовки, когда на аноды всех фотодиодов подается напряжение и на затворах МДП транзисторов накапливается положительный электрический заряд; режим экспозиции, когда аноды фотодиодов перемыкаются на "землю", на матрицу проецируется изображение, и под действием света через фотодиоды часть электрического заряда стекает на "землю"; режим считывания видеосигнала, во время которого с матрицы считывается видеоинформация. Считывание информации организовано последовательно: строка за строкой, пиксель за пикселем в строке, элементы разного цвета в пикселе. В каждый момент выбирается лишь та строка, на которую через внешние выводы 1 (см. рис. 10.5) подано положительное напряжение от коммутатора строк. В строке выбирается лишь тот пиксель, на вывод 6 которого подано положительное напряжение от коммутатора столбцов. В пикселе выбирается лишь та светочувствительная ячейка, на вывод 3, 4 или 5 которой подано положительное напряжение от коммутатора цвета.

Упражнение 10.5.

Вариант 1. Видеопоследовательность, считанная с цветной светочувствительной КМДП матрицы размером 64x96 пикселей содержит 64x96x3 = 18432 такта.

Вариант 2. 128x180x3 = 69120 тактов.

Вариант 3. 256x360x3 = 276480 тактов.

Вариант 4. 512x696x3 = 1069056 тактов.

Вариант 5. 1024x1372x3 = 4214784 такта.

Вариант 6. 1168x1752x3 = 6139008 тактов.

Упражнение 10.6. Учитываем следующие условия: а) изображение считывается сверху вниз, слева направо; б) в каждом пикселе первым считывается красный, затем синий, а потом желто-зеленый элемент; в) темным участкам изображения в режиме экспозиции соответствует большой вытекающий ток при считывании из всех (красного, синего и желто-зеленого) чувствительных элементов; г) белым участкам изображения соответствует незначительный вытекающий ток при считывании из всех чувствительных элементов; д) красному, синему и желто-зеленому участкам изображения соответствует малый выходной видеосигнал при считывании из "своего" элемента и большой – при считывании из других элементов; е) желтый цвет – это смесь желто-зеленого и красного цвета; ж) зеленый и голубой – это смеси желто-зеленого и синего света; з) фиолетовый – смесь синего и красного света; и) коричневый – смесь черного и красного и т.д.; к) видеопоследовательность от цветной КМДП матрицы размером 3x4 пикселей содержит 3x4x3 = 36 тактов; л) при переходе от такта к такту, пока закрываются/открываются управляющие транзисторы, вытекающий ток несколько уменьшается. С учетом этих условий получаем следующие видеопоследовательности:

Вариант 1:

Вариант 2:

Вариант 3:

Вариант 4:

Вариант 5:

Вариант 6:

Упражнение 10.7. В цветной светочувствительной КМДП матрице компании Foveon без цветных светофильтров используется тот факт, что кремний поглощает видимый свет тем сильнее, чем короче длина его волны. Поэтому синий свет поглощается уже тонким слоем вблизи поверхности кремния, желто-зеленый проникает несколько глубже, еще глубже проникает красный свет. Разработчики компании Foveon, используя эпитаксиальное наращивание слоёв кремния, разместили один над другим три кремниевых фотодиода. Самый нижний из них находится на глубине проникновения красного света, средний – на глубине проникновения желто-зеленого, верхний – на глубине проникновения синего света. Благодаря этому значительно удешевилось производство цветных светочувствительных матриц. Заметно уменьшилась также площадь, занимаемая на кристалле каждым пикселем, и повысилась разрешающая способность матрицы.

Упражнение 10.8.

Вариант 1. У туннельного диода отрицательный участок ВАХ возникает вследствие того, что на узкой границе раздела вырожденных областей полупроводника - и -типа при подаче достаточно большого обратного напряжения свободные электроны могут туннелировать из одной области в другую, и сопротивление перехода току резко падает. В таком "туннельном" режиме происходит значительное усиление тока за счет внешнего источника энергии.

Вариант 2. Участок ВАХ с отрицательным наклоном у тиристора возникает благодаря специфическому взаимодействию трех рядом расположенных -переходов. В неактивном состоянии тиристор ведет себя как полупроводниковый диод, 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 из рядом расположенного -перехода. Тиристор "открывается", его сопротивление резко падает. Он переходит на другую ветвь ВАХ и остается на ней, пока ток через него не станет меньше так называемого "тока удержания".

Вариант 3. Отрицательный участок ВАХ у Z-резистора связан с явлением "управляемой прыжковой электропроводности". Объем такого резистора не однороден. В нем имеются участки повышенной электропроводности, разделенные относительно высокоомным материалом. При напряжениях ниже критического Z-резистор ведет себя как обычный резистор. Электрический ток в нем приблизительно равномерно распределяется по всему объему. Но, когда напряжение достигает критического значения , то наиболее узкие высокоомные участки между островками пробиваются, и весь ток стягивается в "шнур" вдоль цепочки наиболее близких локальных "островков" с повышенной концентрацией носителей заряда. Величина сопротивления и напряжение на Z-резисторе резко падают. Он переходит в режим "шнурования". Увеличение силы тока в этом режиме приводит к пропорциональному увеличению поперечного сечения токового "шнура" при практически неизменном падении напряжения. Выход из режима шнурования возможен, если ток через Z-резистор упадет ниже определенного значения, минимально достаточного для поддержания "шнура".