RU2390031C1

RU2390031C1 - Integrated micromechanical field emission accelerator

Info

Publication number: RU2390031C1
Application number: RU2009106325/28A
Authority: RU
Inventors: Павел Сергеевич Маринушкин (RU); Павел Сергеевич Маринушкин; Алексей Александрович Левицкий (RU); Алексей Александрович Левицкий
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-05-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: accelerometre has an x-shaped suspension whose central part is attached relative an anchor region, and a support frame joined to the x-shaped suspension and attached relative an inertial mass. Auxiliary movable electrodes are mounted at the corners of the support frame. The substrate and the inertial mass are made from dielectric material. Movable and fixed electrodes and auxiliary fixed electrodes are made from metal. The anchor region of the x-shaped suspension, support frame and auxiliary movable electrodes are made from semiconductor material into a single element.

EFFECT: wider range of accelerations measured, increased accuracy of measuring acceleration and improved operational characteristics of the design.

4 dwg

Description

Данное изобретение изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к микромеханическим акселерометрам.This invention the invention relates to the field of microsystem engineering, in particular to micromechanical accelerometers.

Известен инерционный туннельный микромеханический акселерометр [Navid Yazdi et al. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE Vol.86, No.8, August 1998, p.1646, fig.7], содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, дополнительную упругую балку, выполненную из полупроводникового материала, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - с дополнительной опорой, выполненной из полупроводникового материала и соединенной с подложкой, нижний металлический отклоняющий электрод, расположенный на поверхности подложки, верхний металлический отклоняющий электрод, расположенный над инерционной массой с зазором относительно нее, причем подложка выполнена из диэлектрического материала, подвижный и неподвижный электроды выполнены из металла, балка выполнена из полупроводникового материала, инерционная масса в центральной части имеет поперечное сечение V-образной формы.Known inertial tunneling micromechanical accelerometer [Navid Yazdi et al. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE Vol.86, No.8, August 1998, p.1646, fig.7], containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the fixed electrode, made in the form of a plate of semiconductor material, a moving electrode located on an inertial mass and forming a tunnel contact with a fixed electrode used as a displacement transducer, an elastic beam that is rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly fixed relative to the substrate with the other, additional elastic an alku made of a semiconductor material, which at one end is rigidly connected to the inertial mass and the other to an additional support made of semiconductor material and connected to the substrate, a lower metal deflecting electrode located on the surface of the substrate, an upper metal deflecting electrode located above the inertial mass with a gap relative to it, moreover, the substrate is made of dielectric material, the movable and fixed electrodes are made of metal, the beam is made and of the semiconductor material, the inertial mass in the central part has a V-shaped cross section.

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность и отсутствие возможности измерения величины ускорения вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.The disadvantage of this device is the low sensitivity and the inability to measure the magnitude of the acceleration along three mutually perpendicular axes.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр [RU 2289822 C1 (Рындин Е.А., Приступчик Н.К.), 19.07.2005], содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, металлический нагревательный элемент.A functional analogue of the claimed object is an integrated micromechanical field emission accelerometer [RU 2289822 C1 (Ryndin EA, Pristupchik N.K.), July 19, 2005] containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the fixed electrode, made in in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode located on an inertial mass and forming a tunnel contact with a fixed electrode used as a displacement transducer, an elastic beam, which is one the end is rigidly connected to the inertial mass, and the metal heating element is rigidly fixed relative to the substrate with the other.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр [RU 2298191 C1 (Рындин Е.А., Приступчик Н.К.), 26.02.2006], содержащий подложку, четыре неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, четыре подвижных электрода, жестко соединенных с инерционной массой и друг с другом, образующих с неподвижными электродами четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения, четыре упругих балки, которые одним концом жестко соединены с инерционной массой, а другим жестко закреплены относительно подложки, четыре якорных области подвеса, которые одним концом жестко закреплены относительно подложки, а другим концом расположены с зазором относительно подложки, четыре вспомогательных неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, четыре вспомогательных подвижных электрода прямоугольной формы, каждый из которых одним углом жестко соединен с инерционной массой, расположенные с зазором над вспомогательными электродами, образуя с ними четыре плоских конденсатора за счет их взаимного перекрытия, четыре области изолирующего диэлектрика, расположенные под неподвижными электродами и отделяющие их от подложки, четыре области изолирующего диэлектрика, расположенные под вспомогательными электродами и отделяющие их от подложки, четыре области изолирующего диэлектрика, расположенные под якорными областями подвеса и отделяющие их от подложки.The closest in technical essence to the claimed invention is an integrated micromechanical field emission accelerometer [RU 2298191 C1 (Ryndin EA, Pristupchik N.K.), 02.26.2006] containing a substrate, four stationary electrodes, rigidly fixed relative to the substrate, inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, four movable electrodes rigidly connected to the inertial mass and to each other, forming four pairs with stationary electrodes tunnel contacts used as displacement transducers, four elastic beams that are rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly fixed to the substrate with the other, four anchor regions of the suspension, which are rigidly fixed to the substrate at one end and with a gap relative to the substrate at the other end , four auxiliary fixed electrodes, rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary mobile electrodes of a rectangular shape, each of which at a right angle it is rigidly connected to the inertial mass, located with a gap above the auxiliary electrodes, forming four flat capacitors with them due to their mutual overlap, four regions of the insulating dielectric located under the stationary electrodes and separating them from the substrate, four regions of the insulating dielectric located under the auxiliary electrodes and separating them from the substrate, four areas of an insulating dielectric located under the anchor regions of the suspension and separating them from the substrate.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, четыре неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода, жестко соединенных с инерционной массой, образующие с неподвижными электродами четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения, якорная область, жестко закрепленная относительно подложки, четыре вспомогательных неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, четыре вспомогательных подвижных электрода.Signs of the prototype that coincide with the essential features are a substrate, four stationary electrodes rigidly fixed relative to the substrate, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, four movable electrodes rigidly connected to the inertial mass, forming four pairs of tunnel contacts used with stationary electrodes used in as displacement transducers, the anchor region, rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary stationary electrodes, rigidly closed captured relative to the substrate, four auxiliary movable electrodes.

Недостатками такого акселерометра являются: 1) узкий диапазон измеряемых ускорений и низкая точность измерения ускорения, обусловленные невозможностью использовать данный акселерометр в режиме компенсационного измерения, 2) низкие эксплуатационные характеристики конструкции, обусловленные сложностью процедуры измерения ускорения по оси Z.The disadvantages of such an accelerometer are: 1) a narrow range of measured accelerations and low accuracy of acceleration measurement, due to the inability to use this accelerometer in the compensation measurement mode, 2) low operational characteristics of the structure, due to the complexity of the procedure for measuring acceleration along the Z axis.

В основу предлагаемого изобретения положена задача расширения диапазона измеряемых ускорений и точности измерения ускорения, а также повышения эксплуатационных характеристик конструкции.The basis of the invention is the task of expanding the range of measured accelerations and the accuracy of measuring acceleration, as well as improving the operational characteristics of the structure.

Для решения поставленной задачи интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр, содержащий подложку, четыре неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода, жестко соединенных с инерционной массой, образующих с неподвижными электродами четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения, якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, четыре вспомогательных неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, четыре вспомогательных подвижных электрода, расположенных с зазором над вспомогательными неподвижными электродами, образуя с ними четыре плоских конденсатора, согласно изобретению, дополнительно содержит крестообразный подвес, центральная часть которого закреплена относительно якорной области, и опорную рамку, соединенную с крестообразным подвесом и закрепленную относительно инерционной массы, при этом вспомогательные подвижные электроды закреплены по углам опорной рамки, подложка и инерционная масса выполнены из диэлектрического материала, подвижные и неподвижные электроды и вспомогательные неподвижные электроды выполнены из металла, а якорная область, крестообразный подвес, опорная рамка и вспомогательные подвижные электроды выполнены из полупроводникового материала единым элементом.To solve this problem, an integrated micromechanical field emission accelerometer containing a substrate, four stationary electrodes rigidly fixed relative to the substrate, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, four movable electrodes rigidly connected to the inertial mass, forming four pairs of tunnel contacts used with stationary electrodes as displacement transducers, an anchor region rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary n movable electrodes, rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary movable electrodes, located with a gap above the auxiliary fixed electrodes, forming four flat capacitors according to the invention, further comprises a cross-shaped suspension, the central part of which is fixed relative to the anchor region, and a support frame connected to a cross-shaped suspension and fixed relative to the inertial mass, while the auxiliary movable electrodes are fixed at the corners of the support frame, the substrate and the inertial mass is made of a dielectric material, and movable and fixed electrodes fixed auxiliary electrodes are made of metal, and the anchor region, the cross-shaped hanger, the support frame and supporting the movable electrodes are made of a single element semiconductor material.

Существенным отличием предложенного интегрального микромеханического акселерометра по сравнению с известными является конструкция подвеса инерционной массы, содержащего якорную область, крестообразный подвес, опорную рамку и вспомогательные подвижные электроды, выполненные единым элементом из полупроводникового материала. Эта конструкция подвеса обеспечивает инерционной массе с расположенными на ней подвижными электродами возможность линейного перемещения вдоль оси Z, перпендикулярной плоскости подложки и поворота вокруг осей X и Y, лежащих в плоскости крестообразного подвеса при воздействии ускорения. При этом измерение перемещения инерционной массы обеспечивается с помощью четырех пар туннельных контактов. Такая конструкция подвеса позволяет упростить процедуру измерения ускорения по оси Z по сравнению с прототипом.A significant difference of the proposed integrated micromechanical accelerometer compared to the known ones is the suspension design of the inertial mass containing the anchor region, a cross-shaped suspension, a support frame and auxiliary movable electrodes made by a single element of a semiconductor material. This suspension design provides the inertial mass with movable electrodes located on it the ability to linearly move along the Z axis, perpendicular to the substrate plane and rotate around the X and Y axes lying in the plane of the cross suspension under the influence of acceleration. In this case, the measurement of the movement of the inertial mass is provided using four pairs of tunneling contacts. This suspension design allows you to simplify the procedure for measuring acceleration along the Z axis in comparison with the prototype.

Наличие четырех пар вспомогательных электродов позволяет использовать предлагаемый интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр в режиме компенсационного измерения. В этом режиме сила, вызванная измеряемым ускорением, уравновешивается с помощью вспомогательных электродов. В результате воздействия компенсирующей силы на опорную рамку с закрепленной на ней инерционной массой туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, поддерживаются постоянными, что позволяет увеличить диапазон измеряемых ускорений и точность измерения.The presence of four pairs of auxiliary electrodes allows you to use the proposed integrated micromechanical field emission accelerometer in the compensation measurement mode. In this mode, the force caused by the measured acceleration is balanced by auxiliary electrodes. As a result of the effect of the compensating force on the support frame with an inertial mass fixed to it, the tunneling currents flowing between the moving electrodes and the stationary electrodes are kept constant, which allows to increase the range of measured accelerations and the measurement accuracy.

На фиг.1 представлен общий вид интегрального микромеханического автоэмиссионного акселерометра со снятой инерционной массой, на фиг.2 представлена инерционная масса с подвижными электродами, на фиг.3 представлен общий вид интегрального микромеханического автоэмиссионного акселерометра, на фиг.4 - схема, поясняющая принцип действия интегрального микромеханического автоэмиссионного акселерометра.Figure 1 shows a General view of the integrated micromechanical field emission accelerometer with removed inertial mass, Figure 2 shows the inertial mass with moving electrodes, Figure 3 shows a general view of the integrated micromechanical field emission accelerometer, Figure 4 is a diagram explaining the principle of operation of the integral micromechanical field emission accelerometer.

Интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр содержит: подложку 1, четыре неподвижных электрода 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, которые жестко закреплены относительно подложки 1. Инерционная масса 3 расположена с зазором относительно подложки 1, а четыре подвижных электрода 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, жестко соединенных с инерционной массой 3, образуют с неподвижными электродами 2₁, 2₂, 2₃, 2₄ соответственно четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения. Якорная область 5 жестко закреплена относительно подложки 1, как и четыре вспомогательных неподвижных электрода 6₁, 6₂, 6₃, 6₄. Относительно якорной области 5 закреплена центральная часть крестообразного подвеса 7, соединенного с опорной рамкой 8, которая закреплена относительно инерционной массы 3. По углам опорной рамки 8 размещены четыре вспомогательных подвижных электрода 9₁,9₂, 9₃, 9₄, расположенных с зазором над вспомогательными неподвижными электродами 6₁, 6₂, 6₃, 6₄, соответственно образуя с ними четыре плоских конденсатора.The integrated micromechanical field emission accelerometer contains: substrate 1, four stationary electrodes 2 ₁ , 2 ₂ , 2 ₃ , 2 ₄ , which are rigidly fixed relative to the substrate 1. The inertial mass 3 is located with a gap relative to the substrate 1, and four movable electrodes 4 ₁ , 4 ₂ , 4 ₃ , 4 ₄ , rigidly connected to the inertial mass 3, form with fixed electrodes 2 ₁ , 2 ₂ , 2 ₃ , 2 _4, respectively, four pairs of tunnel contacts used as displacement transducers. The anchor region 5 is rigidly fixed relative to the substrate 1, as are four auxiliary stationary electrodes 6 ₁ , 6 ₂ , 6 ₃ , 6 ₄ . Relative to the anchor region 5, the central part of the cross-shaped suspension 7 is fixed, connected to the supporting frame 8, which is fixed relative to the inertial mass 3. Four auxiliary movable electrodes 9 ₁ , 9 ₂ , 9 ₃ , 9 ₄ are placed at the corners of the supporting frame, located with a gap above auxiliary stationary electrodes 6 ₁ , 6 ₂ , 6 ₃ , 6 ₄ , respectively forming four flat capacitors with them.

Интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр работает следующим образом. При подаче положительного напряжения питания на неподвижные электроды 2₁, 2₂, 2₃, 2₄ относительно подвижных электродов 4₁ 4₂, 4₃, 4₄, вследствие малости зазора, разделяющего области подвижных и неподвижных электродов, электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальные барьеры, образованные зазорами, туннелируют из неподвижных электродов в соответствующие подвижные электроды и тем самым создают туннельные токи, которые являются выходными сигналами устройства.The integrated micromechanical field emission accelerometer works as follows. When applying a positive supply voltage to the fixed electrodes 2 ₁ , 2 ₂ , 2 ₃ , 2 ₄ relative to the movable electrodes 4 ₁ 4 ₂ , 4 ₃ , 4 ₄ , due to the small gap separating the areas of the movable and fixed electrodes, electrons having a sufficient probability of passage through potential barriers formed by the gaps, tunnel from the stationary electrodes into the corresponding movable electrodes and thereby create tunneling currents, which are the output signals of the device.

При подаче управляющих напряжений на вспомогательные неподвижные электроды 6₁, 6₂, 6₃, 6₄ относительно вспомогательных подвижных электродов 9₁, 9₂, 9₃, 9₄, закрепленных на опорной рамке 8, между ними возникают силы электростатического взаимодействия. В результате крестообразный подвес 7 деформируется, что приводит к изменению ориентации инерционной массы 3 в пространстве, устраняя возможный первоначальный крен подвижных электродов относительно неподвижных электродов, обусловленный технологическими погрешностями, и тем самым осуществляя калибровку.When applying control voltages to the auxiliary stationary electrodes 6 ₁ , 6 ₂ , 6 ₃ , 6 ₄ relative to the auxiliary movable electrodes 9 ₁ , 9 ₂ , 9 ₃ , 9 ₄ , mounted on the supporting frame 8, electrostatic interaction forces arise between them. As a result, the cross-shaped suspension 7 is deformed, which leads to a change in the orientation of the inertial mass 3 in space, eliminating the possible initial roll of the moving electrodes relative to the stationary electrodes, due to technological errors, and thereby performing calibration.

Процесс калибровки завершается по достижении равенства токов автоэмиссии между подвижными электродами и соответствующими неподвижными электродами.The calibration process is completed when the field emission currents between the movable electrodes and the corresponding stationary electrodes are equal.

При возникновении ускорения подложки 1 в направлении оси Z, опорная рамка 8 вместе с инерционной массой 3 и закрепленными на ней подвижными электродами 4₁ 4₂, 4₃, 4₄ под действием сил инерции перемещается перпендикулярно плоскости подложки 1, что приводит к деформации крестообразного подвеса 7 (фиг.4). Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, получают равные приращения вследствие одновременного изменения ширины всех зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the substrate 1 in the direction of the Z axis occurs, the support frame 8 together with the inertial mass 3 and the movable electrodes 4 ₁ 4 ₂ , 4 ₃ , 4 ₄ attached to it under the action of inertia forces perpendicular to the plane of the substrate 1, which leads to deformation of the cross suspension 7 (Fig. 4). The tunneling currents flowing between the movable electrodes and the stationary electrodes receive equal increments due to the simultaneous change in the width of all the gaps, characterizing the magnitude of the acceleration.

При возникновении ускорения подложки 1 в направлении оси Y, опорная рамка 8 вместе с инерционной массой 3 и закрепленными на ней подвижными электродами 4₁, 4₂, 4₃, 4₄ под действием сил инерции перемещается вдоль оси Y, что приводит к деформации крестообразного подвеса 7 (фиг.4). Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, изменяются вследствие одновременного изменения ширины зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the substrate 1 occurs in the direction of the Y axis, the supporting frame 8, together with the inertial mass 3 and the movable electrodes 4 ₁ , 4 ₂ , 4 ₃ , 4 ₄ attached to it, moves along the Y axis under the action of inertia forces, which leads to deformation of the cross suspension 7 (Fig. 4). The tunneling currents flowing between the movable electrodes and the stationary electrodes change due to the simultaneous change in the gap width, characterizing the magnitude of the acceleration.

При возникновении ускорения подложки 1 в направлении оси X, опорная рамка 8 вместе с инерционной массой 3 и закрепленными на ней подвижными электродами 4₁, 4₂, 4₃, 4₄ под действием сил инерции перемещается вдоль оси X, что приводит к деформации крестообразного подвеса 7 (фиг.4). Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, изменяются вследствие одновременного изменения ширины зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the substrate 1 occurs in the direction of the X axis, the supporting frame 8 together with the inertial mass 3 and the movable electrodes 4 ₁ , 4 ₂ , 4 ₃ , 4 ₄ attached to it moves under the action of inertia along the X axis, which leads to deformation of the cross suspension 7 (Fig. 4). The tunneling currents flowing between the movable electrodes and the stationary electrodes change due to the simultaneous change in the gap width, characterizing the magnitude of the acceleration.

При работе в компенсационном режиме сила, воздействующая на опорную рамку 8 с закрепленной на ней инерционной массой 3, вызванная измеряемым ускорением, уравновешивается с помощью вспомогательных неподвижных электродов 6₁, 6₂, 6₃, 6₄ и вспомогательных подвижных электродов 9₁ 9₂, 9₃, 9₄, что позволяет поддерживать постоянными туннельные токи, протекающие между подвижными и неподвижными электродами. Выходным сигналом при этом является величина напряжения, прикладываемого между вспомогательными электродами.When working in the compensation mode, the force acting on the support frame 8 with an inertial mass 3 fixed on it, caused by measured acceleration, is balanced using auxiliary fixed electrodes 6 ₁ , 6 ₂ , 6 ₃ , 6 ₄ and auxiliary movable electrodes 9 ₁ 9 ₂ , 9 ₃ , 9 ₄ , which makes it possible to maintain constant tunnel currents flowing between the movable and stationary electrodes. The output signal in this case is the magnitude of the voltage applied between the auxiliary electrodes.

Таким образом, предлагаемый интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль трех взаимноперпендикулярных осей за счет использования эффекта туннелирования носителей заряда между подвижными и неподвижными электродами. При этом интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр может работать как в режиме прямого измерения, так и в режиме компенсационного измерения. В результате расширяется диапазон измеряемых ускорений и точность измерения.Thus, the proposed integrated micromechanical field emission accelerometer allows you to measure the magnitude of the acceleration along three mutually perpendicular axes through the use of the effect of tunneling of charge carriers between moving and stationary electrodes. In this case, the integrated micromechanical field emission accelerometer can operate both in direct measurement mode and in compensation measurement mode. As a result, the range of measured accelerations and the accuracy of the measurement are expanded.

Claims

An integrated micromechanical field emission accelerometer containing a substrate, four stationary electrodes rigidly fixed relative to the substrate, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, four movable electrodes rigidly connected to the inertial mass, forming four pairs of tunnel contacts with fixed electrodes, an anchor region, rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary fixed electrodes rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary x movable electrodes located with a gap above the auxiliary stationary electrodes, forming four flat capacitors with them, characterized in that a cross-shaped suspension is introduced into it, the central part of which is fixed relative to the anchor region, and a support frame connected to the cross-shaped suspension and fixed relative to the inertial mass while auxiliary movable electrodes are fixed at the corners of the support frame, the substrate and inertial mass are made of dielectric material, movable and non-movable rip auxiliary electrodes and the fixed electrodes are made of metal, and the anchor region, the cross-shaped hanger, the support frame and supporting the movable electrodes are made of a single element semiconductor material.