Kapittel 10 - Fysikk Og Teknologi

Question 1

Hva er energibånd?

Answer 1

Atomer i faste stoffer har energier ordnet i energibånd. Det kan være ulike energigap mellom disse båndene. Vi har to typer:

Valensbånd - øverste av energibåndene hvor elektronene er bundet til bestemte atomer(nærmere kjernen enn ledningsbånd)

Ledningsbånd - de nederste båndene hvor elektroner beveger seg fritt fra atom til atom. (Lengre unna kjernen enn valensbånd)
Det kan gå strøm igjennom det faste stoffet bare hvis det blir eksitert til ledningsbåndet.

Question 2

Hva er en isolator?

Answer 2

En isolator er et stoff hvor energitapet mellom ledningsbåndet og valensbåndet er stort(>10 eV). Da er det få elektroner i ledningsbåndet og det må mye energi til for å eksitere de opp dit. Altså er det få elektroner som lett beveger seg fra atom til atom. Selv om man kobler til høy spenning blir strømmen lav, og resistansen dermed stor.
Eks plast, glass, porselen.

Question 3

Hva er en halvleder?

Answer 3

En halvleder er et stoff som har et lite energigap mellom valensbåndet og ledningsbåndet (< 3eV). Altså er resistansen noe lavere enn i isolatorer. Eks silisium, karbon, germanium. Halvleder kan også dopes

Question 4

Hva er en leder?

Answer 4

Det er stoffer hvor valensbåndet og ledningsbåndet til atomet overlapper hverandre. Altså er det alltid elektroner i ledningsbåndet, og deg trengs ikke termisk energi for å eksitere atomene til å lede bedre. Resistansen er lav, og strømmen blir høy selv om spenningen er relativt lav. Eks sølv kobber og aluminium

Question 5

Hva er sammenhengen mellom temperatur og resistans i ledere og halvledere?

Answer 5

Hos isolatorer og halvledere vil resistansen synke dersom temperaturen øker. Det er fordi temperaturen tilfører termisk energi til isolatoren/halvlederen som den bruker til å eksitere atomene. Dermed får stoffet flere ledningselektroner, og resistansen synker.

Hos ledere vil resistansen øke dersom temperaturen øker. Det er fordi disse stoffene ikke trenger termisk energi for å eksitere flere ledningselektroner. Tvert imot vil den termiske energien få atomene til å vibrere, og gjøre det vanskeligere for elektronene å passere igjennom lederen. Dermed øker resistansen (eks hund i folkemengde)

Question 6

Hva er en negativ ladningsbærer?(halvledere)

Answer 6

Et elektron. Når en spenningskilde kobles til en halvleder, begynner ledningselektronene å bevege seg. Man får en strøm igjennom halvlederen, og de har en negativ ladning i motsatt retning av strømretningen.

Question 7

Hva er en positiv ladningsbærer? (Halvledere)

Answer 7

Det er positive hull. Når et valenselektron eksiteres til ledningsbåndet og begynner å bevege seg, blir atomet det forlot stående igjen med netto positiv ladning. Dette kaller vi positivt hull. Atomene kan stjele elektroner fra naboatomet, og på den måten «beveger» det positive hullet seg bortover.

Question 8

Hva er doping av halvledere?

Answer 8

Man erstatter enkelte atomer i et rent stoff med fremmede atomer.

Question 9

Hva er en n- halvleder?

Answer 9

Hvis man tilsetter et fremmed atom(fosfor) - som har et løst elektron - i et stoff med halvledere(silisium) vil elektronet overføres(doneres) til et av naboatomene(silisium). Det fremmede atomet(fosfor) vil stabilisere seg og ikke motta eller sende flere elektroner. Stoffet har nå mest negative ladningsbærere. De befinner seg i ledningsbåndet

Fosfor har 5 valenselektroner

Question 10

Hva er en p-halvleder?

Answer 10

Man kan sette et fremmed atom(bor) - som har underskudd av ett elektron - inn i en halvleder(silisium). Da vil det fremmede atomet motta et elektron for å danne samme bindinger som halvlederen. Det vil ikke sende eller motta flere elektroner. Naboeletronet som «mistet» sitt elektron står igjen med et positivt hull som «beveger» seg bortover. Stoffet har da mest positive ladningsbærere. Her skjer ladningstransporten i valensbåndet ved at elektronet hopper fra hull til hull.

Bor har 3 valenselektroner

Question 11

Hva er en diode?

Answer 11

En n-halvleder og p-halvleder satt sammen. Den leder strøm i bare én retning.
Diffusjon av elektroner fra p til n vil føre til en spenningsbarriere mellom halvlederne. Det hindrer flere elektroner fra å diffundere.

Question 12

Hva er sperreretning?

Answer 12

Når man kobler n-halvlederen til plussiden av en spenningskilde, og p-halvlederen til minussiden, vil det nesten ikke gå noen strøm gjennom dioden. Det er fordi de negative elektronene i n-halvlederen blir trukket mot pluss, og de positive hullene i p-halvlederen blir trukket mot minus. Da øker forskyvningen av ladning i grenseområdet, og vi får en større spenningsbarriere. Grenseområdet blir nesten fritt for ladningsbærere, og da kan det ikke gå strøm. (Tegne)

Question 13

Hva er lederetning?

Answer 13

Når man kobler n-halvlederen til minuspolen på en spenningskilde og p-halvlederen til pluss, vil det gå strøm igjennom dioden. Det fører til at ladningsbærere blir trukket mot grenseområdet(vekk fra polene). Da blir spenningsbarrieren mindre, og forsvinner helt dersom spenningskilden har høyere spenning enn det spenningsbarrieren hadde i utgangspunktet(terskelspenning). Dermed kan ladningsbærere bevege seg fritt og det går strøm igjennom dioden.

Question 14

Hva er lysdiode?

Answer 14

En lysdiode er en diode som sender ut lys. (LED) Elektroner «faller» ned i positive hull når de går fr n-halvlederen til p-halvlederen i grenseområdet når det går strøm. Dersom denne overgangen/fallet skjer i ett sprang, mister elektronet en energi som er lik energigapet mellom valensbåndet og lederbåndet. Energien sendes ut som et foton med en energi lik

f= Eg / h
Hvor Eg er lik energigapet, og h er plancks konstant

Question 15

Hvordan fungerer en solcelle?

Answer 15

Det er det motsatte av en lysdiode. Her bruker dioden lyset som en spenningskilde til å lage strøm.
Dersom fotoenergien i lyset E=hf er minst like stor Eg i halvlederen, kan dioden absorbere elektromagnetisk stråling. I grenseområdet mellom n og p i dioden er det en spenningsbarriere. Barrieren gjør at frie elektroner lan gå fra p til n men ikke tilbake. Det blir tomt for de få ledningselektronene i p-halvlederen. Når lysstrålingen treffer atomer i p-halvlederen eksiteres elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. På grunn av spenningen vil disse ekskterte elektronene gå rett over til n, og det bygger da seg opp negativ ladning i n og positiv i p.
Hvis man kobler til en ytre krets vil elektronene returnere til p-halvlederen via denne kretsen. Dermed virker solcellen som en spenningskilde.
F større/lik Eg/h

Question 16

Hva er en transistor?

Answer 16

En viktig oppfinnelse som er satt sammen av en p-halvleder og to n-halvledere(npn-transistor) eller motsatt(pnp-transistor).

Question 17

Grei ut om npn-transistorer og hvordan den virker.

Answer 17

Den er satt sammen av to n-halvledere(emitter og kollektor) og en tynn p-halvleder i midten(base).
Transistoren leder bare strøm når det er stor nok positiv spenning mellom base og emitter. Da overvinner den spenningsbarrieren, og elektroner vil gå fra emitter til base, og direkte videre til kollektor pga de blir fanget av spenningsbarrieren mellom base og kollektor(som i diode). Dette er også grunnen til at kollektorstrømmen er mye større enn basestrømmen, og grunnen til at den virker som en forsterker.
Når basestrømmen er lav blir det spenningsbarriere på begge sider av p-halvlederen og det går ingen strøm. På den måten virker transistoren som en bryter som kan slåes av og på. Vi sier transistoren er åpen når den leder strøm, og lukket når den ikke gjør det.

Question 18

Hvilke to virkemåter har en transistor?

Answer 18

Som bryter - basespenningen er så lav at det er spenningsbarriere i grenseområdene mellom p-halvlederen og begge n-halvlederene. Da går det ikke strøm igjennom transistoren. Er basespenningen stor nok vil tansistoren være åpen og det går strøm igjennom(dypere forklart npn). På denne måten kan vi bruke transistoren som en på og av bryter

Som forsterker - når basespenningen er stor nok overvinner den spenningsbarrieren mellom base og emitter, og det vil strømme elektroner fra emitter til base og direkte videre til kollektor pga spenningsbarrieren mellom base og kollektor. Den rekker altså ikke å falle ned i hull i basen. Dette forklarer også hvorfor kollektorstrømmen er mye større enn basestrømmen.

Question 19

Hva er integrerte kretser?

Answer 19

Det er et stort antall transistorer, dioder og motstander brent direkte inn i overflaten på en enkelt krystall av halvledermateriale. Ofte silisium fordi valenselektronene sitter nærmere atomkjernen enn i eks germanium(pga lavere atomnr). Karbonkrystaller(diamant) er for dyrt.

Question 20

Hvordan virker et analogt kamera?

Answer 20

Bildet blir registrert ved at lys reagerer med et sølvholdig salt i overflaten av filmen.

Question 21

Hvordan virker et digitalt kamera?

Answer 21

Det digitale kameraet inneholder en CCD-brikke(charge-coupled device) som er en digital lysdetektor.
CCD-brikken er en integrert krets som inneholder et rutenett av små fotodioder. Når fotodiodene blir eksponert for lys, eksiteres elektronene til ledningsbåndet i halvlederen som dioden er laget av. Ladningen som samler seg i hver fotodiode er tilnærmet proporsjonal med intensiteten fra lyset på den aktuelle dioden.
Ladningen kan avleses, blir digitalisert og lagret i minnebrikke. Ladningen slettes fra CCDbrikken og kameraet er klart for nytt bilde.

Question 22

Hva er et digitalbilde?

Answer 22

Et rutenett med tallverdier som representerer lysintensiteten i hvert bildepunkt.

Question 23

Hvordan fungerer fargekamera?

Answer 23

På samme måte, men det har fotodioder i CCDbrikken som registrerer grunnfargene rødt, blått og grønt. Den har flest dioder for grønt lys, for å gjøre bildene slik vi ser de da øyet vårt er mest følsomt for grønt lys.

Question 24

Hva er oppløsning?

Answer 24

Hvor detaljert bildet er

Question 25

Hva er piksel?

Answer 25

En piksel er et punkt i bildet, altså signalet som kommer fra én enkelt fotodiode i CCD-brikken. Jo flere, jo bedre oppløsning.
1 megapiksel = CCD-brikke med 1mill bildepunkter.

Question 26

Hva er fargedybde?

Answer 26

Hvor mange ulike farger bildet kan inneholde. Jo flere jo bedre(mer realistisk) blir bildet.
En bit = et tall med verdi 0 eller 1
En byte= 8 biter
To biter = 2^2 altså 4 kombinasjoner: 00, 01, 10, 11
Åtte biter= 2^8 . For tre farger blir det (2^8)^3 altså 16 mill farger

Question 27

Hva mener vi med en elektrisk sensor?

Answer 27

En sensor er et instrument som sender et elektrisk signal(ut-signal) som følge av en ytre påkjenning/stimulering(inn-signal)

De deles inn i aktive og passive sensorer

Question 28

Hva er forskjellen på aktive og passive sensorer?

Answer 28

En aktiv sensor er en sensor som er avhengig av for eksempelbatteri for å virke.

En passiv sensor er en sensor som ikke trenger noen ekstra energikilde for å virke. Den ytre stimuleringen frambringer det elektriske signalet direkte. For eksempel solcelle, eller piezoelektriske materialer/krystaller.

Question 29

Hva er en transduser?

Answer 29

Et instrument som skaper et signal som ikke er en elektrisk strøm eller spenning. Eksempelvis et instrument som konverterer lydsignalet fra en mikrofon om til elektrisk energi

Question 30

Hva mener man med karakteristikk?

Answer 30

Det er sammenhengen mellom inn-signalet og ut-signalet til en sensor. Den kan skrives som et funksjonsutrykk eller tegnes som en graf. Man ønsker at karakteristikken til en sensor skal være tilnærmet lineær for det området som er interessant, da det blir lettere å regne seg tilbake til størrelsen man måler.
Det lineære området kalles gyldighetsområdet. Kommer man forbi denne så kan det være et tegn på at sensoren holdet på å bli overbelastet.

Question 31

Hvordan virker et termometer?

Answer 31

Termometer er basert på at resistansen i en motstand varierer med temperatur. Et vanlig stoff å bruke er platina. Det er fordi den har lineær karakteristikk for temp og resistans i et stort temperaturområde.
Platina er egentlig en leder, men som en veldig tynn tråd kan man få høy resistans. Siden det er en leder øker resistansen jo høyere temperaturen er.
Man sender en svak strøm igjennom platinatråden, og bruker spenningen over tråden som ut-signal, siden resistans ikke er målbart i seg selv uten en strøm. Dette vil jo påvirke nøyaktigheten noe, siden det øker temperaturen.

Question 32

Hvordan virker en piezoelektrisk krystall?

Answer 32

Her er prinsippet at mekaniske krefter virker på krystallen slik at det skapes en elektrisk spenning.
Krystallen er elektrisk nøytral. Når en kraft trykker krystallen litt sammen blir det en forskyvning av ionene i krystallen, som gjør at ene overflaten får en negativ ladning, og andre siden av overflaten får en positiv ladning. Dersom man strekker krystallen, blir ladningene motsatt.
Kobler man krystallen til et voltmeter kan man måle en elektrisk spenning mellom de to sidene av krystallen. Dette kalles piezoelektrisk effekt, og vises av piezoelektriske materialer.

Det som er fint med disse materialene er at karakteristikken er lineær for et stort område for kraft og spenning. De kan måle mye større krefter enn tradisjonelle fjærkraftmålere, og er også mer nøyaktige.
De kan måle trykk(gass), kraft(bilvekt), akselerasjon(til å utløse kollisjonspute), posisjon, og blir også brukt i ultralyddetektor og ekkolodd.