Thông tin tài liệu
MỞ ĐẦU Hàng ngày, (bằng mắt) nhận biết giới xung quanh thông qua cửa sổ hẹp phổ sóng điện từ Vùng phổ gọi vùng khả kiến (VIS) có bước sóng trải từ 400 nm (ánh sáng tím) đến 750 nm (ánh sáng đỏ) Bức xạ vùng khác phổ sóng điện từ người khơng trực tiếp cảm nhận mắt, nhiên thông qua hiệu ứng q trình tương tác sóng điện từ lên vật chất ta nhận biết, thực đo đạc, đánh giá cường độ xạ vùng phổ cảm biến chuyển đổi cường độ xạ thành đại lượng vật lý đo đạc hiệu điện thế, cường độ dòng điện, điện trở… Các cảm biến quang điện hoạt động vùng phổ rộng, có bước sóng từ 25 nm đến 3000 µm, bước sóng vùng cực tím vùng tử ngoại (UV), bước sóng dài màu đỏ vùng hồng ngoại (IR) Trong vùng lại chia thành nhiều vùng con, ví dụ vùng hồng ngoại: từ 750 nm đến m vùng hồng ngoại gần (SWIR), từ m đến m vùng hồng ngoại trung (MWIR), từ m đến 15 m vùng hồng ngoại xa (LWIR)… Thiết bị hồng ngoại có lịch sử phát triển gắn liền với trình phát triển thiết bị quang điện tử quân sự, phục vụ cho trinh sát đêm, dẫn đường, giám sát, xác định bắt bám mục tiêu Gần đây, thiết bị hồng ngoại phục vụ mục đích dân nghiên cứu phát triển Trong năm cuối kỷ 20, thiết bị hồng ngoại bắt đầu áp dụng thành công lĩnh vực y tế, cơng nghiệp, khai khống, tiết kiệm lượng… Một ví dụ điển hình thiết bị ảnh nhiệt đặt sân bay giúp phát hành khách bị nhiễm bệnh từ vùng ổ dịch SARS, cúm, Ebola… qua hạn chế phát tán, lây lan bệnh dịch Hiện nay, thị phần thiết bị phi quân chiếm khoảng 10%, dự đoán vài thập niên tới thị phần tăng lên 70% số lượng sản phẩm chiếm 40% giá trị lợi nhuận [1] Tuy nhiên trình định hướng phát triển chủ đạo thiết bị quang hồng ngoại nhận định ứng dụng quân Các cảm biến hồng ngoại nghiên cứu phát triển nhiều vật liệu dựa theo nhiều nguyên lý hoạt động khác Những nghiên cứu chuyên sâu hiệu ứng quang dẫn vùng hồng ngoại Việt Nam hạn chế điều kiện kỹ thuật lĩnh vực ứng dụng đa số mang đặc thù quân Với mong muốn đóng góp vào q trình nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực quang điện tử vùng hồng ngoại, đặc biệt cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng quang dẫn xảy vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp Do đó, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ đo đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại nhiệt độ phòng” Mục tiêu nghiên cứu: Nắm vững chế lý thuyết hiệu ứng quang dẫn kỹ thuật đo đặc trưng quang dẫn hồng ngoại Xây dựng hệ thiết bị đủ khả đo thông số đặc trưng (đặc trưng sáng, đặc trưng V-A, đặc trưng tần số, đặc trưng phổ…) hiệu ứng quang dẫn vùng hồng ngoại để phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá mẫu quang trở bán dẫn vùng cấm hẹp Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Trên sở trang thiết bị có, thiết kế cấu hình lắp đặt khối chức phù hợp với phép đo đặc trưng quang dẫn, khảo sát đánh giá chất lượng hệ đo thông qua kết khảo sát mẫu quang trở hồng ngoại chuẩn Bố cục luận văn: Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, luận văn chia thành chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thiết lập hệ đo thông số đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại gần Chương 3: Kết thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn tượng điện trở chất bán dẫn thay đổi tác dụng trực tiếp ánh sáng Nguyên nhân dẫn đến thay đổi điện trở mật độ hạt tải điện bán dẫn thay đổi 1.1.1 Các trình kích thích quang bán dẫn Hình 1.1 Các q trình kích thích quang bán dẫn [2] Xét ba q trình kích thích quang học bán dẫn (Hình 1.1) Quá trình kích thích thứ gọi hấp thụ vùng - vùng hay kích thích quang dẫn (Hình 1.1a) Trong q trình này, electron kích thích photon chiếu tới chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, kết sau kiện hình thành cặp điện tử - lỗ trống, hạt tải tự tham gia trình dẫn điện, khiến cho độ dẫn điện chất bán dẫn tăng lên Điều kiện để xảy kích thích vùng - vùng lượng photon chiếu tới phải lớn bề rộng dải cấm: hν ≥ Eg Cảm biến quang dẫn hoạt động dựa tượng hấp thụ vùng - vùng gọi cảm biến quang dẫn Quá trình kích thích thứ hai gọi q trình hấp thụ tạp chất (Hình 1.1b) Trong trình này, electron từ tâm tạp chất bị kích thích photon chiếu tới với lượng nhỏ nhiều so với bề rộng dải cấm chuyển từ mức tạp chất lên vùng dẫn (hoặc từ vùng hóa trị lên mức acceptor) Kết xuất thêm hạt tải tự do, khiến cho độ dẫn điện bán dẫn tăng lên Hiệu ứng quang dẫn gọi quang dẫn tạp chất Cảm biến quang dẫn hoạt động dựa tượng hấp thụ tạp chất gọi cảm biến quang tạp chất Q trình kích thích thứ ba gọi q trình hấp thụ nội vùng (Hình 1.1c) Trong trình này, electron vùng dẫn (hoặc lỗ trống vùng hóa trị) hấp thụ photon di chuyển vùng dẫn (hoặc vùng hóa trị) lên mức lượng cao Sau electron lỗ trống tương tác với mạng tinh thể trở lại mức lượng ban đầu Đặc điểm bật trình hấp thụ nội vùng số hạt tải tự không tăng lên, độ dẫn điện bán dẫn khơng thay đổi Tóm lại, có hấp thụ vùng - vùng hấp thụ tạp chất gây hiệu ứng quang dẫn 1.1.2 Phương trình hiệu ứng quang dẫn Nếu tác dụng ánh sáng, điện trở bán dẫn giảm (độ dẫn điện tăng) hiệu ứng quang dẫn gọi hiệu ứng quang dẫn dương; ngược lại hiệu ứng gọi hiệu ứng quang dẫn âm Độ dẫn toàn phần bán dẫn có ánh sáng chiếu vào biểu diễn công thức sau [2,3,4]: S T eµn (n n) eµp (p p) (1.1) Trong đó: σS độ dẫn sáng (độ dẫn toàn phần); σT độ dẫn tối; Δσ biến thiên độ dẫn; µn µp độ linh động điện tử lỗ trống; n p mật độ cân nhiệt điện tử lỗ trống bên bán dẫn; δn δp mật độ không cân điện tử lỗ trống bên bán dẫn xuất tác dụng ánh sáng Khi hấp thụ xạ kèm với chuyển tiếp vùng - vùng, số điện tử lỗ trống cân bằng nhau, ta có δn = δp Q trình hấp thụ exciton dẫn đến hình thành cặp điện tử - lỗ trống liên kết với cặp thực thể trung hịa điện Vì thế, hấp thụ exciton trực tiếp không làm cho độ dẫn điện thay đổi Nhưng di chuyển exciton bị phân rã chúng hấp thụ thêm lượng exciton bị phân rã làm xuất hai hạt tải điện tự do, có electron lỗ trống Nhưng sau hình thành mà exciton bị tái hợp (hủy), hấp thụ exciton khơng làm cho độ dẫn điện mẫu tăng lên Khi ánh sáng kích thích làm ion hóa tâm bán dẫn tâm tạp chất, tâm F, trình làm tăng mật độ loại hạt tải (hoặc điện tử, lỗ trống) Trong trường hợp xảy tình hạt tải không cân hạt tải không mật độ chúng lớn mật độ hạt tải trạng thái cân nhiệt Khi bị chiếu sáng, tất tượng động bán dẫn xảy khác với không chiếu sáng Sự hấp thụ ánh sáng gây dao động mạng làm tăng mật độ hạt tải điện nhờ hiệu ứng thứ cấp, cụ thể hấp thụ ánh sáng làm tăng mật độ phonon, sau phonon lại truyền lượng chúng để kích thích hạt mang điện Quá trình hạt tải tự hấp thụ ánh sáng không làm cho mật độ hạt tải tự thay đổi, lại phá vỡ phân bố cân chúng, làm cho chúng trở nên “nóng” hơn, độ linh động chúng thay đổi Điều đến lượt lại làm thay đổi độ dẫn điện bán dẫn Đôi ta quan sát thấy tượng quang dẫn âm, tức điện trở chất bán dẫn chiếu sáng không giảm, mà lại tăng so với trước chiếu sáng Có thể giải thích tượng quang dẫn âm sau: có hiệu ứng quang dẫn âm, ánh sáng kích thích phá vỡ cân trình sinh trình tái hợp gần bề mặt, khiến cho hạt tải không khuếch tán vào sâu bên khối bán dẫn, làm cho tốc độ tái hợp hạt tải bên khối bán dẫn tăng lên Kết mật độ hạt tải điện bên khối bán dẫn giảm, khiến cho độ dẫn điện giảm (hay điện trở tăng lên) Mật độ hạt tải trình quang dẫn tính theo phương trình sau [2]: n n0 n divjn G n t en n (1.2) p p0 p divjp G p t ep p (1.3) Trong jn, jp véctơ mật độ dòng điện; Gn, Gp tốc độ sinh τn, τp thời gian sống điện tử lỗ trống Trước hết ta xét trường hợp đơn giản nhất, bên bán dẫn khơng có dịng điện Khi phương trình (1.2) (1.3) có dạng sau: n n0 n Gn t n (1.4) p p0 p Gp t p (1.5) Ở trạng thái dừng, phương trình (1.4) (1.5) có nghiệm là: n n – n n G n (1.6) p p – p0 pGp (1.7) Từ ta dễ dàng tính biến thiên độ dẫn trạng thái dừng: S T pµp (pGp bn Gn ) (1.8) Trong b tỷ số độ linh động điện tử lỗ trống Đại lượng Δσ phụ thuộc vào bước sóng λ cường độ J ánh sáng chiếu tới, cịn τ phụ thuộc vào mật độ hạt tải dư, tức phụ thuộc vào tốc độ sinh hạt tải G Phương trình (1.8) gọi phương trình thứ hiệu ứng quang dẫn Tốc độ sinh hạt tải G xác định cường độ sáng J bước sóng λ theo cơng thức sau [2]: G n n J n h G p p J p h (1.9) (1.10) Các đại lượng βn βp gọi hiệu suất lượng tử điện tử lỗ trống, α hệ số hấp thụ, h số Planck, ν tần số ánh sáng, Ф dòng photon đập tới Nếu tượng quang dẫn gây ion hóa tâm đại lượng βn βp phải Từ suy luận vật lí thấy rằng, xét trình lượng tử quy mơ hạt β nhận hai giá trị khả dĩ, không Tuy nhiên, tiến hành đo thực nghiệm β lại nhận giá trị khác, nhỏ lớn Đó đo, ta phải lấy giá trị trung bình, phải tính đến q trình thứ cấp, kết β bé lớn Từ ta viết phương trình mật độ dịng quang điện: jph .E ep p p bn n E (1.11) Trong E véctơ cường độ điện trường Gọi l chiều dài quang trở tính dọc theo điện trường, U hiệu điện hai điện cực quang trở; ta có E = U/l; µpE = vdp; µnE =- vdn vdn vdp vận tốc chuyển động có hướng điện tử lỗ trống Gọi tn = l/vdn; = l/vdp thời gian vượt qua điện tử lỗ trống, tức thời gian cần thiết để điện tử lỗ trống chuyển động có hướng vượt qua khoảng cách hai điện cực quang trở Khi ta có: E vdp p l l p t p n t n (1.12) Ở dấu trừ có nghĩa electron chuyển động ngược chiều với véctơ cường độ điện trường Từ ta nhận biểu thức mật độ dòng quang điện sau: l l jph e pp p e n n n p t p n t n p e p n n l tn (1.13) Giả sử màng mỏng quang trở đủ mỏng độ hấp thụ ánh sáng yếu, tích αФ điểm bên màng Khi nhân hai vế với diện tích tiết diện S màng lưu ý Sl = V thể tích màng, sau ký hiệu jphS = Iph cường độ dịng quang điện qua mẫu, ta được: p I ph jph S e p n n Sl t t n p p e p n n V t t n p (1.14) Trong ФV số photon bị hấp thụ đơn vị thời gian Phương trình (1.14) gọi phương trình thứ hai hiệu ứng quang dẫn Từ phương trình (1.14) ta nhận thấy dịng quang điện qua mẫu phụ thuộc vào số photon bị hấp thụ mẫu đơn vị thời gian ФV, hiệu suất lượng tử βn βp, ngồi cịn phụ thuộc vào tỷ số τn/tn τp/tp Ta thấy điện áp đặt vào hai đầu quang trở đủ lớn thời gian vượt qua trở nên đủ nhỏ khiến cho tỷ số τn/tn τp/tp trở nên lớn 1, có nghĩa dòng quang điện khuếch đại lên nhờ điện áp đặt vào hai đầu quang trở Vì lý đó, quang trở thường chế tạo dạng dải mảnh, điện cực bố trí gần Trong nhiều trường hợp, để tăng hiệu hiệu ứng quang dẫn người ta chế tạo quang trở dạng màng mỏng, điện cực có dạng lược 1.2 Các thơng số đặc tuyến cảm biến quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn đóng vai trị quan trọng ứng dụng chuyển đổi lượng xạ quang thành tín hiệu điện Các linh kiện cảm biến quang dẫn (quang trở) chế tạo từ bán dẫn đa tinh thể đồng đơn tinh thể, bán dẫn riêng bán dẫn pha tạp Hình 1.2 vùng phổ làm việc số vật liệu quang dẫn [5] Ta thấy vùng hoạt động chủ yếu cảm biến quang dẫn vùng hồng ngoại gần hồng ngoại trung Hình 1.2 Vùng phổ làm việc số vật liệu quang dẫn [5] Để đặc trưng cho đầu thu quang nói chung cảm biến quang dẫn (quang trở) nói riêng, người ta sử dụng số thông số đặc tuyến như: Điện trở tối, thời gian đáp ứng, độ nhạy tích phân, mức tạp nhiễu, ngưỡng nhạy, suất phát phân bố phổ… Thông số quang trở đại lượng mà riêng giá trị (Đo điều kiện xác định, nói rõ) đặc trưng cho tính chất xác định đầu thu Thơng số đo trực tiếp gián tiếp Đặc tuyến quang trở tính chất quang trở mà người ta mô tả tập hợp giá trị, thể dạng đồ thị bảng 1.2.1 Độ nhạy tích phân Độ nhạy tích phân đại lượng đo tỷ số biến thiên tỷ đối điện trở quang trở số gia nhỏ quang thơng gây [4]: s R / R E (1.15) Đơn vị đo độ nhạy tích phân W-1.m2 Trên thực tế, người ta hay sử dụng đại lượng khác độ nhạy điện áp SU Độ nhạy điện áp tỷ số biên độ điện áp đo đầu thu biên độ dòng xạ điều chế dạng sin [4]: sU U E (1.16) Đơn vị đo độ nhạy điện áp V.W-1 Độ nhạy tích phân đại lượng đặc trưng cho phẩm chất đầu thu, độ nhạy điện áp phụ thuộc phẩm chất đầu thu hệ đo sử dụng Đôi để đặc trưng cho độ nhạy quang trở người ta cịn sử dụng thơng số gọi độ nhạy điện áp riêng Độ nhạy điện áp riêng tỷ số độ nhạy điện áp điện áp nuôi quang trở [6]: SU0 U E.UQT (1.17) Đơn vị độ nhạy điện áp riêng V.W-1.V-1 Rõ ràng độ nhạy điện áp riêng khơng cịn phụ thuộc vào điện áp đặt quang trở 1.2.2 Điện áp nhiễu (ồn) Nhiễu (ồn) tín hiệu hỗn loạn có biên độ tần số thay đổi cách ngẫu nhiên, xuất mạch đấu đầu thu Điện áp nhiễu đại lượng 10 trôi tần số đầu điều biến quang bé, đảm bảo khả hoạt động ổn định thời gian thực phép đo 3.1.4 Hoạt động khối khuếch đại Bộ khuếch đại hệ đo tổng quát gồm có hai tầng: tầng tiền khuếch đại khuếch đại Lock-in Tuy nhiên, khuôn khổ luận văn, phép đo không cần sử dụng đến tiền khuếch đại SR560 Với khuếch đại Lockin khóa pha SR830 thực tốt phép đo đặc trưng hiệu ứng quang dẫn mẫu quang trở PbS Bộ khuếch đại Lock-in SR830 kiểm tra thiết bị kiểm chuẩn Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng/Bộ Quốc phòng Kết kiểm tra thể Bảng 3.4 cho thấy mức độ sai số ngưỡng cho phép (1%) Bảng 3.4 Kết kiểm chuẩn độ xác Lock-in SR830 TT Tần số (Hz) Giá trị thực tế Sai số thiết lập 100 Hz 100,074 μV 0,074 μV 500 Hz 100,035 μV 0,035 μV kHz 100,016 μV 0,016 μV kHz 100,014 μV 0,014 μV 5 kHz 100,012 μV 0,012 μV 100 Hz 1,002 mV 0,002 mV 500 Hz 1,003 mV 0,003 mV kHz 0,996 mV 0,004 mV kHz 0,997 mV 0,003 mV 10 kHz 0,995 mV 0,005 mV 11 100 Hz 10,004 mV 0,004 mV 12 500 Hz 9,996 mV 0,004 mV kHz 9,991 mV 0,009 mV 14 kHz 9,986 mV 0,014 mV 15 kHz 9,988 mV 0,012 mV 13 Giá trị thiết lập 100 μV mV 10 mV 48 16 100 Hz 100,12 mV 0,12 mV 17 500 Hz 100,14 mV 0,14 mV kHz 99,96 mV 0,04 mV 19 kHz 99,95 mV 0,05 mV 20 kHz 99,92 mV 0,08 mV 18 100 mV 3.1.5 Hoạt động khối thị Phần hiển thị hệ đo, ngồi thơng tin độ lớn tín hiệu khuếch đại Lock-in, cịn quan sát hình máy sóng MDO3012, hình máy tính kết nối thành cơng với máy sóng Giao diện máy sóng máy tính Hình 3.4 Q trình điều khiển đo, phân tích phổ, ghi tín hiệu thao tác trực tiếp máy tính Màn hình hiển thị máy sóng hình hiển thị máy tính có độ trễ thời gian bé, người sử dụng quan sát cách trực quan hình ảnh tín hiệu Hình 3.4 Giao diện máy sóng MDO3012 49 3.2 Khảo sát số đặc trưng quang trở hồng ngoại PbS 3.2.1 Khảo sát điện trở quang trở Để đánh giá tính chất quang dẫn chất bán dẫn thơng tin cần khảo sát điện trở mẫu trạng thái bình thường (khơng bị chiếu sáng - điện trở tối) điện trở mẫu bị chiếu xạ kích thích (điện trở sáng) Bức xạ hồng ngoại chiếu vào mẫu từ cửa sổ có đường kính 1,524 cm nguồn vật đen tuyệt đối 500 K đặt cách mẫu 40 cm Phép đo thực với hai mẫu M1 M2, giá trị điện trở đo thể Hình 3.5 Hình 3.6 1200 1200 §iƯn trë (k) Khi cã bøc x¹ hång ngo¹i 1150 1150 1100 1100 1050 1050 1000 20 40 60 80 1000 100 Thêi gian (gi©y) Hình 3.5 Điện trở mẫu M1 Điện trở tối quang trở M1 khoảng 1,14 MΩ, điện trở sáng khoảng 1,02 MΩ (Hình 3.5) Độ giảm điện trở mẫu đạt 10,5% Trên Hình 3.6 điện trở tối điện trở sáng mẫu quang trở M2 25,5 kΩ 22,7 kΩ, độ giảm điện trở 11% điều kiện đo Kết cho thấy có biến thiên lớn điện trở hai mẫu không chiếu chiếu sáng, mẫu M2 có độ giảm điện trở lớn mẫu M1 Trong trình thực phép đo, nhiệt độ mẫu tăng lên, phần hiệu ứng nhiệt, phần dòng Bias từ khối cảm biến, nên điện trở tối quang trở lại có xu hướng giảm dần theo thời gian thực thí nghiệm 50 Khi cã bøc xạ hồng ngoại Điện trở (k) 26 26 25 25 24 24 23 23 22 20 40 60 22 100 80 Thêi gian (gi©y) Hình 3.6 Điện trở mẫu M2 Sự lão hóa theo thời gian mẫu nội dung quan trọng để đánh giá tính ổn định, khả ứng dụng mẫu Thực phép đo điện trở tối mẫu điều kiện nhiệt độ phòng 25 oC thời gian tháng Kết so sánh độ giảm tương đối theo thời gian so với giá trị ban đầu thể Hỡnh 3.7 1,0 1,0 Điện trở tối (đvtt) 0,9 0,9 Mru Mvi1 Mvi2 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 10 0,3 11 Thêi gian (x 10 ngµy) Hình 3.7 Khảo sát lão hóa điện trở mẫu Giá trị điện trở mẫu Mru ổn định, không thay đổi theo thời gian, kết việc mẫu quang trở vào giai đoạn ổn định 51 thông số điện trở tối Đối với mẫu quang trở nhóm nghiên cứu chế tạo, thơng số điện trở tối có xu hướng giảm dần, vào vùng ổn định mức giảm 40% giá trị ban đầu Mức giảm tương đương với tài liệu công bố [18,19,20] Thông số điện trở tối tiếp tục theo dõi để đánh giá thời gian ổn định 3.2.2 Khảo sát đặc tuyến V-A quang trở Đặc trưng V-A mẫu quang trở khảo sát chiếu xạ hồng ngoại từ cửa sổ có đường kính 1,524 cm nguồn vật đen tuyệt đối 500 K đặt cách mẫu 40 cm Q trình thực thơng qua lập trình điều khiển thiết bị Keithley 2612A: Giá trị điện áp khảo sát thay đổi dải từ V đến +12 V; bước thay đổi 0,5 V Tại giá trị điện áp, đo giá trị dòng điện, thời gian lấy mẫu 0,1 giây Đặc trưng V-A mẫu nhóm nghiên cứu chế tạo thể Hình 3.8 Kết cho thấy, dải điện áp thí nghiệm, dịng quang điện tăng tỷ lệ với điện áp Điều phù hợp với lý C-ờng độ dòng điện (mA) thuyt vựng in ỏp nh, chưa đạt đến vùng bão hòa dòng quang điện 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 10 §iƯn ¸p (V) Hình 3.8 Đặc trưng V-A quang trở 52 0,0 12 3.2.3 Xác định độ nhạy điện áp quang trở Độ nhạy điện áp hai mẫu quang trở M1, M2 khảo sát nguồn hồng ngoại từ 500 K đến 1300 K Trên Hình 3.9 kết đo điện áp lối mẫu quang trở M1 với cấu hình thí nghiệm sau: Nhiệt độ vật đen 800 K; cửa sổ phát xạ có đường kính 2,54 cm; khoảng cách từ nguồn phát tới mẫu 40 cm; tần số ca b iu bin 800 Hz Không có xạ hồng ngoại 3 Điện áp lối khuếch ®¹i (V) Cã bøc x¹ hång ngo¹i 2 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -0,003 -0,002 -0,001 0,000 0,001 Thêi gian (s) Hình 3.9 Điện áp lối khuếch đại Tiến hành thay đổi nhiệt độ nguồn hồng ngoại, giữ nguyên thông số khác Sự phụ thuộc độ nhạy điện áp vào nhiệt độ nguồn hai mẫu quang trở M1, M2 Hình 3.10 Kết cho thấy khác biệt lớn độ nhạy điện áp hai dịng quang trở, thấy rõ ràng độ nhạy điện áp quang trở M2 lớn nhiều lần so với quang trở M1 điều kiện đo Độ nhạy điện áp mẫu M1, M2 tăng dần tăng nhiệt độ nguồn hồng ngoại đạt giá trị cực đại nhiệt độ 1200 K, sau giảm dần tiếp tục tăng nhiệt độ Kết phù hợp với tài liệu công bố số nhà sản xuất [18,19] 53 180 180 Quang trë M1 Quang trë M2 Độ nhạy điện áp Su (kV/W) 160 140 160 140 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 NhiƯt ®é cđa vËt ®en tut ®èi (K) Hình 3.10 Sự phụ thuộc độ nhạy điện áp vào nhiệt độ nguồn 3.2.4 Khảo sát phổ nhiễu hệ đo nhiễu quang trở Tiến hành khảo sát nhiễu hệ đo, độ lớn điện áp so sánh sử dụng V Phân tích phổ nhiễu hệ đo Hình 3.11 với tỷ số biên độ tín hiệu nhiễu / biên độ tín hiệu so sánh khoảng từ -83 dB đến -57 dB Phổ tín hiệu nhiễu cắt khoảng tần số quan tâm từ Hz đến 1300 Hz Kết cho thấy dải tần số từ Hz đến 1300 Hz, phổ nhiễu hệ đo sinh xuất từ tần số thấp đến tần số cao, giá trị bình phương trung bình nhiễu 50 mV Ở tần số mà nhóm nghiên cứu quan tâm 200 Hz, 800 Hz 1000 Hz, tín hiệu nhiễu bé khơng xuất đỉnh biên độ tín hiệu nhiễu lớn ảnh hưởng tới phép đo thông số nhiễu quang trở hồng ngoại 54 Tû sè biªn ®é (dB) -40 -40 -50 -50 -60 -60 -70 -70 -80 -80 -90 -90 -100 -100 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200 TÇn sè (Hz) Hình 3.11 Phổ nhiễu hệ đo Tiếp tục tiến hành khảo sát nhiễu mẫu quang trở M1 gắn vào khối cảm biến chưa chiếu sáng nguồn hồng ngoại Hình 3.12 Giá trị nhiễu bình phương trung bình M1 0,5 V So sánh phân tích phổ nhiễu quang trở M1 phổ nhiễu hệ đo cho thấy nhiễu sinh từ quang trở M1 làm tăng biên độ rõ rệt phổ tín hiệu nhiễu dải tần số quan tâm Có nhiều dải tần số tín hiệu nhiễu có biên độ lớn 50 Hz, 99 Hz, 248 Hz, 350 Hz, 550 Hz…., biên độ nhiễu xuất lớn tần số 50 Hz giải thích ảnh hưởng điện lưới xoay chiều Điểm ý tần số xuất nhiễu với biên độ lớn không xuất phép phân tích nhiễu hệ đo 55 Tỷ số biên độ tín hiệu (dB) 20 20 0 -20 -20 -40 -40 -60 -60 -80 -80 -100 -100 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 TÇn sè (Hz) Hình 3.12 Phổ nhiễu mẫu M1 Đối với quang trở M2, hệ quang trở cải tiến dòng quang trở M1 Kết khảo sát nhiễu quang trở M2 gắn vào khối thiết bị chưa có tín hiệu hồng ngoại Hình 3.13 Giá trị nhiễu bình phương trung bình M2 0,3 V nhỏ đáng kể so với nhiễu quang trở M1 hệ thiết bị đo So sánh phân tích phổ nhiễu quang trở M2 phổ nhiễu hệ đo nhiễu mẫu quang trở M1 cho thấy quang trở M2 làm tăng biên độ rõ rệt phổ tín hiệu nhiễu dải tần số quan tâm nhiên xuất tín hiệu nhiễu với biên độ cực đại tần số 50 Hz, tương tự tần số xuất nhiễu với biên độ cực đại mẫu quang trở M1 Tuy nhiên điểm khác biệt rõ nét dải tần số khác biên độ tín hiệu nhiễu quang trở M2 nhỏ Sự khác biệt phổ độ lớn tín hiệu nhiễu cho thấy bước tiến lớn công nghệ chế tạo hai quang trở việc gim nh hng ca nhiu 56 Tỷ số biên độ tÝn hiÖu(dB) 0 -20 -20 -40 -40 -60 -60 -80 -80 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 TÇn sè (Hz) Hình 3.13 Phổ nhiễu mẫu M2 Trên Hình 3.14 trình bày độ ồn (nhiễu) số mẫu quang trở PbS nhóm nghiên cứu chế tạo quang trở nước sản xuất -7 Mru Mvi1 Mvi2 Mvi3 -8 log[Un(V)^2] -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 log[f(Hz)] Hình 3.14 So sánh độ ồn (nhiễu) số mẫu quang trở 57 Trên hình này, ta thấy độ ồn (nhiễu) mẫu quang trở sản xuất thử nghiệm (các mẫu Mvi1, Mvi2, Mvi3) cao chút so với quang trở nước sản xuất (mẫu Mru), có mẫu mà mức chênh ồn không nhiều 3.2.5 Xác định suất phát quang trở Năng suất phát quang trở tính tốn theo cơng thức (1.26) Sự phụ thuộc suất phát mẫu quang trở Mvi1, Mvi2, Mvi3 Mru vào nhiệt độ nguồn hng ngoi c th hin trờn Hỡnh 3.15 Năng st ph¸t hiƯn ( 10 W-1Hz1/2cm) 20 Mru Mvi1 Mvi2 Mvi3 18 16 14 12 10 -2 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 NhiƯt ®é (K) Hình 3.15 Sự phụ thuộc suất phát vào nhiệt độ nguồn Dáng điệu đường cong suất phát giống với độ nhạy điện áp quang trở Năng suất phát quang trở Mru đạt giá trị 4.108 (WHz1/2cm) 500 K tăng dần đạt giá trị 6,37.109 (W-1Hz1/2cm) 900 K, cực đại suất phát quang trở Mru 1,42.1010 (W-1Hz1/2cm) nhiệt độ 1200 K, sau giá trị suất phát giảm dần tiếp tục tăng nhiệt độ Đối với mẫu quang trở Mvi1, Mvi2, Mvi3, suất phát có giá trị 58 tương đương, có mẫu cịn có suất phát lớn mẫu Mru, ý độ ồn mẫu Mru nhỏ số mẫu thí nghiệm điều chứng tỏ độ nhạy mẫu thực nghiệm nhóm nghiên cứu có độ nhạy tốt để bù lại độ ồn Như vậy, công nghệ chế tạo mẫu tạo màng mỏng bán dẫn có độ nhạy tốt giai đoạn chế tạo sau chưa xử lý tốt việc khử ồn linh kiện Hình 3.16 Các mẫu quang trở nhóm nghiên cứu chế tạo 59 KẾT LUẬN Từ kết thu được, đưa kết luận sau: Tìm hiểu nội dung tổng quan hiệu ứng quang dẫn, trình kích thích quang học xảy bán dẫn, phương trình hiệu ứng quang dẫn Các thông số đặc trưng đặc tuyến hiệu ứng quang dẫn Tìm hiểu đặc điểm, phương pháp thực nghiệm thực phép đo xạ kích thích gây hiệu ứng quang dẫn Từ đó, xây dựng sơ đồ đo thông số đặc trưng hiệu ứng quang dẫn hồng ngoại vùng bước sóng ngắn (SWIR) Tìm hiểu thơng số kỹ thuật thiết bị, sử dụng thao tác thành thạo khối thiết bị để ghép nối thành hệ đo thực nghiệm thông số đặc trưng hiệu ứng quang dẫn nhiệt độ phòng Sử dụng hệ đo thiết lập để xác định thông số bản, đặc tuyến đặc trưng mẫu quang trở hồng ngoại PbS nước sản xuất nhóm nghiên cứu chế tạo So sánh có đánh giá thơng số hai nhóm mẫu quang trở 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Rogalski A and Chrzanowski K., Infrared devices and techniques, Optoelectronics review, 2002, Vol.10, No 2, pp 111-136 Hồng Minh Cơng, Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, NXB Xây dựng Hà Nội, 2011 Tạ Đình Cảnh, Thực tập vật lý chất rắn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 Willardson R K., Beer A C., Semiconductors and Semimetals, Vol 12, Infrared detectors II, Academic Press New York San Francisco London, 1977 Phùng Hồ, Phan Quốc Phơ, Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 Rogalski A., Infrared detectors, Second Edition, CRC Press, 2011 Rogalski A, Hystory of infrared detectors, Opto-electronics review, 2012, No.3, pp 279 - 308 John D V., Hodges S E., Vampola J., Stegall M and Pierce G., Fundamentals of Infrared and Visible Detector Operation and Testing, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2016 Lê Sắc, Giáo trình Điện tử tương tự, Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội, 2008 10 Newport Corporation, Orien blackbody reference source models 67031 user manual, USA, 2008 11 Guenzer C S., “Chopping factors for circular and square apertures”, Applied Optics, 1976, Vol.15, No.1, pp 80-83 12 Nguyễn Tiến Bính, Thiết lập hệ đo nhiễu khảo sát số đặc tính nhiễu tính chất điện linh kiện cảm biến quang nhạy ẩm, Luận án tiến sĩ Vật lý, Đại học Sư phạm Hà Nội, 2002 61 13 Scitec Instruments, Optical Chopper Model SR540 manual, Bradford on Avon, BA15 1JY - UK, 2008 14 Stanford Research Systems, Model SR560 Low- Noise preamplifier User manual, USA, 2013 15 Stanford Research Systems, Model SR830 DSP lock-In Amplifier User manual, USA, 2013 16 Tektronix, MDO3000 Series Mixed Domain Oscilloscopes User Manual, USA, 2003 17 Keithley Instruments, Series 2600A System SourceMeter Instruments User’s Manual, USA, 2008 18 Hamamatsu photonics, Characteristics and use of infrared detector, Japan, 2004 19 Hamamatsu photonics, PbS photoconductive detetor P2532-01, Japan, 2004 20 Raniero L., Ferreira C.L., Cruz L.R., Pinto A.L., Alves R.M.P., “Photoconductivity activation in PbS thin films grown at room temperature bychemical bath deposition”, Physica B, 2010, 405, pp 1283-1286 62 ... ứng quang dẫn kỹ thuật đo đặc trưng quang dẫn hồng ngoại Xây dựng hệ thiết bị đủ khả đo thông số đặc trưng (đặc trưng sáng, đặc trưng V-A, đặc trưng tần số, đặc trưng phổ…) hiệu ứng quang dẫn vùng. .. hoạt động dựa hiệu ứng quang dẫn xảy vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp Do đó, em lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu xây dựng hệ đo đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại nhiệt độ phòng” Mục tiêu nghiên cứu: ... HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG QUANG DẪN VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN Hệ đo thông số đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại gần có vai trò quan trọng việc nghiên cứu, khảo sát tính chất vật liệu quang dẫn đánh
Ngày đăng: 16/01/2023, 13:12
Xem thêm:
