Figur 1 2 Gitterstruktur Elektronenergier i gitteret Figur

Figur 1 -2 Gitterstruktur Elektronenergier i gitteret (Figur 1 -2) Forbudt område, energigap 1

Energiskjema for ledere, halvledere og isolatorer Ser på de to øverste båndene: Ledningsbåndet og valensbåndet (Figur 1 -3) 2

Kald krystall (silisium), isolator (ingen bevegelige elektroner): Romtemperatur, dårlig leder = halvleder (silisium): 3

N-doping av Si-krystall (Figur 1 -4 og 1 -5): Si Tilsetting av fremmedatom med 5 elektroner i ytterste skall: n-doping 4

N-doping av Si-krystall (Figur 1 -6 og 1 -7): Tilsetting av fremmedatom med 3 elektroner i ytterste skall: Si p-doping 5

Hullstrøm: 1) Tid Elektronhopp mot venstre betyr at hullet går mot høyre. 2) Hullet har positiv ladning, fordi et elektron mangler. 3) 6

Doping og energi, en oversikt Halvleder: n-dopet halvleder: Energi Ledningsbånd: Nesten tomt Valensbånd Fullt *) Inndopede elektroner Valensbånd Fullt *) De inndopede elektronene havner egentlig på et energinivå like under ledningsbåndet, kalt donornivå. p-dopet halvleder: Energi Ledningsbånd Nesten tomt *) Valensbånd: Inndopede ledige plasser, hull *) Hullene havner egentlig på et nivå like over valensbåndet, kalt akseptornivå. 7

Figur 1 -10 En p-n overgang kan 1) tenkes dannet på denne måten. Si-atomene er ikke tegnet! 1) ”Skjøter” sammen to krystallbiter. Elektroner diffunderer (termiske hastigheter) 2) Elektroner okkuperer ledige plasser. Det dannes negative ioner og positive ioner. 2) 3) p-side: Nøytralt område med p-doping. n-side: Nøytralt område med n-doping. Sperresjikt: Ladet område, negative ioner på p-siden og positive ioner på n-siden. 3) 4) Sperresjiktet ligner en platekondensator med et elektrisk felt fra pluss til minus. 4) 8

Diode i lederetning: Svekking av feltet i sperresjiktet slik at ladninger kan passere p-side n-side sperresjikt (Fig. 1 -13) p-side Diode i sperreretning: Styrking av feltet i sperresjiktet slik at ladninger ikke kan passere E E n-side sperresjikt (Fig. 1 -12) 9

Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor) (Figur 1 -14) Det som begrenser strømmen i kretsen er antall elektroner i ledningsbåndet i den lysfølsomme motstanden. 10

Lysfølsom motstand, LDR (Light Dependent Resistor) hf hf Bestråling: Fotoner treffer elektroner i silisiumkrystallen. Fig. 1 -15 Resultat: Elektroner slåes ut (fotoelektrisk effekt) dersom fotonet har nok energi. Det skapes elektron-hull par. (To par på tegningen). Flere elektroner betyr bedre ledningsevne/mindre motstand 11

Fotodioden, Figur 1 -16 12

Dette skjer i Fig 1 -17: Foton mot krystall Elektron-hull par hf 13

Figur 1 -17 Fotodioden. Strålingsenergi elektrisk energi. 14

Billeddannende sensor, CCD Charge Coupled Device 5 bilder om punkt 1. 3. 4 15

Hva er et digitalt bilde? Et digitalt bilde er et bilde gjort om til en matrise av tall. 0 100 255 Lysskala: Svart grått hvitt 16

linse Sensoren plasseres i bildeplanet Objekt Hvert element (pixel) i matrisen er en sensor som registrerer lysmengden (antall fotoner) som treffer. Ulike antall fotontreff. I dette eksemplet er det brukt 81 sensorer Hva betyr antall pixler for bildets kvalitet? 17

Halvlederkrystaller i matrise: En følsom sensor: ca 70 % av fotonene skaper ladning, mot ca 2 % som lager spor i en ”gammeldags” fotografisk film. E: Det elektriske feltet i p-n overgangen Drar elektroner mot høyre n p Forklaring til Fig 1 -19 E Antall elektroner her er et mål for antall fotoner som treffer i løpet av eksponeringstiden. Fotonet slår ut ett elektron som dras over til n-matererialet. 18

Hver pixel har en ladningsmengde som avhenger av belysningen. • Mange fotoner (lyst område) = stor ladning • Få fotoner (mørkt område) = liten ladning • Ladningene i hver pixel avleses elektronisk • Ladningsverdiene settes inn på en lys-mørke skala, for eksempel 0 -> 255 Animasjon (fargebilde)? 210 75 73 205 199 248 67 4 246 251 248 72 215 84 210 Mer om farger: 1) Bayer-filter 1, Bayer-filter 2 2) Bayer-filter med teskje (You-tube) 7 19

Lysforsterker Hovedidé: Problem: 1) Ett foton frigjør ett elektron (fotoelektrisk effekt) 2) Dette ene elektronet akselereres i et elektrisk felt og skaper et elektronskred 3) Den store elektronmengden kan så skape lys på samme måten som i en TV-skjerm Hvordan skape et elektronskred? Svaret er fotomultiplikatorer: Fotomultiplikator, gammel type-1 Antall elektroner som funksjon av spenning Fotomultiplikator, gammel type-2 Fotomultiplikator, ny type 20

Den store oppfinnelsen er mikrokanalplaten: Tynne rør (diameter ca 6 mikrometer) Høy spenning 21

Prinsippskisse: Fotokatode i optikkens billedplan Fotoelektrisk effekt Elektronene treffer en skjerm, eksiterer atomer som så sender ut fotoner (som i billedrør-TV) Fotoner mot sensor, CCD Mikrokanalplate Animasjon Viser hele systemet fram til CCD sensoren 22

Lysemiterende diode: Skal denne overta all belysning? Figur 2 -7: 23

Kan vi få dioder med hvitt lys? The wavelength (color) of light produced by a light emitting diode is determined exclusively by the nature of the doped semiconductor materials and is independent of dyes utilized to color the epoxy dome lens. Typical visible wavelengths emitted by semiconductor diodes are red (650 nanometers), orange (620 nanometers), yellow (585 nanometers), green (555 nanometers), and blue (480 nanometers). White light LEDs are manufactured by a variety of mechanisms, but often contain a phosphor material in the reflector cup that intercepts high-energy blue light from the diode and emits secondary radiation across the entire visible light spectrum. 24

Halvleder-laseren. Billig og liten, i størrelse ned til et sandkorn. Tvillingen til LED, men speil sørger for stimulet emisjon Figur 2 -8 25