1. 10.2. Сенсори на елементах з негативною ВАХ Відомий цілий ряд напівпровідникових елементів, вольтамперная...
2. 10.2.2. тиристори
3. 10.2.3. Z-резистори
4. 10.3. газорозрядні сенсори
5. короткі підсумки

10.2. Сенсори на елементах з негативною ВАХ

Відомий цілий ряд напівпровідникових елементів, вольтамперная характеристика (ВАХ) яких має ділянку з негативним нахилом.

10.2.1. тунельні діоди

Це, наприклад, тунельні діоди і тиристори. ВАХ тунельного діода показана на Мал. 10.8 . Ділянка АВ з негативним нахилом виникає в ньому внаслідок того, що на вузькій межі поділу вироджених областей напівпровідника - і -типу при певних умовах у вільних електронів з'являється можливість прямого тунельного переходу з однієї області в іншу. Одним з цих умов є подача на тунельний діод досить великого зворотного напруги.

Мал.10.8.

Вид ВАХ тунельного діода

Такий сенсор може бути чутливим до всіх зовнішніх чинників, які впливають на створення умов перемикання. Особливо чутливим він стає поблизу критичної робочої точки . Зокрема, тунельні діоди в стані, близькому до точки , Застосовують для виявлення слабких електромагнітних коливань (1-10 мВ) з частотами до сотень ТГц. Завдяки наявності негативного ділянки ВАХ одночасно з виявленням відбувається і значне посилення таких сигналів за рахунок зовнішнього джерела енергії.

10.2.2. тиристори

Тиристор - це чотиришарова напівпровідникова -Структура з двома або трьома висновками, показана на Мал. 10.9 , А. Ділянка ВАХ з негативним нахилом ( Мал. 10.9 , Б) виникає завдяки специфічному взаємодії трьох поруч розташованих -переходів [ [242] ]. У неактивному стані (на ділянці Про - А) тиристор поводиться як напівпровідниковий діод, включений у зворотному напрямку, оскільки завжди один з -переходів зміщений у зворотному напрямку. Але, якщо напруга на тиристорі перевищить критичне значення , То в назад зміщеному -переході починається керований електричний пробій. Струм через тиристор зростає, в результаті чого при замкнутому електричному ланцюзі відбувається інжекція носіїв заряду в назад зміщений -перехід з поруч розташованого відкритого -переходу. Тиристор "відкривається", його опір різко падає. Він переходить на гілку 2 вольтамперної характеристики і залишається на ній, поки струм через нього не стане менше так званого "струму утримання" .

Мал.10.9.

а) Структура тиристора: УЕ - керуючий електрод; б) вольтамперная характеристика; в) типова схема застосування

на Мал. 10.9 , В показана типова схема застосування тиристора. Якщо напруга на тиристорі близько до напруги перемикання , То він стає дуже чутливим до впливу ряду зовнішніх чинників. Він може, наприклад, відкритися внаслідок впливу зовнішнього світу (такі сенсори називають Фототиристори), під дією іонізуючої радіації, при підвищенні температури або при появі на його керуючому електроді слабкого електричного сигналу.

10.2.3. Z-резистори

У роботах [ [219] , [220] , [319] ] Пропонуються напівпровідникові сенсори на основі так званих Z-резисторів. Їх функціонування засноване на явищі "керованої стрибкової електропровідності", відкритому в кінці 1980-х р.р. [ [162] ]. Воно призводить до того, що Z-резистори мають L-подібну ВАХ, показану на Мал. 10.10 . На ділянці 1 напівпровідниковий Z-резистор поводиться як звичайний резистор. Електричний струм в ньому розподіляється по всьому об'єму. Але, коли напруга досягає критичного значення , То в найбільш вузьких ділянках між острівцями починається електричний пробій, і весь струм стягується в "шнур" уздовж ланцюжка найближче розташованих локальних "острівців" з підвищеною концентрацією носіїв заряду. Величина опору і напруга на Z-резистори різко падають. Він переходить в режим 2. Збільшення сили струму в цьому режимі в результаті локального розігріву призводить до пропорційного збільшення поперечного перерізу токового "шнура" при практично незмінному падінні напруги.

Мал.10.10.

ВАХ напівпровідникових Z-резисторів: 1 - звичайний омічний режим; 2 - режим "шнурування"; Uп і ІП - напруга і струм перемикання; Uш - падіння напруги в режимі шнура

Якщо Z-резистор знаходиться в режимі 1 під напругою, близьким до напруги перемикання, то він стає дуже чутливим до впливу різних зовнішніх факторів і може бути використаний як чутливий сенсор зі значним внутрішнім посиленням сигналів.

На цій основі створено, наприклад, високоефективні температурні сенсори - так звані "Z-термістори", які в діапазоні температур від -40 З до +120 З можна досить просто налаштувати на різні режими роботи: амплітудний, частотний, імпульсний або пороговий [ [220] , [221] ]. Це дозволяє реалізувати чутливі і економічні пристрої контролю та регулювання температури в дуже компактному виконанні. Для прикладу на Мал. 10.11 зліва показано збільшене зображення Z-термістора розміром 0,2 мм в мініатюрному теплоизолирующем керамічному затиску.

Мал.10.11.

Приклади застосування Z -термісторов

Якщо таким крихітним температурним сенсором провести по тілу людини, то можна зареєструвати зміни температури в десяті і навіть в соті частки градуса. Це - справжня знахідка для лікарів при термодіагностики щитовидної та молочної залоз, артритів, остеохондрозів і т.п. При лікуванні дитячого енурезу сенсор на ніч приклеюють на область сечового міхура дитини. Коли міхур наповнюється, температура його дещо підвищується. Сигнал від Z-термістора включає мініатюрний п'єзоелектричний зумер, що прикріплюється до вуха, який своєчасно будить дитину.

на Мал. 10.11 праворуч показаний приклад застосування Z-термістора для експериментальних досліджень фізіологічних процесів в кольорах рослин.

Створено також Z-сенсори, чутливі до магнітного поля, до ультрафіолетового випромінювання, і т.д. [ [319] ].

10.3. газорозрядні сенсори

Свої електричні властивості під дією зовнішніх впливів можуть змінювати не тільки тверді тіла, але і гази. Відомо, що електропровідність газів дуже залежить від ступеня їх іонізації. Тому електропровідність газів особливо чутлива, перш за все, до тих зовнішніх чинників, які змінюють ступінь їх іонізації. на Мал. 10.12 показана спрощена принципова електрична схема перших газових сенсорів іонізуючої радіації.

Мал.10.12.

Спрощена принципова електрична схема газового сенсора іонізуючої радіації

У заповненій газом ионизационной камері є 2 електрода, на які подано напругу. Якщо під дією іонізуючої радіації в газовому середовищі з'являються іони і електрони, то позитивно заряджені іони летять до катода, а негативно заряджені іони і електрони - до анода. В електричному ланцюзі виникає струм, величина якого вимірюється приладом, відкаліброваним в одиницях інтенсивності радіації.

Напруга між електродами вибирається таким, щоб практично всі іони витягувалися на електроди, не встигаючи рекомбінувати.

У так званих "пропорційних лічильниках", призначених для виявлення і вимірювання інтенсивності м'якого рентгенівського і нейтронного випромінювань, створюється значно вища напруженість електричного поля між електродами. Вона вибирається такий, щоб утворився іон або електрон на шляху свого вільного пробігу в газі встиг настільки прискоритися електричним полем, щоб при наступному зіткненні з нейтральною молекулою або з атомом газу він іонізованого їх. За таких умов виникає лавина електронів, електричний струм швидко наростає і посилюється в тисячі разів. Такі газові сенсори працюють в імпульсному режимі.

Ще більш широко відомі так звані "лічильники Гейгера-Мюллера" - сенсори для підрахунку числа іонізуючих частинок, що пролітають крізь лічильник за одиницю часу. на Мал. 10.13 показано, як влаштований такий сенсор.

Мал.10.13.

Структура лічильника Гейгера-Мюллера

Як правило, він має форму металевої трубки, на осі якої розташована металева дріт - анод. Трубка поміщена в балон з інертним газом. Електричне поле всередині трубки ще сильніше, ніж в пропорційних камерах. Тому, коли через тонке віконечко в трубку проникає іонізуюча частка, іонізує атоми газу, і виникають носії заряду, то дуже швидко (за наносекунди) розвивається лавинний процес, і на виході схеми з'являється імпульс струму. Щоб імпульси були короткими, і їх можна було підраховувати з високою частотою, до інертного газу додають органічні молекули, які сприяють швидкому "гасіння" лавинного процесу. А до джерела високої напруги підключають резистор великого номіналу, на якому при виникненні імпульсу струму падає велике напруження, в результаті чого напруга на аноді трубки знижується і стає недостатнім для продовження лавинного пробою.

короткі підсумки

Пристрій і фізика роботи польового транзистора дозволяють використовувати його як елемент, чутливий до змін електричного заряду або потенціалу на вентильному електроді (затворі). Ці зміни можуть бути обумовлені впливом різноманітних зовнішніх факторів, які потрібно контролювати. КМДП (КМОП) технологія групового виготовлення на одному кристалі кремнію "комплементарних" (взаємно доповнюють) -Канальний і -Канальний транзисторів дозволила поєднати мале споживання потужності з високою швидкодією, з дуже малими розмірами елементів і створювати інтегральні схеми з рівнем інтеграції близько мільйона елементів на одному кристалі. Спільне застосування фотодіодів і МДП транзисторів дозволило створити і організувати масовий промисловий випуск високоразрешающіх, швидкодіючих світлочутливих КМДП матриць для сприйняття чорно-білих і кольорових зображень, що містять до 3-5 млн. Пікселів. Для сприйняття кольорових зображень використовують фотодіоди з червоним, жовто-зеленим і синім світлофільтрами або різницю в поглинанні кремнієм світла різних довжин хвиль. Завдяки цьому фотодіоди, сформовані в кремнії на різній глибині, переважно сприймають світло різних довжин хвиль і дозволяють добре розрізняти кольори навіть без світлофільтрів.

Завдяки своїй простій структурі, відпрацьованою технологією виготовлення і яка витікає з цього порівняну дешевизну на ринку відеосенсорів досі ще утримують свої позиції також і світлочутливі лінійки і матриці на приладах із зарядним зв'язком (ПЗС).

Хороші можливості для застосування в якості сенсорів надають напівпровідникові прилади, що мають ділянки з негативним нахилом ВАХ - тунельні діоди, тиристори, Z-резистори та ін. При роботі поблизу точки перемикання вони стають дуже чутливими до впливу ряду зовнішніх факторів і можуть, наприклад, переключитися при впливі зовнішнього світу, під дією іонізуючої радіації, при підвищенні температури або при появі на керуючому електроді слабкого електричного сигналу.

Продовжують застосовуватися і електричні газові сенсори, особливо для виявлення і вимірювання радіоактивних іонізуючих випромінювань (лічильники Гейгера-Мюллера, пропорційні лічильники) і дешеві газорозрядні сенсори.