Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn insb trong dải sóng hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI CAO THỊ MINH HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb TRONG DẢI SÓNG HỒNG NGOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI CAO THỊ MINH HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb TRONG DẢI SÓNG HỒNG NGOẠI Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI XUÂN CHIẾN HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành lời luận văn để đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo, ngƣời dìu dắt, dạy dỗ suốt thời gian qua. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến tận tình hƣớng dẫn, bảo suốt trình làm thực nghiệm hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến TS. Hoàng Ngọc Minh anh chịtại phòng thí nghiệmQuang điện tử - Viện Vật lý tạo điều kiện, giúp đỡ thực số phép đo có đóng góp quý giá cho luận văn mình. Cuối xin cảm ơn gia đình, bạn bè tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu, giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Học viên Cao Thị Minh Hiền LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu nhóm nghiên cứu.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác. Tác giả luận văn Cao Thị Minh Hiền DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt FLA Focal plan array Ma trận cảm biến ảnh NEP Noise equivalent power Công suất nhiễu NETD Noise equivalent temperature Độ phân giải nhiệt độ difference QWIP Quantumwell infrared Đầu thu giếng lƣợng tử photodetector ROIC Readout integration cỉcuit Mạch đọc tín hiệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU . NỘI DUNG . Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 1.1 Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại . 1.1.1 Phổ sóng điện từ 1.1.2 Sự xạ hồng ngoại nhiệt lượng tử 1.1.3. Vùng cửa sổ khí (atmosphere window) 1.2 Cơ sở lý thuyết đầu thu hồng ngoại . 1.2.1 Tiêu chuẩn phân loại chủng loại đầu thu hồng ngoại . 1.2.2 Cảm biến dựa hiệu ứng nhiệt điện không cần làm lạnh 1.2.3 Cảm biến dựa hiệu ứng quang điện chất bán dẫn . 11 1.2.4 Các thông số đặc trưng đầu thu hồng ngoại 14 1.3.1 Microbolometer . 17 1.3.2 Pyroelectric . 18 1.3.3 Tính chất mạch tích phân FPA 19 1.4. Cơ chế làm việc cấu tạo cảm biến ma trận ảnh hồng ngoại FPA(Focal plan array) 20 1.4.1 Nguyên lý hoạt động ma trận cảm biến ảnh FPA dựa kiến trúc CCD CMOS 20 1.4.2 Cơ chế đọc liệu CCD 23 1.4.3 Những tiến công nghệ chế tạo . 24 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ QUANG DẪN TRONG BÁN DẪN VÙNG CẤM HẸP InSb VÙNG HỒNG NGOẠI (𝜆 TỪ ĐẾN μm) . 30 2.1 Các tính chất tinh thể bán dẫn vùng cấm hẹp InSb . 30 2.2 Các Tính Chất Của Detector Quang Dẫn InSb 33 2.2.1 Đường đặc trưng phổ . 33 2.2.2 Đặc trưng nhiệt độ . 34 2.2.3 Đặc trưng nhiệt độ tecmist . 34 2.2.4 Đặc trưng nhiễu . 35 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DETECTOR InSb 36 3.1 Chế tạo mẫu . 36 3.1.1 Xử lý hoá học bề mặt phiến . 37 3.1.2 Làm 39 3.1.3 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic 39 3.1.4 Quang khắc 41 3.1.5. Ăn mòn 51 3.2. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu, chế tạo mẫu. . 58 3.2.1. Hoá chất ăn mòn, làm 58 3.2.2. Thiết bị lọc nước i-on 58 Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐO D* 60 4.1. Thiết kế hệ đo thông số D* . 60 4.1.1 Giới thiệu chung hệ đo thông số D* . 60 4.2. Thiết kế chi tiết mạch điện tử . 61 4.2.1Thiết kế mạch điều khiển trung tâm (mạch số 1) 61 4.2.2. Thiết kế mạch điều chế tần số băm (mạch số 2) . 67 4.2.3Thiết kế mạch điều khiển góc gương quay (mạch số 3) . 69 4.3. Kết đo thông số D* cho mẫu quang trở InSb nhiệt độ thấp 71 KẾT LUẬN . 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 77 MỞ ĐẦU 1. Lý chọn đề tài Vào đầu năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử đời, bắt đầu xác định chỗ đứng vững giữ vai trò định lĩnh vực phát triển hệ thống thông tin quang tƣơng lai. Chúng phần tử quan trọng ngành kỹ thuật nhƣ truyền tin, đo lƣờng, điều khiển tự động,…Trong linh kiện đó, quang trở linh kiện thu quang có nhiều ứng dụng khoa học công nghệ, nhƣ đời sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt đƣợc cƣờng độ ánh sáng chiếu vào mà giúp cho ngành chế tạo cảm biến phát triển mạnh. Có nhiều hệ thống tự động sử dụng cảm biến ánh sáng, nhờ cảm biến ánh sáng mà thiết bị hoạt động trở nên thông minh hơn. Do tƣợng hấp thụ, khí trái đất cho sóng ánh sáng (là dạng sóng điện từ) truyền qua số vùng phổ định đƣợc gọi vùng cửa sổ khí (atmosphere window). Đối với vùng ngƣời ta phải chế tạo loại cảm biến riêng vật liệu truyền qua thích hợp. Cụ thể: - Vùng nhìn thấy có bƣớc sóng λ = 0,4 đến 0,75m sử dụng cảm biến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt trời ống kính từ thủy tinh quang học thông thƣờng. - Vùng hồng ngoại gần (λ = 0,8 đến 1,8m) sử dụng đầu thu PbS, PbSe, ma trận CCD sở vật liệu GaAs ống kính cửa sổ từ tinh thể thạch anh, saphire… - Vùng hồng ngoại (λ từ đến 6m) có vai trò quan trọng khoa học kỹ thuật tất đông máy móc, ô tô, tàu thủy thể ngƣời phát xạ bƣớc sóng này. Cảm biến sử dụng quang trở ma trận ảnh CCD làm từ vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp nhƣ InSb, GaSb, AlSb hoạt động nhiệt độ ni-tơ lỏng (-196oC). Chính khuôn khổ luận văn lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn InSb dải sóng hồng ngoại”. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu chế quang điện. - Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng hồng ngoại(λ từ 0,35 đến 0,85m) nhiệt độ -196oC. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan linh kiện quang trở. - Nghiên cứu phƣơng phápchế tạo mẫu, xây dựng hệ đo suất phat riêng D*của bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng hồng ngoại (λ từ đến m) nhiệt độ -196oC. 4. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb có làm lạnh nhiệt độ ni-tơ lỏng (-196oC). - Công nghệ: + Bốc bay chân không tạo màng. + Ủ nhiệt. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: + Công nghệ bốc bay. + Ủ nhiệt thay đổi vùng cấm. - Đo hiệu ứng quang trở. 6. Đóng góp Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn, để triển khai xây dựng hệ đo D* hƣớng chế tạo linh kiện quang dẫn nhạy vùng hồng ngoại (λ từ đến 6m) nhiệt độ -196oC đƣa vào ứng dụng kỹ thuật. Luận án tốt nghiệp bao gồm phần sau: NỘI DUNG Chƣơng 1. Tổng quan cảm biến hồng ngoại Chƣơng 2.Nghiên cứu chế quang dẫn bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại (𝜆 từ đến μm) Chƣơng 3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb Chƣơng 4. Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo D*, kết đo KẾT LUẬN 63 4.2.1.2 Nội dung thiết kế mạch số a) Thông số kỹ thuật mạch điều khiển trung tâm Đặc tính kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguồn cung cấp 24 V DC ± 25% -3000 mA Max Chuẩn truyền thông RS-485, USB Màn hình hiển thị  LCD (4x16) Phím điều khiển  phím (ENTER, UP, DOWN, EXIT) Đầu vào analog  02 đầu vào tƣơng tự (0 5VDC)  Tiền khuếch đại điều chỉnh từ ÷ 100 lần.  ADC 12 bít LEDs  Lỗi truyền thông  Báo nguồn cung cấp b) Sơ đồ khối Màn hình hiển thị LCD 02 Analog inputs Khối tiền khuếch đại Vi xử lý trung tâm TRUYỀN THÔNG RS-485 Truyền thông USB LEDs Bàn phím chức Hình 4.2.Sơ đồ khối mạch điều khiển trung tâm 4.2.1.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch số a) Khối điều khiển trung tâm Thông qua phân tích đặc tính ƣu nhƣợc điểm số dòng vi xử lý thị trƣờng. Dòng vi xử lý PSoC phù hợp nhất, tài nguyên, tốc độ đủ D N G F u Tantalum Tu C D N G C USB PL2303HX G Hình 4.4. Mạch driver cho RS-485 USB D N G D N + D D N G R R USBDP EE_DATA R EE_CLK 1K5 USB+ - USB- P D M D D USBDM R S U B V VO_33 SHTD_N VCC_PC V33 R D USB_COM D N G C F u C C V DSR_N N N DCD_N G CTS_N Tantalum Tu VCC_PC D N C D N G D N GP0 GP1 C N D G D X N G R C C RI_N G N D X T D N C G p p D N G A VCCIO D N G C C V C C USBDP RST_N D N G D N G VCC_PC OSC1 DTR_N OSC2 D X T Y D X R 12MHz U Max485_dan D N G C B R D N G V RS485_B RXD_RS485 E R A RS485_A D TXD_RS485 C C V E D RE/DE V U RS485_B RS485_A P K K R R V D E SDA_I2C SCL_I2C S L MISO1 MOSI1 C SCK1 D N G P2(7) VREF P2(6)/EXT P2(5) AGND P2(4)/EXT P2(3) P2(2) P2(1) P2(0) Hình 4.3 Khối vi xử lý trung tâm D N G P4(1) _ P P4(6) Vss R P4(3) R P1(7)/SCL K _ P D E L _ _ P P P4(4) P1(6) SCK_PSOC P1(5)/SDA CSN_PSOC P4(5) _ P P4(2) _ P P1(4)/EXTCLK P4(7) IRQ_PSOC P1(3) MISO_PSOC P1(2) MOSI_PSOC P1(1)/XTALin/SCL SCL P1(0)/XTALout/SDA SDA P3(5) SMP X X P4(0) _ P P3(7) K P3(6) D X T Programming K P3(4) RE/DE P3(3) S E R SDA K S E R G P0(0) D N P0(7) P0(6) P0(5) P0(4) P0(3) P0(2) P0(1) P3(2) C C C18 V D N G C C C17 V D N G Vdd SCL D X R P3(1) S E R X K P3(0) CE_PSOC U K C C V P C CY8C29566-24AXI S DATA IN1 IN2 IN3 V V C C V 64 đáp ứng quan trọng có tích hợp đầy đủ khối truyền thông, khối analog (ADC, khuếch đại…). 65 b) Khối truyền thông - Mạch điều khiển có khả kết nối với mạch điều khiển khác theo chuẩn RS-485 với máy tính theo chuẩn USB. - Sử dụng dây cáp truyền thông theo chuyên dụng: đƣợc mạ kẽm, có phủ đất để chống nhiễu. - Quản lý liệu theo nguyên tắc MASTER-SLAVE. c) Khối vào/ra tương tự Yêu cầu đầu vào tƣơng tự: - Số lƣợng đầu vào: 02 - Tín hiệu vào: 0÷5 VDC - Hệ số khuếch đại: 1÷100 (có thể tích hợp thêm tần khuếch đại vi xử lý để tăng hệ số khuếch đại tăng thêm 10 lần, việc phụ thuộc 1000 = RVmax 499 = V V TP2 INPUT_AN2 SIG+ P -5V D N G SIG- C -5V D N SIG+ SIG- SIG+ C G INPUT AD620AN U AD620AN U SIG- INPUT_AN1 INPUT SIG- SIG+ P TP1 R RV 1000 = 499 = V V R RV RVmax vào trường hợp ứng dụng cụ thể). Hình 4.5.Sơ đồ nguyên lý tiền khuếch đại d) Khối thị LCD, khối bàn phím chức - Màn hình LCD: Để hiển thị thông số hoạt động, lựa chọn LCD 4x16, hiển thị đƣợc 04 dòng dòng có 16 ký tự. - Bàn phím: Bao gồm 04 phím với chức D N G A F u F u D C12 C11 100mH (dan) cam Cuon ON/OFF D N G T U O C C V N I L V FEEDBACK T LM2576_(dan) D N G D N G M - Header D M N G 100mF N C L V G OSC C C D V + CAP- V CAP+ + U Hình 4.7.Khối nguồn ổn áp cấp cho mạch điện tử D N -5V T U O R C11 V 100mF R + C G C C D N D C D N N G G C C V V C C G SW4-03 D N K LCD ON V R V SW3-03 R K K C C V D N G D D N G N P4_2 P4_0 P4_3 P4_1 P4_6 G P4_4 V P4_5 SW2-03 VCC K D SW1-03 D S K A D D D D D D D D E R/W R V V VSS K Y E K D C L C C V D C L 66 e) Khối nguồn nuôi Cung cấp nguồn nuôi (nguồn chiều) cho toàn hệ thống bao gồm: - Đầu vào 24 VDC, A - Ổn áp thành điện áp +5V (VCC), cấp cho vi xử lý thiết bị ngoại vi - Điện áp âm -5 V cấp cho IC khuếch đại đo lƣờng. Hình 4.6.Sơ đồ nguyên lý khối hình hiển thị bàn phím 67 4.2.2. Thiết kế mạch điều chế tần số băm (mạch số 2) 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế mạch số Các đặc tính kỹ thuật mạch điều chế tần số băm phải thực đƣợc chức nhƣ: thị trạng thái làm việc hình LCD (như tốc độ động cơ, tần số băm xung, chế độ hoạt động), có phím chức để lựa chọn thông số hoạt động (đặt lại thông số thiết bị, on/off …), có cổng truyền thông RS-485, có chiết áp để điều chỉnh tốc độ động cơ. 4.2.2.2. Nội dung thiết kế mạch số a) Thông số kỹ thuật Đặc tính kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguồn cung cấp 24 V DC ± 25% -3000 mA Max Chuẩn truyền thông RS-485 Màn hình hiển thị LCD (4x20) Phím điều khiển phím (ENTER, UP, DOWN, EXIT) Đầu vào analog Điều chỉnh tốc độ tay Tần số băm (chop) Hz đến kHz (tùy thuộc vào đĩa điều chế) Lỗi truyền thông LEDS Báo nguồn cung cấp b) Sơ đồ khối Quay đĩa DC Motor 12VDC Màn hình LCD 4x20 kí tự Khối công suất Vi xử lý trung tâm PSoC Encoder TLT- RS485 Cách ly quang Bàn phím Hình 4.8.Sơ đồ khối mạch điều chế tần số băm D N G Header quang ly Cach D N G D N G C C V Encoder R10 P C O G K P2_6 P2_1 P2_0 P2_5 P2_4 P2_3 P2_2 C C V R11 A A V D N G 2_1 BIG_Header D N G D103 D102 P2(7) VREF P2(6)/EXT P2(5) AGND P2(4)/EXT P2(3) P2(2) P2(1) P2(0) OUT_DC2 P4(1) OUT_DC1 P4(6) Vss A A P4(3) P4(4) P1(7)/SCL PWN MOTOR DC V D N G P4(5) P1(6) OUT_PSOC D101 D100 P4(2) P1(5)/SDA K P4(7) P1(4)/EXTCLK K P4(0) P1(3) K P1(2) K P3(7) P1(1)/XTALin/SCL SCL D N G P3(6) P1(0)/XTALout/SDA D N G SDA P3(5) P3(4) SMP H-Brigde 5A P3(3) S E R X S E R X PGND PGND P0(7) P0(6) P0(5) P0(4) P0(3) P0(2) P0(1) P0(0) P3(2) Vdd Hinh 4.9.Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế tần số băm RE/DE PGND PGND P3(1) D X R /D2 C N D P3(0) A N E D X T OUT_DC2 T U O T U O T U O T U O U OUT_DC1 V + V + V CY8C29566-24AXI V P C C + V D IN1 OUT_PSOC C6789 IN2 /FS PWN C N D D N G A U C C V Max485_dan D N G Fim_4 D N G D N G K Header B R RS485_B D X R Fim_3 E R D N G K K K R K C C V RS485_A C C V A D Fim_2 D N G R K C C V C C V E D R K RS485 D X T K RE/DE K K C C V K R C C V U K Fim_1 Y E K K R D N G R K C C V D N G V R C C V K D N G C C R V P2_3 P2_2 P2_1 P2_0 P2_4 P2_6 P2_5 C C V D N G F u F u A K A D D D D D D D D E R/W R V V VSS Tantalum Tu S D D C C 100mH D (dan) cam Cuon ON/OFF D N G T U O N I L FEEDBACK J V D C L C C V LM2576_(dan) T D C L LCD16x2 68 c) Thiết kế sơ đồ nguyên lý Các bƣớc lựa chọn linh kiện thiết kế sơ đồ nguyên lý tƣơng tƣ nhƣ phần thiết kế mạch điều khiển trung tâm trên. Kết sơ đồ nguyên lý mạch nhƣ sau: 69 4.2.3 Thiết kế mạch điều khiển góc gương quay (mạch số 3) 4.2.3.1 Yêu cầu thiết kế mạch số Các đặc tính kỹ thuật mạch điều khiển góc gƣơng quay phải thực đƣợc chức nhƣ: điều khiển góc 02 gƣơng quay, đặt đƣợc tốc độ quay động cơ, có cổng truyền thông RS-485. 4.2.3.2 Nội dung thiết kế mạch số a) Thông số kỹ thuật mạch điều khiển góc gương quay Đặc tính kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguồn cung cấp 24 V DC ± 25% -3000 mA Max Chuẩn truyền thông RS-485 Điều khiển động bƣớc 02 động cơ, VDC. Lỗi truyền thông LEDS Báo nguồn cung cấp b) Sơ đồ khối Quay gương 1&2 Step Motor 1&2 Khối công suất Vi xử lý trung tâm PSoC Sensor vị trí 1&2 TLT- RS485 Cách ly quang Hinh 4.10.Sơ đồ khối mạch điều khiển góc gương quay D N G Header quang ly Cach D N G D N G C C V K Encoder2 R30 P C O G K C C V D N G R32 Header quang ly Cach D N G D N G D N G Programming C C V K SDA D N G Encoder1 R29 P SCL C O G K S E R X C C V C13 C14 R31 C C V . P C C V IN_GOC2 IN_GOC1 SAY QUATGIO Max485_dan D N G 2_1 BIG_Header B R D N G RS485_B D X R E R P2(7) VREF P2(6)/EXT P2(5) AGND P2(4)/EXT P2(3) P2(2) P2(1) P2(0) P4(1) A RS485_A P4(6) Vss D RA485 T P4(3) D D X C C V E RE/DE RE/DE P4(4) U C C V K D X T D X P4(5) P1(6) R P1(7)/SCL K P4(2) P1(5)/SDA R34 D_PIC1 R33 P4(7) P1(4)/EXTCLK Encoder2 C_PIC1 P4(0) P1(3) Encoder1 B_PIC1 P1(2) A_PIC1 P3(7) P1(1)/XTALin/SCL SCL P3(6) P1(0)/XTALout/SDA C C V SDA P3(5) P3(4) SMP P3(3) S E R X D_PIC2 S E R X P0(7) P0(6) P0(5) P0(4) P0(3) P0(2) P0(1) P0(0) P3(2) Vdd C_PIC2 P3(1) B_PIC2 P3(0) A_PIC2 D N G U Tantalum Tu CY8C29566-24AXI F u F u A Tantalum Tu D19 C288 100mH C289 (dan) cam Cuon ON/OFF D N G T U O C C V N I L189 FEEDBACK V J 2_1 BIG_Header T17 LM2576_(dan) R23 quang ly Cach IRF540 Q44 R22 D_PIC2 R16 P 5V_L D 5V_L D MOTOR STEP G R21 C quang ly Cach R10 B IRF540 G A quang ly Cach Q43 R20 IRF540 R15 P D N G D K D K C_PIC2 K Q42 R K N K D N K D G K K N D Q43 P N G IRF540 R11 D R12 K K N G K quang ly Cach R D G N D_PIC1 D N G J42 5V_L K C_PIC1 C C V C R P 5V_L C D N G MOTOR STEP D N G C D K quang ly Cach R K B IRF540 D N G A quang ly Cach Q42 K R19 K IRF540 D N G Q41 B_PIC2 R R14 P J41 5V_L K B_PIC1 C C V B R P 5V_L B D N G D N G K R18 K quang ly Cach R K IRF540 D N G quang ly Cach Q41 R17 K IRF540 K D N G Q40 A_PIC2 R R13 P 5V_L K A_PIC1 A R P 5V_L 5V/12V A 5V/12V D C B A D C B A A A A A A A A A D D D D D D D D C C V C C V 70 c) Thiết kế sơ đồ nguyên lý Các bƣớc lựa chọn linh kiện thiết kế sơ đồ nguyên lý tƣơng tƣ nhƣ phần thiết kế mạch điều khiển trung tâm trên. Kết sơ đồ nguyên lý mạch nhƣ sau: 71 4.3. Kết đo thông số D* cho mẫu quang dẫn InSb nhiệt độ thấp Bước sóng, 𝜆 (μm) Hình 4.12.Năng suất phát riêng D* đầu thu InSb - 190oC Bước sóng, 𝜆 (μm) Hình 4.13.Năng suất phát riêng D* đầu thu InSbở - 170oC 72 Bước sóng, 𝜆 (μm) Hình 4.14.Năng suất phát riêng D* đầu thu InSbở - 150oC Bước sóng, 𝜆 (μm) Hình 4.15.Năng suất phát riêng D* đầu thu InSbở - 130oC 73 Hình 4.12, 4.13, 4.14, 4.15 kết đo suất phát riêng D* đầu thu InSb. Ở dải phổ ứng với hấp thụ cho phép xác định bề rộng vùng cấm chất bán dẫn. Bờ sóng dài phổ ứng với bờ hấp thụ bản, giảm xuống D* phía bƣớc sóng ngắn đƣợc giải thích giảm xuống tốc độ phát sinh hạt dẫn sâu vào chất bán dẫn [3]. 𝐺 𝑥 = 𝜂𝛼𝐼0 𝑒 −𝛼𝑥 (4.1) Trong đó: 𝐼0 – cƣờng độ ánh sáng chiếu lên đơn vị thể tích mặt mẫu quang dẫn; 𝛼 – hệ số hấp thụ; 𝜂- Hiệu suất lƣợng tử, đƣợc định nghĩa số cặp điện tử lỗ trống phát sinh photon bị hấp thụ. x- Độ sâu lớp hấp thụ Khi hệ số hấp thụ lớn (trong vùng hấp thụ bản) độ sâu lớp hấp thụ giảm, hầu hết photon bị hấp thụ lớp gần bề mặt, lớp nồng độ hạt dẫn không cân tốc độ tái hợp tăng lên, bề mặt lại tồn nhiều tâm tái hợp bề mặt. Điều giải thích vùng hấp thụ bản, hệ số hấp thụ lớn hiệu ứng quang điện lại giảm, đồng thời cho ta biết nhiều trƣờng hợp hiệu ứng quang dẫn phụ thuộc nhiều vào hình dạng kích thƣớc mẫu quang trở. 74 Nhiệt độ (oC) Hình 4.16.Đồ thị phụ thuộc D* theo nhiệt độ Trên Hình 4.16 đặc trƣng phụ thuộc nhiệt độ D* quang dẫn InSb. D* quang dẫn thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ phần tử tăng, D* giảm (từ 1.0 x 1011 cmHz1/2/W -1900C xuống ~ 6.5 x 1010cm.Hz1/2/W 1300C), do: Theo thuyết điện tử kim loại ta có: Độ dẫn chất bán dẫn có hai loại hạt dẫn, điện tử với nồng độ n lỗ trống với nồng độ p: 𝜎= 𝑒 𝜏𝑛 𝑛 𝑚 𝑛∗ + 𝑒 𝜏𝑝 𝑝 𝑚 𝑝∗ (4.2) Thuyết điện tử kim loại xem điện tử kim loại nhƣ hệ khí lý tƣởng, nhƣ ta biết điện tử kim loại tuân theo nguyên lý Pauli, phổ lƣợng vùng dẫn gián đoạn, khoảng cách mức nhỏ, hàm phân bố điện tử điều kiện cân hàm Fermi – Dirac. Ở nhiệt độ thấp điện tử chiếm dần mức lƣợng từ thấp đến cao tuân theo nguyên lý Pauli, mức lƣợng điền đầy T=0K 75 mức lƣợng Fecmi, F. Từ phân bố xếp điện tử nhƣ điện tử có lƣợng thấp hầu nhƣ không tham gia dẫn điện nhƣ điện tử tự đƣợc. 76 KẾT LUẬN 1. Nghiên cứu tổng quan vềhiệu ứng quang trở bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng hồng ngoại. 2. Nghiên cứu tổng quan phƣơng pháp chế tạo detector bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại 𝜆 tử đến μm 3. Xây dựng đƣợc hệ đo suất phát riêng đầu thu cảm biến ánh sáng. 4. Đã khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ với suất phát riêng nhiệt độ khác vùng hồng ngoại. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Tuấn, Quang Khắc, NXB đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003 tr.20, 25 [2] Nguyễn Năng Định, Vật lý kỹ thuật màng mỏng,NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội [3]Phùng Hổ, Phan Quốc Phô, Giáo trình vật liệu bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [4] Trần Văn Vũ, Tổng quan quang khắc, NXB Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003 [5] V.V. Thú, Đ.T Đồn …: Nghiên cứu chế tạo đầu thu hồng ngoại sở PbS. Hội nghị KH trƣờng ĐHKHTN 1998. [6] T. Chot: Tiếp xúc ohmic cho GaP. Tạp chí Vật lý, Hà nội 1985. Tiếng Anh [7] Vladimir P. Ponomarenko, Anatoly M. Filachev: Infrared Techniques and Electro-Optics in Russia: A History 1946-2006. SPIE Press, Vol. PM165, January 2007. [8] A.S.Obaid, M.A.Mahdi: Effect of Deposition Time on the PbS Thin films prepared using Microwave-Assisted Chemical Bath Deposition: Structure and Optical Characterization. International conference on Education. Applied Sciences and Management, Dubai, 2012. [9] L.Raniero, C.L.Ferreira: Photoconductivity Activation in PbS Thin Films Grown at Room Temperature by Chemical Bath Deposition. Physica B 405, 2010, 1283-1286. [10] O. Nesher, P.C. Klipstein: High Performance IR Detectors at SCD Present and Future. Opto-Electronics Review 14, 61-70. [11] M. Nurul Abedin, Martin G. Mlynczak: Infrared Detectors Overview in the Short-Wave Infrared to Far-Infrared for CLARREO Mission. Proc. 78 SPIE 7808, Infrared Remote Sensing and Instrumentation XVIII, 78080V, 27 August 2010. [12] Itay Shtrichman; Tal Fishman: Spatial Resolution of SCD's InSb 2D Detector Arrays. Proc. SPIE 6542, Infrared Technology and Applications XXXIII, 65423M, May 14, 2007. [13] Lidia Langof; Dan Nussinson: Advanced Multi-function Infrared Detector with on-chip Processing. Proc. SPIE 8012, Infrared Technology and Applications XXXVII, 80120F, 2011. [14] T. Chot: A Modified Forwward I-V for Schottky Diodes. Phys Stat Solidy a, GDR 1985. [15] T. Chot: Barrier Height of M-S Contact. Phys Stat Solidy a, GDR 1988. [16] H.N.Minh: Anwendung des Wageverfahrenauf die Schichtdickenkontrole wahrend der Bedampfung von Mehrfach Interferenzeschichten im Vakuum. Experimetielle Technik der Physik, Germany 1990. [17] http://www.wikipedia.org [18] http://www.halbleiter.org [...]... (cặp nhiệt điện cho vật rắn và tế bào Goley cho chất khí), thay đổi tính chất từ (ferroelectric)… b Các hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn Cụ thể: - Hiệu ứng quang dẫn (photoconductor): quang trở hồng ngoại - Hiệu ứng quang điện (photovoltaic) - Hiệu ứng Josephson (rào chắn Schottky PtSi) - Hiệu ứng Giếng lƣợng tử 1.2.1.2 Phân loại theo chức năng hoạt động Cụ thể - Đầuthu năng lƣợng - Cảm biến ma... lớn bức xạ hồng ngoại đi qua Chúng đƣợc gọi là cửa sổ khí quyển Tƣơng ứng với từng vùng của sổ này, ngƣời ta đã nghiên cứu phát minh ra các chủng loại đầu thu hồng ngoại sau đây: 1 Vùng cận hồng ngoại (NIR) có bƣớc sóng từ 0,78 đến 1 m: các đầu thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh 2.Vùng hồng ngoại ngắn SWIR có bƣớc sóng từ 1 đến 3m: đầu thu PbS, PbSe… 3.Vùng hồng ngoại trung MWIR có bƣớc sóng từ... TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 1.1 Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại 1.1.1 Phổ sóng điện từ Ánh sáng là một loại sóng điện từ có phổ phân bố trải từ tia gamma, tia X, tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy, vùng hồng ngoại, sóng micro cho đến sóng vô tuyến điện, bƣớc sóng càng ngắn thì năng lƣợng càng lớn Hình 1.1 Chỉ ra vùng bƣớc sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại có bƣớc sóng 0.2 đến 0.35m qua... quan trọng làm nền tảng trên Đặc biệt là 2 vùng hồng ngoại trung và xa Bảng 1.1 liệt kê các chủng loại đầu thu hồng ngoại Hình 1.3 Lịch sử phát triển của các đầu thu hồng ngoại 9 Sau đây ta sẽ giới thiệu các loại đầu thu hồng ngoại quan trọng nhất 1.2.2 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng nhiệt điện không cần làm lạnh Cụ thể gồm những loại sau 1.2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện (thermal effect) Sự hấp thụ năng... cho đến vùng hồng ngoại gần và xa 100m Con mắt ngƣời chỉ cảm nhận đƣợc hình ảnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4 đến 0,76 m Đây là một vùng rất hẹp của toàn bộ dải sóng điện từ đặc biệt vùng hồng ngoại trung đƣợc phát ra từ mô-tơ, động cơ đang hoạt động, và vùng hồng ngoại xa bức xạ từ thân thể động vật và ngƣời ngày càng đóng một vai trò quan trọng 1.1.2 Sự bức xạ hồng ngoại và nhiệt... điện dung của tụ điện, qua đó chuyển thành tín hiệu đọc 1.2.3 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn Loại này cần làm lạnh bằng Nitrogen hoặc He Thí dụ nhƣ dựa trên các chất bán dẫn nhƣ PbS, PbSe, hoặc bán dẫn vùng cấm hẹp nhƣ InSb, HgCdTe Chất bán dẫn là một chất rắn dạng tinh thể hoặc vô định hình mà độ dẫn điện nằm ở giữa mức dẫn và cách điện và có thể thay đổi đƣợc nhờ nhiệt... lên nữa) 1.2.3.2 Hiệu ứng quang điện Cũng tƣơng tự nhƣ trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo ra các hạt tải tự do là điện tử và lỗ trống trong vật liệu bán dẫn Tuy nhiên số hạt tải này không dàn khắp phiến bán dẫn nhƣ ở linh kiện quang dẫn mà chỉ tập trung ở vùng tiếp xúc p-n (vùng nghèo) có độ dày cực mỏng (cỡ vài nm) Do đó linh kiện loại này ngoài ƣu điểm có tốc độ đáp ứng quang điện rất... biến cho vùng hồng ngoại hiện đại Ngày nay đã có hàng nghìn loại đầu thu hồng ngoại khác nhau đƣợc sử dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống con ngƣời Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau: 1.2.1.1 Theo các hiệu ứng vật lý trong các loại vật liệu chế tạo Ở đây gồm các nhóm chính sau: a Các hiệu ứng nhiệt điện (không cần làm lạnh): Cụ thể sự tăng nhiệt độ sẽ 8 làm thay đổi độ dẫn điện (bolometer),... hƣởng) 1.2.3.1 Hiệu ứng quang dẫn Các photon của bức xạ hồng ngoại sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống trong bán dẫn thuần (không pha tạp) Nếu đặt một điện áp một chiều (bias) vào hai đầu tấm bán dẫn, ta có thể quan sát thấy sự thay đổi điện trở của nó theo thông lƣợng dòng photon ánh sáng chiếu vào nhờ đo dòng điện chạy qua Lúc đầu, khi chƣa chiếu sáng thì không có dòng điện chỉ thị (độ dẫn =0) Khi... động của tất cả các thiết bị quang điện tử là 2 hiệu ứng sau: - Sự hấp thụ photonđể tạo ra cặp điện tử lỗ trống Các hạt tải linh động tạo bởi hấp thụ có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu Thí dụ hiệu ứng quang dẫn là nguyên lý làm việc của tất cả các đầu thu quang điện bán dẫn - Sự tái hợp của điện tử và lỗ trốngđể tạo ra phát xạ photon Thí dụ các nguồn sáng bán dẫn nhƣ LED (tái hợp tự phát) . chọn nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn InSb trong dải sóng hồng ngoại . 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cơ chế quang điện. - Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn trong bán dẫn. (ferroelectric)… b. Các hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn. Cụ thể: - Hiệu ứng quang dẫn (photoconductor): quang trở hồng ngoại. - Hiệu ứng quang điện (photovoltaic) - Hiệu ứng Josephson (rào. biến hồng ngoại Chƣơng 2 .Nghiên cứu cơ chế quang dẫn trong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại (