Luận án phó tiến sĩ vật lý học: Nghiên cứu xây dựng hệ đo tự động các đại lượng phụ thuộc nhiệt độ trong vật lý chất rắn và ứng dụng

4, 3-Thảo luận kết quảCHƯƠNG 4- NHỮNG VẤN ĐỂ VỀ TỔ CHỨC HỆ TỰ ĐỘNG KIỂU HAI BIẾN NGHIÊN CỨU TÂM SÂU BANG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DUNG DLTS 4A- Khai thác các thông số của tâm sâu từ số liệu thu

¬ cị ~ nm TRUONG PAI HOC TONG HOP HA NOI

PHAM @UGC TRIfU

NHIIÊN (ÚU XAY DUNG HỆ DO TY DONG CAC ĐẠI LUQNG PH) THIN

NIIỆT ĐỘ TRONS VAT LY cu RÍN VA Che Dynes

Luận ấn Phố Tiến si Khoa học Toán Lý

Chuyên ngành : Vật lý Bán dấn và Điện môi

% L BArHGc GUE SIA nà vột |

dines _ BNA Haar |

len:

_

|

MmuUc LUC

Trang

MO DAU 4

CHUONG 1- VAI NET VỀ HAI ĐẠI LUONG PHU THUỘC NHIỆT ĐỘ

DUOC QUAN TAM TRONG NGHIÊN CỨU VAT LÝ CHAT RAN 9

{A- DO cam từ 9

{B- Phổ quá độ các mức sâu trong ban dan 12

§1-Vai trò của tâm sâu trong bán dẫn is

§2-Qua trình động học trên các mic sâu 13

§3-Cơ sở lý thuyết của phương pháp

Phổ quá độ các tâm sâu (DLTS) 14

3a- Phương pháp điện dung quá độ 1%

3b- Phương pháp dong qua độ 16

CHUONG 2- HỆ DO ĐỘ CAM TỪ PHU THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ AP DUNG

NGHIÊN CỨU GUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA SIÊU DAN 19 2A- Hệ do tự động Kiểu một biến SM9O 19

§1-Nguyén lý do 20

§2-So đồ các khối chức năng 20

$3-khối phần mềm 27

$4-Chm4n và hiệu chỉnh hệ a8

2B- Ứng dung hệ do trong nghiên cứu a9

CHƯƠNG 3- HỆ DO ĐIỆN DUNG VA DONG QUA ĐỘ THEO NHIỆT ĐỘ VÀ

AP DỤNG NGHIÊN CỨU TÂM SÂU TRONG CHAT BAN DAN 34

$1-Anh hưởng của chiếu xạ trên một số linh kiện bán dẫn 37

4, 3-Thảo luận kết quả

CHƯƠNG 4- NHỮNG VẤN ĐỂ VỀ TỔ CHỨC HỆ TỰ ĐỘNG KIỂU HAI BIẾN

NGHIÊN CỨU TÂM SÂU BANG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DUNG DLTS

4A- Khai thác các thông số của tâm sâu từ số liệu thu nhận

trên hệ tự động hai biến dang C(t, T).

$1-Nguyén lý của hệ tự động hai biến dang C(t, T).

$2-Phương pháp tách phổ trên hệ do hai biến

$3-Phương pháp Lang trên hệ do hai biến

$4-Phương pháp Dịch cửa trên hệ do hai biến

Tai liệu tham Khảo tiếng Việt

Tài liệu tham Khảo tiếng Nga

Tài liệu tham Khảo tiếng Anh

68 68

69

ra

78 73 T4 75

79

719

r9

81 82

86 86

89

90 95 98 98

102 106

109

112

115

a AN

MO’ DAU

Nói chung, trong các hệ do Vật lý, đại lượng cẩn do thường pm

thuộc vào nhiều thông số Có thể biểu điển tương quan giỗa chúng dưới

dang ham: Fs F(«® ÿY,Z )

| Trong đố : F là đại lượng cần do

X,Y,Z là các thông số ảnh hưởng Trong nhiểu trường hợp, các thông số lại có sự phu thuộc lần nhau

nmi x = x(Y), Y= Y(Z), Z = Z(%)

Nhiệm vụ cua phương pháp do nói chung cũng như hệ do nói riêng

là xử lý các quan hệ đố và cuối cùng đưa ra những đại lượng có thé đo

được (điện áp, dòng điện, tần số ) dưới dạng:

F = F(x) |

lv, Z = const

Trong nhiéu các thông số ảnh hướng, nhiệt độ là một thông số được

các nhà vật lý chất răn rất quan tâm Nhiệt độ làm anh hưởng mạnh đếnnồng độ hạt tai trong vật liệu bán dân điện Các đại lượng như độ dânđiện của vật liệu, độ linh động - đại lượng phản ánh cơ chế tán xa củacác hạt tải điện trong bán dfn - đểu ptm thuộc vào nhiệt độ Sự thay

đổi nhiệt độ đến một giá trị Ty nào đố sẽ làm phá vỡ trật tự từ của

cấc vật liệu thuận từ Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ Curie Đối với các

vật liệu siêu dẫn, Khi nhiệt độ được hạ thấp đến một giá trị tới han

TỰ nào đó thì xuất hiện hiện tượng điện trở Không ( R=O ) và vật liệu chuyến sang chất nghịch từ Tuy hai dai lượng này thể hiện hai

-4-2 A A re ` rl » v ? n

trang thái độc lập với nhau và có các đặc trưng co ban riéng nhung

P A Z ` n oe z

chúng đều được quan tâm trong nghiên cứu vung chuyển pha siểu dân Đối

với Kim loại, nhiệt độ ảnh hưởng đến chuyển động nhiệt của mạng tinh

độ ^ kì vị z x ? ` ` Xj a A

thể và do vậy anh hưởng tới điện trở suất toàn phan cua vật liệu.

Nhiệt độ là tác nhân và hệ quả trong các hiệu ứng rhiệt điện như

Zeebeck, Peltier - các hiệu ting có nhiều ting đụng trong thực tế.

x ron - HỆ z 4 na , 4 -A

Doi với cac linh Kiện ban dần sử dung chuyển tiếp PN, nhiệt độ

làm ảnh hưởng đến dòng đò, đòng tỉnh và d4n đến 14m thay đổi các

a x a ⁄ A L9 x L4 a x x

thông số như trở kháng, công suất, tần số, hệ số Khuyếch dai

Quá trình bắt và phát xạ các hạt tải điện trên các mức sâu cũng

là một đại lượng phụ thuộc nhiệt độc Do quá trinh này mà các đại

lượng có liên quan như điện dung, dòng quá độ tại lớp chỉnh lưu chứa

các mức sâu cũng pm thuộc nhiệt độ.

Thông số nhiệt độ ảnh hưởng đến rất nhiều đại lượng vật lý, song

tựu trung lại, các đại lượng đố thường pưạ thuộc nhiệt độ theo hai

dang chính như sau

x Dạng phụ thuộc đơn điệu : S = S(T).

Dang này thường gặp trong các nghiên cứu về độ dân điện, độ

linh động, điện trở suất, độ cảm từ

x Dạng phụ thuộc song hành với thời gian : 8 = S(t,T).

Dạng này thường gặp trong các nghiên cứu phổ quá độ

Phép đo đại lượng thuộc dạng thứ nhất được gọi là phếp do pm

thuộc một biến số; phép do đại lượng thuộc dang thứ hai được gọi là

phép đo phụ thuộc hai biến số (gọi tắt là : kiểu 1 biến, kiểu 2 biến).

-5-Trong ban luận văn này, chúng tôi trình bẩy về các hệ đo hai đại

lượng phụ thuộc nhiệt độ được quan tâm trong nghiên cứu vật lý chất

răn, đó là độ cảm từ của các mẫu siêu dẩn nhiệt độ cao và phổ quá độ

DLTS trong nghiên cứu vật lý tâm sâu Hai đại lượng này Không rhững

đại diện cho hai Kiểu phy thuộc nhiệt độ nói trên mà còn có ý nghĩa

thiết thực, thời sự trong quá trình nghiên cứu hiện nay.

Từ cuối năm 1986, công bố của G Bednorz tìm ra chất siêu dẩn có nhiệt độ chuyển pha 35 K và sau dé công bố của P.Cm với vật liệu có

Tc=90 K gây nên một chấn động, một cuộc chạy đua rẩm rộ giữa các nhàvật lý siêu dfn Kỷ lục về Tc liên tiếp xuất hiện và bị phá vỡ :

105 K, 123 K, rổi sau đố 125 K Đến đầu năm 1994, có tác giả cho là đã

có rhững đấu hiệu của Tc tới 160 K và 28O K

Một đặc trưng co ban của các chất siêu dfn đố là hiệu ứng

Meissner(1933) : ở T < Tc các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài, nghĩa

là từ trường không xâm rhập vào trong trang thái siêu dẫn,

Các đặc trưng điện trở không và hiệu Ứng Meissner được coi rhư

bằng chứng cho một chất trở thành siêu đẩn vi vậy mà hệ đo các đặc

trưng này là rất cấp thiết đối với các rhà vật lý và công nghệ.

Bên cạnh đó, trào lưu nghiên cứu về sai hỏng do tâm sâu trong các

vật liệu bán dẫn điện vừa mang tính truyển thống vừa có tính thời sự.

Vai trò của các tâm sâu sinh ra trong quá trình chế tạo hay chiếu

xạ trên các vật liệu bán dân đã được quan tâm và nghiên cứu từ lâu

[59] Tuy nhiên, đến 1974, từ Khi công trình của D.V.Lang được công

bố [65], việc nghiên cứu tâm sâu bằng phương pháp DLTS (Deep Level

2 Bè, x để reac

Transient Spectroscopy) trở nên phd biến và rất có hiệu quả:

-§-‘Nhiéu phòng thí nghiệm vật lý bán dẫn trên thế giới đã xây dung hệ

đo DLTS và nghiên cứu các thông số của tâm sâu theo KỸ thuật này Ở

Việt nam, từ năm 1980, để tài " Nghiên cứu sai hong điểm trong bán dfn

Silic" được đắt trong Chương trinh Nhà rước 48-04 là một để tài

nghiên cứu cơ bản định hướng nhằm giải quyết các vấn để sẽ gap phai

Khi chúng ta triển Khai các công nghệ chế tạo vật liệu Silic cao cấp

và chế tạo các linh Kiện phẩm chất cao Với sự hoạt động của lò phản

ứng hạt nhân Đà lạt, máy cấy ion của Z1ôi, việc nghiên cứu sai hong

điểm đã được đẩy mạnh [2,10] Đến nay việc nghiên cứu tâm sâu vấn

tiếp tục được quan tâm thể hiện qua để tài thuộc chương trình nhà

nước KT-O4-339 và để tài cấp bộ B91-05-27 do Khoa Vật lý Trường Đại

học Tổng hợp Hà nội đảm rhận

Trong hoàn cảnh đất nước còn nhiéu Khó Khăn, để thực hiện những

nhiệm vụ trên mục tiêu ban đẩu hết sức cấp thiết là xây đựng các hệ

đo DLTS bằng các vật tư có sẵn trong nước Các hệ tự thiết kế đó phải

bao dam được những yêu cẩu kỹ thuật rửm độ nhạy, độ chính xác cần

thiết cho một hệ đo phé

Hơn nữa , yêu cầu ứng dung các thành: quả của ngành tin học vào quá trinh thực nghiệm ngày nay đặt ra nhiệm vụ cho các hệ đo là phải được tự động hoá Nhờ ưu điểm của tự động hoá mà hệ sé cho phếp mở

rộng phân tích Kết quả theo rhiểu cách Khác nhau [5] Trên cơ sở này

có thể so sánh lựa chọn hệ do pi hợp với từng yêu cầu cụ thể, nhằm

đạt hiệu quả cao rhất trong quá trình nghiên cứu

Công việc xây đựng hệ do chuyên dụng này Không chỉ liên quan đến

quá trinh vật lý của đối tượng mà còn liên quan tới lĩnh vực vật lý

KỸ thuật nói chung và điện tử học nối riêng,

Vì những lý do đố, bản luận án này được thực hiện với những mục

đích nh sau:

1- Xây đựng hệ do độ cảm từ analog và ghép nối máy tính đừng trong

nghiên cứu vật lý siêu dẫn rhiệt độ cao

2- Xây dung hệ do DLTS analog (dùng điện dung) sử dụng KỸ thuật tích

phân Boxcar trong nghiên cứu vật lý tâm sâu.

3- Xây đựng hệ do DLTS analog (ding dòng) sử đụng KỸ thuật tách sóng

đồng bộ A-B trong nghiên cứu vật lý tâm sâu

4- Hiệu chỉnh hệ đo DLTS (dùng điện dung) tự động Kiểu hai biến

C¬:(t,T) và Kiểm nghiệm các phương pháp Khai thác số liệu trên hệ

5- Sử dung các hệ đo trong nghiên cứu

Bản luận văn được viết thành 4 chương với các vấn để cụ thể sau :

Chương I trình bẩy một số nét về hai đại lượng được quan tâm

trong nghiên cứu vật lý chất răn : Độ cảm từ trong nghiên cứu siêu

dẫn nhiệt độ cao và phd quá độ các tâm sâu trong vật liệu bán dân.

> ` ⁄ > a a A A 2 ^ M

Chương II trình bày quá trỉnh xây đựng hệ tự động do độ cam từ cua

Z x 7 dân a ^ us a na Fa

cac mau sieu nhiệt độ cao va su dung hệ trong nghiên cứu.

Chương III mô tả những ý tưởng chính của KỸ thuật đo DLTS trong

nghiên cứu tâm sâu va dua trên đó xây dung hai hệ đo : điện dung DLTS

và dòng DLTS analog từ rhững linh Hiện rời rac trong điểu kiện Việt

nam Chương này trình bẩy chi tiết về các công việc hiệu chỉnh hoạtđộng của hệ, cải thiện chất lượng hệ do, sử dung hệ trong nghiên cứu

> a ^ , Z sf A & ni

Chương IV trình bẩy về các phương pháp khai thác số liệu trên hệ

tự động hai biến C(t,T) : Phương pháp Tách phổ, Lang và Dịch cửa Hột

hệ đo ba chiểu [51b, 1,5] được hiệu chỉnh, bổ chính để kiểm nghiệm các

Phương pháp tìm rhận tín hiệu kiểu hai biến có nhiều đặc điểm ưu

việt đặc biệt cố hiệu quả cao về mặt xử lý số liệu trên hệ đo tự động.

2 Aa £ A 7 A “ ` 4 zZ `

Các hệ đo nói trên đã góp rphẩn trong quá trình thực hiện các để

n 2 , F 5 4 ; F

tài của Nhóm nghiên cứu tâm sâu thuộc Khoa Vật lý Trường Đại hoc Tổns

hợp Hà nội (2,5, 1O] Xét về phương diện tổ chức hệ do, các công việc

được tiến hành từ các hệ analog đến các hệ tự động, từ hệ tự động một

A^ a ^ 4 ` nx Z na „ Z Z a

bién dén hệ tự động hai biển số Xét về phương điện ứng dung, có thể đùng hệ trong nghiên cứu vật lý các tâm sâu, vật lý siêu dfn nhiệt độ

cao và các phép do đại lượng phụ thuộc nhiệt độ trong nghiên cứu vật

lý chất rắn nói chung với sự điểu chỉnh thích hợp trong rhững hoàn

4 U

canh cu thé.

Công trình này đã được tiến hành từ năm 1980 đến năm 1993 tai BO

môn Vật lý Chất răn, Bộ môn Vật lý Đại cương, Khoa Vật lý Trường Đại

học Tổng hợp Hà nội và Phòng thí nghiệm Vật lý Nơtron Viện liên hiệp

nghiên cứu hạt nhân (JINR) Dubna, Liên bang Nga.

Ha nội ngày 10 thang 11 nắm (994.

CHƯNG I: VÀI NET VỀ HAI DAI LƯỢNG PHY THUỘC NHIỆT ĐỘ

trong đố H là mô men từ của đơn vị thể tích và thường được gọi là độ

từ hoá, H là cường độ tu trường ngoài.

Ngoài cách định nghĩa độ cảm từ trên đơn vị thể tích người ta

cũng thường ding khái niệm độ cảm từ trên don vị khối lượng hay trên

mol (độ cảm từ phân tử gam) Khi đố người ta ding ký hiệu Xụ,

Những chất có độ cảm từ đương gọi là chất thuận từ Những chất có

độ cảm từ âm gọi là chất nghịch từ

Nếu trong chất thuận từ có một tương tác nào đố làm cho các mô

men từ nguyên tử và mô men từ ion định hướng theo một hướng xác định

thi ta sẽ cố chất sắt từ Đố là các chất có mô men từ tự phat ngay cả

khi Không có từ trường ngoài Giả thiết rằng tổn tại một tương tác

như vậy và gọi tương tac đố là do một trường nào đố gọi là trường

Weiss Trường này còn được gọi là trường phân tử hay trường trao đổi.

DS từ hoá bão hoà Ms được xác định bằng mô men từ tự rhất của đơn vị

thể tích của mẫu chất Điểm Curie Tc là nhiệt độ mà khi T > To thi độ

từ hoá tự phát sẽ biến mất Trong vùng thuận từ của chất sắt ti, độ

cảm từ được cho bởi định luật Curie-Weiss :

- 1Ò

-X = - (4 2)

T - Tc

k) si ^ L4 ` A

ở đây C là hằng số gọi là hẳng số Curie.

Biểu thức này diển tả rất đúng đấn sự biến thiên của độ cảm từ

quan sát được trong vùng T > Te của các chất sắt từ,

Khi lầm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường H xuống dưới nhiệt độ

tối han Tc thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài chất siêu dẩn.

Hiện tượng này được gọi là Hiệu ting Meissner Khi đố :

H(nỘi tai) = H(ngoài) + H= O (1 3)

Độ cảm từ X = M/H = -1 (4 4)

Hiệu ứng này cho biết : Chất siêu dẩn biểu hiện nhu chất

nghịch từ lý tưởng

Theo biểu thức Langevin về độ cảm nghịch từ có chú ý đến những

hiệu chính do nguyên lý Pauli, độ cảm nghịch từ trên đơn vị thể tích

cô dang :

a

X ~ -Ze N (1 5)

trong đố Z : số electron

N : số nguyên tử trong đơn vị thể tích

Tính nghịch từ cố liên quan đến xu tướng của các điện tích muốn

che bớt phẩn trong của vật thể Khỏi từ trường ngoài Từ lý thuyết

điện từ, theo định luật Lentz, moi biến thiên từ thông qua mạch điện

sẽ cảm ứng trong mach một dòng điện cố chiéu sao cho hiệu Ứng từ của

nố chống lại sự biến thiên của từ thông Trong mạch điện không cố trử

kháng, thí du trong các vòng lầm bằng chất siêu dẫn hay trong quỹ đạo

electron của các nguyên tử, dòng điện cam ting được bảo toàn cho đến

c5 1111 ae

Khi nào còn tổn tại từ trường M6 men từ do dòng điện nay sinh ra

chính là mô men nghịch từ,

DSi với các mẫu siêu dfn, chuyển pha siêu dẫn chính là vùng nhiệt

độ xảy ra sự thay đổi cấu trúc và trật tự từ để vật liệu chuyển sang

chất nghịch từ Phếp đo độ cảm từ (hay cồn gọi là Hệ số từ hoá) của

chất siêu d4n là một minh chứng cho hiệu ứng Meissner và siêu dẫn là

chất nghịch từ.

Khi đặt một mẫu từ tinh trong từ trường tinh Họ song song với từ

trường xoay chiểu h(t) = họexp(iut) (w là tẩn số gốc của từ trường

xoay chiểu) từ trường tổng cộng tác đụng lên né là:

19t

H = Họ + họe (1 6)

- TY độ H của mẫu sẽ gdm 2 rhẩn:

M = Họ + mexpPli(wt - @)] (1 7)

Trong đố Họ là từ độ từ trường tinh, phẩn còn lại là từ độ ứng với

từ trường xoay chiểu và là gốc lệch rha của từ độ đối với từ trường

xoay chiểu Hệ số từ hoá động rút ra từ (1.6), (1.7) có dang:

pha với từ trường xoay chiểu (độ

hấp thụ) Hinh 1.1 mô tả mối liên

ì

'

hệ giữa từ trường xoay chiểu từ x

độ, X’va X" [19] Hinh 1 1-Lién hệ giữa h và m

= lốc

Trong nghiên cứu siêu d4n, dia trên đặc tính nay, người ta xây

đựng nhiểu hệ do độ tử ned động để đánh giá chuyển pha siêu dẫn theo

sự thay đổi nhiệt độ [66], [71-74] Hấu đo thường được đặt trong cuộn

đây cố dòng biến đổi Sự rim thuộc nhiệt độ của độ từ hoá 1am thay đổi

hệ số phẩm chất của cuộn dây và do vậy thể hiện ở tẩn số rhất dòng

biến đổi (76) hay S.đ đ cản ứng ở cuộn dây thứ cấp [19] Nếu nhí ở Khối xử lý, tín hiệu được đưa vào LocK-in hai rha để tách riêng biệt

thành rhẩn đổng pha và vuông pha thi ta sẽ rhận được độ tán sắc X’ và

độ hấp thụ X".

a ⁄ a “ “ a Ø “

1B- PHO QUA DO CÁC MỨC SAU TRONG BAN DAN (DLTS)

$1- VAI TRO CUA TÂM SAU TRONG BAN DAN

Trong các vật liệu bán dẫn thường xuất hiện các tâm sâu Chúng tổn tại

trưng của các vật liệu Nhiều dụng cụ bán dẫn chỉ hoạt động tốt Khi có

cấc hạt tai đư Tâm sâu làm giảm thời gian sống và độ linh động của

cắc hạt tải, dân đến phẩm chất của linh Hiện kém đi [10] Transitor

nhiéu tâm sâu cố hệ số Khuyéch đại déng rhỏ, tạp nội tăng và dong

ngược lớn Hột số điôt phát quang có hiệu suất phát sáng cao nếu quá

trình tấi hợp là trực tiếp Sự tổn tại của các tâm sâu trong trường

hợp này sé 14m giảm hiệu suất phat sáng của chúng [77] Ngược lại một

số điêt siêu cao tẩn lại cẩn thời gian sống của các hạt tải rất nhỏ,

sự tổn tại của các tâm sâu lúc này lại là cẩn thiết Các công trình

- 13

-nghiên cứu trên transistor (9] và các cấu trúc bán dẫn khác đã chứng

tô rằng các tâm sâu có anh hưởng rất lớn đến tinh chất và các thông số

của đụng cụ ban dẫn Vì vậy việc tăng thêm hoặc giảm bớt nổng độ của

tâm sâu trong việc nuôi tinh thể là một vấn để thường xuyên được quan

tâm của những người làm công nghệ bán dần

$2- QUÁ TRÌNH DONG HỌC TREN CÁC MUC SÂU

Khi có các mức năng lượng Ep ở trong vùng cấm sẽ cố chuyển dời

không ngừng của các điện tử giữa các nức đó với các vùng năng lượng[5]

Tốc độ của các chuyển đời đó được mô tả bởi:

x Tốc độ bắt điện tử bởi tâm sâu (bẩy ): Kn(Wp — np)

x Tốc độ phát xạ điện tử từ bẩy : ©r.I

x Tốc độ bắt lổ trống bởi tâm sâu : Kp np

x Tốc độ phát xa 16 trống từ bẩy : ep(fp — np)

Trong đố Np là nồng độ bẩy

np là néng độ bẩy có điện tử,

Kn là xác suất bẩy bắt điện tử từ vùng dẫn trong một

đơn vị thời gian : Kn = Cn.n

Cn là hệ số bắt điện tử từ vùng dấn.

Kp là xác suất bẩy bắt 16 trống từ vùng hoá trị trong một

đơn vị thời gian : Kp = Ch.p

# là thừa số suy biến của mic Ep.

Tổng quát, các tốc độ đó được đưa vào phương trình tốc độ:

dnp dp dn

—— i er = (ey + Kn) (Nya) ~ (ẽu+ Kplfúm (L 11)

dt dt dt

Anh hưởng của các tâm sâu đến tính chất điện và quang của các chất

bán dẫn thường được mô tả bởi Ep, Kn(p)› ®n(p)› Np Vi vậy người ta đã

để ra nhiều phương pháp để xác định các thông số đó [68] Để có được

thông tin một cách tương đối đẩy đủ, cần có sự bổ xung giữa các phuong

pháp với nhau.

$3- CƠ SỞ LÝ THUYẾT CUA PHƯƠNG PHAP PHO QUÁ ĐỘ CÁC TÂM SÂU (DLTS).

3a- Cơ sở lý thuyết của phương pháp điện dung quá độ

Độ lấp đầy điện tử của tâm sâu bị kích thích ( do nhiệt, điện hoặc

quang ) sẽ trở lại trạng thái đừng Khi thôi bị kích thích [65] Trong

quá trình chuyển tiếp đó, điện tử trên các tâm sâu bị thay đổi và được

HÔ tổ bối Hhưang tri (L 14), Một trong các cách làm thay đối độ lấp

đẩy điện tử của tâm sâu là ding chuyển tiếp PN hoặc hàng rao

Schottky Trong các phép do điện dung quá độ, người ta thường dung

chuyển tiếp PN hoặc diot Schottky loại N Khi tâm sâu nằm ở rửa trên vùng cấm hay ding chuyển tiếp loại N -P hoặc điot Schottky loại P Khi

tâm sâu năm ở nửa dưới của vùng cấm

+V tương ting là thế phân cực ngược và thuận.

N, là nổng độ ion trong lớp ngăn

Ni = (Np + Np) —mp (1 13)

Từ (1.12) và (1.13) cố thể thấy điện dung của lớp chuyển tiếp thể

hiện mức độ lấp đầy điện tử của tâm sâu.

Trong trường hợp tâm sâu là bẩy điện tử : en >> ep, Phương trinh (1.11) trở thành :

dnp

——— = -tr(en + ncn) + Wpne, (1 14)

dt

Nếu chuyển tiếp được phân cực thuận, nồng độ điện tử trong miển

chuyển tiếp cao: n ty lệ Np và en << Cy, Phương trình (1.14) cho :

Np — np(t) = [ Np - nr(O) } exp (-n.Cn t)

Khi t®oœ np Np: tất cả cdc tâm déu bắt điện tử Bay giờ

phân cực ngược lớp chuyển tiếp Các hạt tải điện bị đẩy khỏi lớp ngăn,

khi đố en >> n Cy, Lúc này, các tâm sâu giải phóng điện tử bị bắt.

Từ rưương trình tốc độ, ta có :

mr(t) = Np exp(— ent)

Nm vậy, trong đường điện dung quá độ C(t) có chứa đẩy đủ các

thông số cơ bản của tâm sâu như tốc độ phát xạ e„, nồng độ tâm Ny, tiết điện bắt điện tử ơn, năng lượng tâm Bp

3b- Cơ sở lý thuyết của phương pháp dòng quá dé.

Cling giống nit rhương pháp phd điện amg , trong rhương rhấp phd

+

dòng quá độ, người ta cũng sử amg các cấu trúc bán dân dang N —P,

` .=

PN hoặc diot Schottky cố thay đổi thế phân cực ngược một chiểu, Su

tác động của thế ph4n cực một chiểu gây nên một ving điện tích quá độ tại miển chuyển tiếp Sự thay đổi trạng thấi tích điện của vùng quá độ

được coi là sự thay đổi điện dung của một tụ điện hoặc dòng điện của một mach Kin chứa vùng điện tích Không gian [21] Phổ ghi rhận sự thay đổi của dòng điện này chính là phổ đồng quá dé.

Dựa vào sự phân tích của Sah C.T.[69] đối với điện đmg quá độ, người ta đã tim được biểu thức đòng quá độ như là hầm của thời gian trong một cấu hình cụ thể ĐỂ giải bài toán này cẩn giả thiết :

x Cấu trúc bán dẫn là bất đối xứng.

x Xung phân cực có độ đài tp đủ nhỏ

x Nổng độ tâm sâu rất nhỏ so với nổng độ đôno : Ny<< Np

Từ đó ta có thể giải phương trình Poisson để tim sự biến thiên của

chiểu dẩy vùng điện tích Không gian theo thời gian Dựa vào phươngtrình động học của tâm sâu, giản ước những Kết quả trong điểu kiện

thí nghiệm, ta có thể rhận được biểu thức đối với dòng quá độ:

với đmax “4®nÑp - (1 19)

_ NHững kết quả trên cho phép chúng ta thấy rằng, su suy giảm theo thời gian của điện dung cling rhư dòng quá độ là sự suy giảm theo ham

mi, Trong đường phd của đòng quá độ (1.18) cũng chứa đẩy đủ các thông

số cơ ban của tâm sâu rhư đường điện dung quá độ (1 15).

Phương phap dòng quá độ được đùng với bán dẫn có điện trở suất lớn

"x a.a

GIÁ HOC ie GIÁ HÀ

con Khúơng HIẾP CHIẾU aoe sma đệ ‹ ợc dùng với bán dân có điện trở

54%

2 ~

suất nhỏ Những chất bán dẩn được chiếu xạ mạnh hoặc bán d4n chứa tâm

sâu có độ rộng vùng cấm lớn thích hợp với phương pháp đo dòng hơn là

với phương pháp đo điện dung.

Phương pháp đo dòng cố độ nhạy Không cao bằng riương pháp đo điện

dung nhưng độ phân giải của phương pháp do déng lại cao hơn nên

phương pháp đo đồng có nhiểu ưu thế khi cẩn tách đỉnh (21).

Một vấn dé đặt ra là từ những đường phổ quá độ đó, cẩn rhải sử

dụng KỸ thuật thích hợp để Khai thác những thông tin vể tâm sâu Một

trong rhững phương rháp Khai thác hiệu quả các đường cong quá độ này

đố là phương pháp của D.V Lang (65) và được gọi là HỸ thuật DLTS.

Ngày nay, rất nhiều phòng thí nghiệm bán dfn trên thế giới xây

đựng hệ đo nghiên cứu tâm sâu theo KỸ thuật DLTS.

CHƯƠNG II - HỆ ĐO ĐỘ CAM TU PHY THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ AP DUNG

NGHIÊN COU QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA SIÊU DÂN

2A XÂY DUNG HỆ ĐO TỰ ĐỘNG SM9O [78]

ĐỂ khảo sát quá trình chuyển pha siêu dẫn của các mẫu siêu dfn

nhiệt độ cao, người ta sử dung rhiểu phép do đại lượng phụ thuộc

nhiệt độ nit điện trở, độ cảm từ sdđ Zeebeck , trong đố hai đại lượng điện trở và độ cảm từ được quan tâm nhiểu nhất.

Đặc biệt trong trường hợp nghiên cứu các mẫu khối cố kíÍch thước Khá lớn và các mẫu bột, phép đo độ cảm từ cố ưu điểm cưng cấp thông

tin trong lòng chất siêu dẫn trong khi phép đo điện trở chỉ cho biết

thông tin trên bể mặt mẫu Riêng đối với các mẫu bột, rhép đo độ cảm

từ chứng tỏ ưu thế hơn hắn trong việc cưng cấp thông tin cẩn thiết cho

các nha chế tạo mẫu đánh giá chất lượng sản phẩm một cách rhanh

chong, tiết kiém chính xác Chinh vi 16 đố mà chúng tôi chọn đại

lượng độ cảm từ để xây dung hệ do tự động Đây là hệ đo thy động, ghỉ

nhận đơn điệu giá tri tẩn số (hay biên độ) tỷ lệ với độ cảm từ của các

mẫu siêu dẫn theo sự thay đổi của nhiệt độ

Do nhu cầu cấp bách trong cuộc chạy đua nghiên cứu của các nhà

công nghệ tạo mẫu, do giới hạn về thời gian xây dựng hệ, một mục tiêu đặt ra cho chúng tôi là phải nhanh chóng thiết kế, lắp đặt và vận hành

hệ trong một thời gian ngắn để đán giá sơ bộ định tính rhẩm chất

các mẫu siêu dẫn, làm cơ sở cho việc điểu chỉnh công nghệ cũng rhư tiếp tục nghiên cứu cơ bản trên chúng Trên cơ sở các Khối điện tử

chức năng, hệ đã được xây dựng, điểu chỉnh và đưa vào hoạt động (1990)

để khảo sát chuyển pha siêu dfn của rất nhiều mẫu khối, mẫu bột được

chế tạo bởi nhóm nghiên cứu siêu dfn nhiét độ cao, Viện Liên hiệp

nghiên cứu hạt nhân Dubna, Liên bang Nga (JINR).

qua Tấn sd, biên độ cua dao động trên cuộn dây phụ thuộc vào hệ số

phẩm chất, độ tự cảm của cuộn dây có lỗi là mẫu siêu dẫn tại một nhiệt

độ nào đó.

Nếu thay đổi nhiệt độ lỗi qua vùng nhiệt độ tới hạn Tc (nơi có xảy

Z ` ? h ` x rr." ^ ”

ra quá trình chuyển pha siêu dân), thi tần số, biên độ của dao động

trên cuộn dây cũng thể hiện quá trình chuyển pha, có thể quan sát đượctrên máy tẩn số Kế hay oscilloscope, có thể ghi được trên mấy tự ghihai trục (một trục là biên độ, một trục là nhiệt độ)

Tóm lại, trong hệ đo SM90, tín hiệu ghi nhận cố dang S= S(T), đó

là đại lượng ty lệ với độ cảm từ X của các mẫu siêu dẩn rhiệt độ cao.

cy thể đó là tẩn số: F=F (T), biên độ : A= A (T) Các đường tín

hiệu F, A, T được ghi nhận trên máy tinh điện tử thông qua hệ CAMAC

- hệ chuẩn ghếp nối Việc ghi nhận được thực hiện theo nhịp thời gian

đặt trước [61].

HỆ SM90 là hệ do tự động kiểu phụ thuộc một biến số, dang tín hiệu

S=8 (T), ghi rhận đơn điệu, thụ động.

a “ wv “ v

$2- SƠ DO CAC KHOI CHUC NANG:

Căn cứ vào nguyên lý trên, chúng tôi đã xây dựng hệ do theo sơ đồ

khối trình bầy trên Hinh 2.1 [7]

(Xin xem trang bên)

Hình 2 1

So đổ khối hệ đo

SM90

x Khối AG là khối đầu do đổng thời là Khối chì chốt của hệ đo.

Khối này yêu cẩu các nguổn mudi: + 15V, + 6V - 12V, OV - 12V Đó

là một máy tự phát ổn định cao, sử dung cuộn đây đo trong mạch daođộng [36] Mẫu siêu d4n can quan sát độ cảm từ trong vùng chuyển pha

siêu dân được đặt trong lòng ống dây do.

Trên lối ra 1 Ta có thể quan sát được sự thay đổi tẩn số F của máy

phát theo sự thay đổi nhiệt độ, đổng thời trên lối ra 2 ta có thểquan sát được sự biến đổi của biên độ đao động A theo sự thay đổi

nhiệt độ (phần chi tiết được trình bẩy sau).

Tan số trung binh của máy phát vào cỡ 10 MHz trong quá trình do

các mẫu Trong trạng thái siêu dẫn, mẫu có xu hướng đẩy các đường sức

từ ra phía ngodi làm hệ số tự cảm L của cuộn đây giảm din đến tần số

đạt gia trị max bão hoa,

Biên độ dao động A dược điểu chỉnh để giá trị trên lối rae đạt

gia trị trong Khoảng 0 - 4V, phù hợp với mức đầu vào ở lối II của khối.

biến đổi ADC.

Với chức nang làm việc nmi trên của Khối AG, chúng ta có thể xây

dựng hệ do ghi rhận trên tự ghi hai trục với trục Y là tín hiệu lấy

từ lối ra 2, trục X là đường đo nhiệt độ của mẫu

sé dĩ như vậy vi chúng tôi đã quan sát trên nhiều mẫu đo và nhận

thấy dang chuyển pha siêu d4n của tín hiệu F và tín hiệu A là hoàn

toàn tương thích với nhau Nếu xây dựng rhư vậy, chúng ta sẽ có hệ đo

độ cảm từ analog Hệ analog cho đường chuyển pha siêu dẫn tại nhiệt độ

tới hạn Tc của mẫu, tuy nhiên hệ analog còn bị hạn chế trong xử lý sd liệu, đặc biệt là sự thiếu chính xác cộng với sự căng thăng của nha

thực nghiệm trong phép do rhiệt độ Hệ SM9O cho phép thu các số liệu

A, T, F trực tiếp vào máy tinh, cho Khả năng thuận tiện trong xử lý

số liệu.

x Khối F là một máy đo tẩn số digital với 12 digit (Fq 3-35A) Tẩn

số trên lối 1 của khối AG được quan sát trên tẩn kế F, déng thời ở máy

này có lối chuyển tín hiệu số nên để dang nối tín hiệu tẩn số sangkhối đệm B để nối vào CAMAC Khối B là thanh ghi số liệu (KPOO5)

chuyên dung được thiết Kế để lưu git và truyển thông tin số vào máy

tính thông qua đường truyển số liệu của CAMAC (bus).

_w Khối T là Khối Khuyếch đại tín hiệu từ đầu đo nhiệt độ mẫu Thời

gian đầu, chúng tôi sử dung đẩu do rhiệt độ ding nhiệt trở Sau một

thời gian thử nghiệm trên nhiều phép đo, kết quả cho thấy sử đụng loại

đầu do này vừa Không thuận tiện (phai cấp đòng qua nhiệt trở) vừa chỉ

thị Không chính xác nhiệt độ thực của mẫu vì Kích thước nhiệt trở khá

lớn, ảnh hưởng đến tiếp xúc nhiệt cũng nh cân bằng nhiệt giữa mẫu và

đầu đo Chúng tôi đã thay đẩu do nhiệt độ nhiệt trở bằng cặp nhiệt điện Cu - Constant Do tín hiệu nhiệt độ (sđđ nhiệt điện) trên cặp

nhiệt điện này rất nhỏ (cỡ 20 uV/độ ở gần nhiệt độ Nitơ lỏng và đầu so

sánh ở nhiệt độ Nitơ lỏng) nên Khối T được chọn là khối Khối khuyếch

đại tín hiệu nhỏ một chiểu có hệ số khuyếch đại K = 2000, Thực tế cho

re A na a Z ee Z A A Bie an

thấy, với he so K nhu vay, các đường tu được có độ phan giải cần

trong việc quan sát, đánh giá chất lượng siêu dấn,

x Khối ADC là Khối biến đổi analog - digital 12 bit chuyên dung để

thu rhận các tín hiệu analog vào CAMAC [4O, 44) Khối này cố hai lối vào được sử đụng như sau: Lối vào 2 được nối với tín hiệu đo biên độ

A từ Khối AG, Lối vào 1 nối với T là đường tín hiệu do rhiệt độ Nhờ

ở ` Z F

một công tắc chuyển đổi (được điểu khiển bằng lệnh NAF), các tín hiệu

A và T được ghi lại trên HT sau khi đã được số hoá.

x Khối DW là Khối bình mẫu (Dewar) của hệ đo, trong đó đặt cuộn

dung lớn đảm bảo cho sự thay đổi nhiệt độ xảy ra đủ chậm Trong Khối

déng có bố trí điện trở công suất để tăng tốc độ làm nóng mẫu Khi cần

Z A1 2 Ly x en ` Aa ⁄ ⁄ v v A ,A

Co the mo buông mau dé dang nhở hệ thong ga lap bang đen, thuan tien

cho việc thay thế mẫu do va gắn cặp nhiệt điện do nhiệt độ Có hailoại mẫu được ding phổ biến là mẫu Khối và mẫu bột Đối với mẫu khối,

việc do nhiệt độ được thực hiện qua việc gắn thằng đầu do lên mẫu.

ĐỐi với mẫu bột, có hai cách do:

n mâ x a, «x ^ > hệ ^ `

- Do mau vảo một ông nhôm hình trụ Ong rhôm được đặt vừa trong

v + a a a ni A x -A 2A

lối của cuộn dây do Việc do nhiét độ mẫu được thực hiện qua việc găn

đầu đo lên mặt nhôm của ống chứa mẫu.

- Trộn mẫu vào trong một chất keo dẻo và tao dáng hình trụ cố thể

đặt vừa trong lỗi cuộn dây do Xuyên đầu do rhiệt độ vào giỮa chẤt

keo để xác định nhiệt độ mẫu do,

Cuộn dây đo được cuốn ở dang xôlenoit một lớp dây Chiểu đài của

cuộn dây cỡ 3 cm được tạo thành từ dây đồng ¢ # 1,5 mm cuộn xit với

Hình 2 2

sơ để khối AG

Ici, IC2 : UL1231

IC3 : 140YD8B

Hình 2.3 - Sơ đổ chi tiết khối AG.

nhau 2O vòng Đường Kính trong của cuộn dây cỡ 8 mm đường kính ngoai

của ống nhôm hinh trụ trong phép đo mẫu bột vào cỡ 6 mm

Khối đầu do của hệ SM9O (Khối AG trên Hinh 2.1) là Khối chủ chốt,

quyết định chức năng vật lý của hệ đo nên hoạt động của các Khối điện

-~25-tử trong đó cẩn được khảo sat, điểu chỉnh kỸ lưỡng,

sơ đổ khối và chi tiết của khối AG được mô tả trên Hình 2.2 và 2 3.

Khối phát tạo đao động với cuộn dây đo được mắc như một phan tử

trong mạch phản hồi, làm xuất hiện đòng điện biến đổi qua cuộn dây.

Tan số dao động pm thuộc chủ yếu vào số vòng của cuộn dây đo và vật

liệu trong lõi của cuộn dây Khối khuyẾch đại cho phép điểu chỉnh

được hệ số khuyếch đại trong một phạm vi hẹp, có độ ổn rhỏ Khối quay

pha và phan hổi cho phép điểu chỉnh pha và độ phan hổi trở về khối phát Trên khối phan hồi có lối điểu chỉnh chế độ phát tối ưu nhất.

Như vậy, tần số đao động phụ thuộc vào đầu đo (cuộn đây và mẫu

đo) Biên độ đao động phụ thuộc và hệ số khuyếch đại, pha và mức phan

hổi trong máy phat ở lối ra khối KD (điểm 1, Hinh 2.2) Tín hiệu F

đồng thời được đưa vào Khối tách sóng biên độ hai mia chu kỳ Sau tách

sống, hai mức một chiéu được đưa vào bộ khuyếch đại vi sai (KPVS).

Mức ra của Khối KDVS thể hiện biên độ A của dao động máy phát

Trong sơ đồ chi tiết hình 3 của Khối máy phat AG, L là cuộn dâyđầu do, Vị, Vạ là hai tẩng Khuyếch đại ổn rhỏ ding JFET, V3 là tầngkhuyếch đại có điểu chỉnh hệ số Khuyếch đại ở lối emitơ với điện 4p

thay đổi được từ 6V - 12V (chân số 2) Ici là tổng Khuyéch đại tẩn số

cao có cuộn cam Ly điểu chinh đặc trưng tẩn số IC2 là tầng quay pha

với C và R biến đổi được Sau tầng này là tầng Vụ điểu chỉnh nức độ

phản hổi về tầng Vị với điện áp điểu chỉnh được từ OV - 12V (chân 6)

Việc điểu chỉnh này cho phép chọn được chế độ phát tốt nhất.IC3 là tầng khuyếch đại vi sai sau tách sóng biên độ hai nửa chu

kỳ Hệ số khuyếch đại của tầng này được điểu chỉnh: sao cho giá trị điện 4p ra trên chân số 3 phù hợp với đầu vào của khối ADC,

ĐỂ cho Khối hoạt động, cần cung cấp cho nó nguồn nuôi như sau:

-26-Nguồn + V, = + 15V (chan số 7) -26-Nguồn - V, = - 15V (chân số 1),

nguổn biến đổi 6V - 12V (chân số 2), nguổn biến đổi OV - 12V ( chân số

6) Trên Hinh 2.1, các Khối ADC, 1, B đểu là các Khối chức năng sử

đụng cho hệ chuẩn CAMAC, được chế tạo tại Viện Liên hiệp nghiên cứu

hạt nhân Dubna (JINR) | Riêng Khối đầu do AG, chúng tôi đã cải biên,

hiệu chỉnh từ một mạch phát ding cho thiết bị nhiéu xạ lượng tử siêu

dân [34, 36, 8O].

CAMAC là một hệ điện tử được chuẩn hoá bởi các nhà điện tử hạt

nhân Tay âu vào khoảng những năm cuối thập ky 60, Mot số đặc điểm

chung của CAMAC rhư sau :

x Hệ đo dùng CAMAC là hệ mô dun, được tổ hop từ các Khối (block)

chức nang.

x Các Khối chức năng Khác nhau được thiết k& chuẩn về cơ Khí cũng

như điện tử để cùng nối được vào một din máy (Crate)

x Các đầu ra của các block được nối chung vào một đường mang (bus

-lined) trên Crate trong đó có các đường nguồn môi, ghi đọc, chức năng, địa chỉ, số trạm, Khởi phat, cấm xoá, báo v.v

Nhờ các đường này mà các block được liên kết với nhau thông qua

điểu khiển của khối Controller hoặc máy tính điện tử,

Thông qua khối điều Khiển, máy tính có thể kiểm soát, điểu Khiển

và thu nhận số liệu trên các khối chức năng thông qua cấc trạng thái

mà các nhà điện tử đã thiết kế cho riêng từng khối.

Hệ CAMAC là một hệ chậm (tốc độ cỡ msec) đối với các phép đo hạt

nhân hiện nay Tuy nhiên trong phép do đại lượng phy thuộc nhiệt độ

F(T), A(T) của hệ SM9O thi CAMAC là hệ tự động do khá phù hợp Độ

chính xác, tin cậy của hệ do SM90 phụ thuộc chủ yếu vào các Khối analog (Khối đầu đo AG và Khối đo nhiệt độ T Hình 2.1) và khối biến

-27-đổi ADC, Hệ đã hoạt động đáp ứng rhững yêu cẩu đặt ra

$3- KHÔI PHAN MEM:

Chúng tôi đã xây dung chương trình của hệ do theo các chức năng

riêng biệt, có những đặc tính sử dung cụ thé nit sau:

x Bang Menu tổng thé cho phép chọn chức nang sử đụng cần thiết Các chức năng cu thể bao gổm: đặt dải, đặt thời gian nhịp, đặt thời

gian đo, đo, ghi, đọc, in

x Đặt đải: Dé quan sát các đường trên màn hình một cách tường minh

nhất, có thể sử dung chức năng này để lựa chọn cửa số thích hợp Nếu

không quan tâm đến việc đặt dải, chương trình tự động đặt trước các

đải quan sát cho các thông số như sau: T= 77K - 150K, tẩn số

F = 0 - 20 OOO OOO Hz, Biên độ A = O - 4000 mv.

x Đặt thời gian nhịp (Tick): Thời gian nhịp được đặt trước mi

phép đo, giá trị này chi phối khoảng cách thời gian lấy số liệu (tính

theo giây) nếu Không đặt lại, giá trị này được chương trình chọn

thuế tt ‹g

x Đặt thời gian đo: Tuy theo thời gian thực hiện phép đo để đặt

giá trị đo tương ting Đến hết thời gian do, nếu Không đặt lại, gid trịnày được tự động lấy giá trị 3O phút

x Do: Sau Khi đã chuẩn bị xong hệ do, chuẩn bị xong các bước đặt

dải, nhịp đo, thời gian đo (nếu cẩn), chức nắng do sẽ làm rhiệm vụ ghi

các giá trị F, A, T theo từng nhịp do, đổng thời vé các điểm trên mànhình Trong thời gian đo, nếu hệ CAMAC có sự cố, máy sẽ đừng lại và

báo lỗi trên màn hinh cho đến Khi hệ được sửa, chương trinh lại tiếp tục hoạt động và thu rhận số liệu.

Nếu đã ở chế độ do nhuing không muốn đo tiếp nữa, ta cố thê đừng hệ

lại và chuẩn bị cho phép do Khác tiếp sau.

-28-x Ghi: Sau Khi kết thúc phép do, máy sẽ nhắc người do ghi lại số

` A ` Lạ \ ` ` 1 7 liệu đã đo được vào một file nào đố để sau này dé dang gọi lại xử lý

-Fa : of

số liệu Khi cần thiết,

x Đọc: Các file đo được có thể gọi vào chương trình để xử lý Khi cần thiết có thể gọi lẩn lượt nhiểu file số liệu đã đo được và cố thể

quan sát chúng đồng thời trên màn hình Điểu này rất thuận tiện trong

Z a + Z a 9 x ` VÀ

so sanh một loạt mẫu xử lý trên cơ sở chế tạo theo tưng me,

x In: Các số liệu đã ghi được, có thể được in ra ở dạng ba cột giá

trị F, A, T với những con số tương ứng hoặc có thể được in ra dướidang đại lượng pr thuộc nhiệt độ F(T), A(T).

x Lam mịn: Chương trình có thể làm mịn sơ bộ dang đường đo được

theo hai cách: ba điểm trưng bình và phân loại điểm

Phuong pháp làm mịn theo cách thứ nhất không có hiệu qua cao trong

x na A > , ` Z L4 A a

truong hop chuyen pha sieu d4n vì có vùng gấy Khúc rất đột ngột

Phương pháp thứ hai loại bỏ rhững số liệu cố nhiệt độ T trùng lặp

nên giữ được dang đường trung thc hơn.

an ` a 2 a

$4- CHUAN VA HIEVU CHINH HE.

a) Ghi tín hiệu ở chế độ không mẫu:

n `, 2 kị + a A L4 A «x $ Pw i

De loại tru anh hương của cuon day, ong nhom chất keo tinh khiet

đến dạng đường chuyến pha siêu dẫn tại vùng rhiệt độ chuyển pha, chúng

tôi đã tiến hành các phép đo Kiểm nghiệm như sau:

- Ghi các đường F(T), A(T) trong trường hợp đầu đo chỉ có cuộn đây

đo với lối Không Khí.

- Ghi các đường F(T), A(T) trong trường hợp đầu đo là cuộn day cố

lỗi là ống rhôm rồng

- Ghi các đường F(T), A(T) trong trường hợp đầu đo là cuộn dây có

lỗi là chất Keo nguyên chất,

-29- kẻ

Các đường ‘thu được đểu là những đường thing, không phụ thuộc nhiệt

độ Điểu đó cho phếp kết luận rằng đường chuyển pha siêu d4n tại vùng

nhiệt độ Tc chỉ được sinh ra do mẫu siêu dân mà thôi.

b) Chuẩn thang do nhiệt độ:

Giá trị nhiệt độ của phép đo được qui đổi từ sđđ thm được trên cặp

nhiệt điện Do độ phi tuyến của sđđ này, cẩn tìm một ham tuyến tính

để nhận được giá trị nhiệt độ với độ chính xác cao rhất

Trong dai nhiệt độ 75 - 100 K (dai có xuất hiện ctmyén pha siêu

dẫn của các mẫu họ Y-Ba-Cu-O) chúng tôi đã xác định hàm chuyển đổi có

dang rửnf sau:

T = 78 + V/38

trong đố: T : nhiệt độ thể hiện trên hệ

VỀ: hdt đo được sau khối T Hinh 2 1.

Sai số của phép đo nhiệt độ của hệ đo vào cd 1”

cơ) Kiểm tra độ ổn định:

Để kiểm tra độ ổn định, chúng tôi đã sử dung một mẫu chuẩn, cho

biết chính xác vùng nhiệt độ chuyển pha siêu dấn.

KẾt quả cho thấy, sau hai nim hoạt động, hệ cho sự sai khác về oF,

AA, AT rhỏ hon 0,5 %

2B UNG DUNG HỆ DO TRONG NGHIÊN CỨU.

a) Kiểm tra chất lượng siêu dén về phương diện từ

Đường cong độ cảm từ của các mẫu siêu dfn theo T cho biết nhiệt độ

chuyển pha siêu d4n, thành phần các pha trong quá trình chuyển sangtrạng thái siêu dẫn Khác với phép đo điện trở nó cho thông tin vềmật độ hạt siêu dẫn trong Khối chứ Không phải chỉ trên bé mit

Thông qua đồ, các nhà công nghệ vả nghiên cứu siêu dẫn có thêm

- 31 ~

thống tin để đánh giá chất lượng các mâu siêu dân [57, 75).

Hệ SM9O đã dong góp trong nhiều công trinh nghiên cứu siêu dân

tại Phòng thí nghiệm Notron, JINR, Dubna, CHLE Nga [27, 33, 39].

x Đánh giá phẩm chất siêu dân của các mâu họ Y-Bap-Cuz-Og,, nung

nóng từ rhiệt độ phòng đến 35O C trong môi trường Oxy với các tốc độ

v=0.5; 1.0; 2.0 và 3.0 d6/ph Các mẫu đó được đối chiếu với các mẫu ủ

trong môi trường oxy tại rhiệt độ 35O C trong 10 giờ (27).

Bảng 1 là một số thông số về mẫu Hình 2.4 là các đặc trưng hệ số

từ hoá của các mẫu tại ving chuyển pha siêu dân ghi được trên hệ SM9O.

|mấu | mời gian | Hing sế mang (A 5 | | m¡iết đ |

|sế | ủ mum a 5 | quyển pha

Kết qua do được trên Hình 2.4 cho thấy : Chi có mẫu Ci, Kê là có

chuyển pha siêu dân rõ rệt Mẫu KZ có chút ít Khả năng chmyén pha

siêu dẫn Các mẫu Ki, K4 xem ni Không phar là mẫu siêu dân Điểu dé

nói lên việc muốn đa oxy vào mâu trong quá trình nung nóng với tốc

độ nhiệt quá lớn là Không đạt yêu cẩu rhẩm chất siêu dấn

x Đánh giá phẩm chất siêu dfn của các mẫu họ Y-Bap-Cuz-064, cho

oxy Khuyếch tán vào miu ở nhiệt độ 350°C Các mẫn được "nghiền nóng"

trong Không Khí với các thời gian từ 0-360 phút [39] Để nghiên cứu

ảnh hưởng của oxy trong thành phn gém Y-Ba-Cu-O [66,67] nên trong

loạt mẫu này, các tác giả muốn Khảo sát vai trò của bề mit các hạt

trong việc thiết lập oxy vào mẫu.

Bang 2 là một số thông số về mẫu Hình 2.5 là các đặc trưng hệ số `

từ hoá của các mẫu đã ghi được trên hệ SMoO.

Kết qua cho thấy, thành rhẩn oxy ở mẫu ban đầu (số 1) x<6.1 sau

Khi nghiển Ở 350°C trong môi trường Không Khí 15 phút đã tăng lên đến

giá trị 6.88 va đạt giá trị tối hạn x6.97 sau thời gian nghiển 300

phút VỀ rhẩm chất siêu dân, có thể phân ra làm 3 nhóm: nhém thứ nhất

không có biểu hiện siêu dân (mâu số 1), rhóm thứ 2 có mật độ siêu dân

#

khối thấp (mẫu số 2 đến số 8), rhốm thứ ba có chất lượng siêu dẫn khá

tốt (mẫu số 9 và 1O) Mâu càng được nghiền kỹ, kích thước hạt gốm

càng nhỏ thi chất lượng siêu đân càng cao.

b) Xây đựng các hệ tương tự :

Xét về phương điện thn rhận tín hiệu, hệ SM9O cố thể ứỨng dựng

trong việc tổ chức xây đựng rhiểu hệ do khác có dạng S= S(T) trong

nghiên cứu vật lý chất rắn Trên thực tế hệ đã được sử đụng để thu

nhận phổ R = R(T) là phố điện trở phụ thuộc rhiệt độ của các mẫu siêu

dân trong vùng nhiệt độ chuyển pha

Các tín hiệu dang S = S(T) của các hệ đo điện dung DLTS, đồng DLTS

analog được trình bẩy trong chương 3 sau đây đều có thé ghi rhận trênmột hệ tự động kiểu phy thuộc một biến số nim hệ đo SM9O này

CHUONG III - HỆ ĐO ĐIỆN DUNG VÀ DONG QUA ĐỘ THEO NHIỆT ĐỘ VÀ

AP DUNG NGHIÊN CỨU TÂM SÂU TRONG CHẤT BAN DAN

Để nghiên cứu các thông số của tâm sâu, có nhiéu rtmơng pháp được

sử đựng Găn 1ién với môi Phương rháp là những kỹ thuật tương Ứng

[46) Bên cạnh các rhương rháp cổ điển nhi : Đo độ dân, Hiệu ứng

Hall , Phổ quang din [67] , có rất nhiều ptương pháp mới nh

TSCAP[7O], Photo Capacitance [68], TSC[37,52,60, DC Current[68),

EPR(26, 61], Hấp thu hổng ngoại[2O] MOi phương pháp đều có một hiệu

lực trong rhững điểu kiện nhất dinh Điểu đố đòi hoi các nhà vật lý

thực nghiệm sự lựa chon, bổ xung, hiệu chỉnh để rhận được Kết quả

‘tin cậy nhất [47].

Phương pháp TSCAP Khá nhạy và có Kha năng cho một vài thông tin về

phan bố nổng độ tâm sâu nếu thay đổi giá trị rhân cực Tuy nhiên

riương rháp này bị hạn chế về độ sâu mức tâm

- Phương pháp Photo Capacitance cho phép quan sát thấy sự giải Phóng

các hạt tải bi bắt thông qua sự biến đổi của điện amg tiếp giáp Tuy

nhiên phương rháp này bi hạn chế ở độ chính xác của AE và đặc biệt gặp

Khó Khăn trong trường hợp mẫu có nhiều mức tâm sâu.

Phương Pháp TSC có lợi thế là do dòng trực tiếp, có thể sử dung

ngay cả Khi ảnh hưởng của quá trỉnn bắt hạt tải lên điện dung tiếp

giáp Không đáng KỂ (thí đụ trong cấu trúc P-i-N) Tuy nhiên rhương

Pháp này chịu anh hướng của nhiéu 1/f và tín hiệu cẩn đo bị 14n trong

dòng đò một chiều của mẫu (điot)

Phương phap DC Current cũng là một phương pháp đo trực tiếp có

mu ` + aw Z 4 ^ A “ ^ SG: wx q4 A.

thé ding dé do cau trúc P-i-N va thậm chi một vài chất điện môi.

Phương rháp này phải do lâu và Khố lý giải kết quả.

Phương pháp EPR và phương pháp hấp thụ hồng ngoại cho nhiéu thông tin về vị trí mức sâu và cấu trúc sai hong của bán dân Song chúng bị

hạn chế về độ rhạy nên chỉ áp đựng được với những mu bị chiếu xạ

mạn, cố độ sai hong cao Hơn nữa, chúng không cho phếp xác định

trực tiếp rhững mic nắng lượng Kích hoạt mà chỉ ước lượng chúng qua

vị trí mức Fermi trong mẫu mà thôi.

Từ năm 1974, sau Khi công trình của D.V.Lang [65] ra đời, phương

phấp DLTS và đi liển là KỸ thuật DLTS đã được sử amg trong nghiên cứu

tâm sâu nh một công cụ phổ biến, sắc bến Nếu ni puiơng Pháp đo

hưỳnh quang được sử dung rộng rãi và rất thành công trong việc Khảo sát tâm nông rhờ rhững yếu tố : độ rhạy, tốc độ, tính chất rhổ thì kỹ

thuât DLTS lại phát Huy được rhững ưu điểm dé trong Khảo sắt các tâm

sâu mà Imỳnh quang không với tới được (đặc biệt là các tâm sâu Không

bức xa).

Việc Khao sát các tâm Không bức xạ đã sử đựng điện amg của tiếp

giap P-N (hoặc Schottky ) nif một thước do tình trạng tích điện của

các tâm này [30] Tuy vậy, các Kỹ thuật điện ame kinh điển thường

là không đủ các chi tiêu về độ mhay, tốc độ, độ sâu quan sát được

hoặc tính chất phổ (tính chất rất quan trọng trong thực tế các hệ đo

chuyên đựng ) [3i,32) Kỹ thuật đo DLTS đã đáp ứng được khá đẩy đủ các

chỉ tiêu nói trên

Trong chương này, chúng tôi trình bẩy quá trìrh thực nghiệm nghiên

cứu tâm sâu bao gdm cac nội đung ni sau :

x Timhiéu vai trò của tâm sâu trong bán dẫn thông qua việc nghiên cứu anh kưởng của chiếu xạ lên một số lina kiện bán dfn Sự

= 26 —

~

ảnh hưởng ré rệt của các tâm sâu hình thành sau chiếu xạ lên các đặc

trưng của linh kiện bán dân cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu các

-thông số của tâm sâu

x SỬ dung phương rhấp đo DLTS - hương hấp hữu hiệu nhất trong

nghiên cứu tâm sâu Đối tượng cẩn đo là phổ điện aug và rhổ dòng

điện pm thuộc rhiệt độ Công cụ đo là hai hệ do analog chỉ thị trên

máy tự ghi hai trục do chúng tôi tự thiết KẾ lắp rấp và hiệu chỉnh

trên cơ sở các linh Hiện rời rac trong diéu kiện Việt nam

-x Ghi phổ DLTS điện dmg của mẫu Silic chiếu xạ điện tử bằng hệ

do được lắp ráp nối trên Kết quả ttm được cho thấy hệ do đạt được

yêu cẩu chỉ tiêu để ra, có thể sử đựng trong nghiên cứu vật lý tâm sâu

- 37 =

§1- ANH HUONG CUA CHIẾU XA TREN MOT SO LINH KIỆN BAN DAN [9]

Việc nghiên cứu các sai hong do chiếu xa trong bán dân dz được

quan tâm nghiên cứu ở Việt nam từ nằm 1980 [10] Nhiểu phếp do được

tiến hành trên các mẫu chiếu x notréng, electron, gama [17, 16).

Kết quả nghiên cứu trên một số linh kiện bán dân cho thấy,

chiếu xa gama có ảnh hưởng rõ rệt đến các thông số như hệ số Mhuyếch

đại dòng, giới hạn tần số, quán tính

Các quá trình nghiên cứu dược tiến hành rừm! sau:

4 1- Thưc nghiêm

x - a

a) Man chiều xa gồm:

- Fotodiot Schottky do Viện Vật lý chế tạo.

- Transistor công suất vừa của Nhật C1124 và CT1061.

- Transistor KC507-509 của nha máy Z161.

~ Trensietor Tan -cỗu Ziad gõ thông số như KC507-509 nhung có

thêm một cực điểu Khiển G ở rhía E-B,

HỔi nhóm gồm 1O chiếc dé nguyên cả vỏ

b) Liéu lượng chiếu xa:

60

Nguồn gama ding để chiếu là nguồn Co có chu ky bán huy

Tị¿a = 1.26 năm Năng lượng của nguồn: 1 11-1 317 Mev.

Thông lượng gama | Tài phôtôn/cm s chiếu theo hai chế độ:

Loại 2 ngày với liều lượng 3O Mrad Loại 5 ngày với liểu lượng 72.6 Mrad

c) Kết qua do đạc:

Trực nghiệm cho thấy chế độ chiếu 2 ngày và 5 ngày cho kết quả

ít khác nhau Do vậy các phép do sử đựng mẫu chiếu 5 ngày.

x Hình 3.1 biểu điển Hết quả đo hệ số Khuyếch đại dine hep

38

-(Iq) trong so dé emito chung với U¿ = 5V Các tham số Khác nim dong

`

rò, thế đánh thủng của transistor không đổi Hình Z.1a cho thấy, với

các transistor tốt (có hệ số Knuyéch dai ban đầu lớn) sau km chiếu

xạ, hệ số Khuyéch đại giảm trong toàn dai do Iẹ Trái lại, Hình 3 1b

Hình 3.1 - Sự thay đổi hpy (Ig) trước và sau Khi chiếu gama

đối với loại transistor tốt (a) và loại xấu (b).

Nét liển: Trước Khi chiếu, nét đứt: sau Khi chiếu.

x Đặc trưng VonAmpe của chuyển tiếp P-N trong transistor cũ dang:

I = lọ (exp(eV/mkT - 1)) (3 1)

Trong đố hệ số m đặc trưng cho sự chuyển tiếp:

Nếu m= 1 thì đồng pmm là chủ yếu, ngược lại nếu m= 2 thì

déng tái hợp chiếm ưu thế,

Hình 3.2 cho thấy đặc trưng VonAmpe ở 2 phía emito và colecto

của transistor sau Khi chiếu xạ có Khác nhau : ở phía emito đoạn tngvới m =2 Kéo đài về rhía von cao

x Bằng phếp do độ chênh lệch pha giữa tín hiệu ở bazo và ở

colecto của transistor đã tính được giới hạn tẩn số #¿ theo công tHỨc:

tế cop = f⁄fc (3 2)

f là tan số tín hiệu đo (ở đây £ = 60 KHz).

Tinh toán cho thấy, trước Khi chiếu gama fc = 250 kHz Sau Khi

chiếu gama f, = 1200 kHz.

phía sườn của xung vuông gốc tác đựng vào transistor thì thấy, sau

cách chiếu xạ, có thể đưa transistor thường sang hoạt động ở chế độ

Hinh 3.2 - Đặc trưng V-A của

transistor ở 2 phia emito (E) và

colecto (C) trước và sau Khi

chiếu xạ gama.

Nết liển : Trước Khi chiếu

Nét đứt : Sau Khi chiếu

Ra

Trước chiếu ð | |

Hình 3.3 - Sơ đổ nguyên lý do quán tinh của fotodiot.