Luận văn nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn insb trong dải sóng hồng ngoại

■ *• Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐAI HOC sư PHAM HÀ NÔI • ••• CAO THỊ MINH HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb TRONG DẢI SÓNG HÒNG NGOẠI • ■ LUẬN VĂN THẠC Sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐAI HOC sư PHAM HÀ NÔI ••• *• • ••• HÀ NỘI - 2014 CAO THỊ MINH HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb TRONG DẢI SÓNG HÒNG 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 bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thày cô giáo, người dìu dắt, dạy dỗ suốt thòi gian qua. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến tận tình hướng dẫn, bảo ttong 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 hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Học viên Л Cao Thị Minh Hiên Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu nhóm nghiên cứu.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố ttong công trình khác. LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn s Cao Thi 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 lượng tử photodetector ROIC Readout integration cỉcuit Mạch đọc tín hiệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1. Lý chọn đề tài Vào đàu năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử đòi, bắt đầu xác định chỗ đứng vững giữ vai ttò định lĩnh vực phát triển hệ thống thông tin quang ttong tương lai. Chúng phần tử quan trọng ngành kỹ thuật truyền tin, đo lường, điều khiển tự động, .Trong linh kiện đó, quang trở linh kiện thu quang có nhiều ứng dụng khoa học công nghệ, ừong đòi sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt cường 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 tượng hấp thụ, khí ừái đất cho sóng ánh sáng (là dạng sóng điện từ) truyền qua số vùng phổ định gọi vùng cửa sổ khí (atmosphere window). Đối với vùng người ta phải chế tạo loại cảm biến riêng vật liệu truyền qua thích hợp. Cụ thể: - Vùng nhìn thấy có bước sóng X = 0,4 đến 0,75 |xm sử dụng cảm biến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt tròi ống kính từ thủy tinh quang học thông thường. - Vùng hồng ngoại gần (X, = 0,8 đến l,8^im) sử dụng đầu thu PbS, PbSe, ma trận CCD sở vật liệu GaAs ống kính cửa sổ từ tinh thể thạch anh, saphừe . - Vùng hồng ngoại (À- từ đến 6jj,m) có vai trò quan trọng khoa học kỹ thuật YÌ tất đông máy móc, ô tô, tàu thủy thể người phát xạ bước sóng này. Cảm biến sử dụng quang trở ma trận ảnh CCD làm từ vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb, GaSb, AlSb hoạt động nhiệt độ ni-tơ lỏng (-196°C). Chính khuôn khổ luận văn lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu hiệu úng quang dẫn InSb dải sóng hồng ngoại”. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu chế quang điện. - Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn ttong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng hồng ngoại(À, từ 0,35 đến 0,85um) nhiệt độ -196°c. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan linh kiện quang trở. - Nghiên cứu phương phápchế tạo mẫu, xây dựng hệ đo suất phat riêng D*của bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng hồng ngoại (À, từ đến um) nhiệt độ -196°c. 4. Đổi tượng, phạm vỉ nghiên cứu - Vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb có làm lạnh nhiệt độ ni-tơ lỏng (-196°C). - Công nghệ: + Bốc bay chân không tạo màng. + ủ nhiệt. 5. Phương 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* hướng chế tạo linh kiện quang dẫn nhạy vùng hồng ngoại (k từ đến 6fim) nhiệt độ -196°c đưa vào ứng dụng ttong kỹ thuật. Luận án tốt nghiệp bao gồm phần sau: NỘI DUNG Chương 1. Tồng quan cảm biến hồng ngoại Chương 2.Nghiên cứu chế quang dẫn bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại (Ắ từ đến um) Chương 3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb Chương 4. Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo D*, kết đo KẾT LUẬN ■ NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VÈ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 1.1Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại 1.1.1 Phổ sóng điện từ Ánh sáng 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 sóng vô tuyến điện, bước sóng ngắn lượng lớn Hình 1.1 Chỉ vùng bước sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại có bước sóng 1. đến 0.35|Ш1 qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76|Ш1 vùng hồng ngoại gần xa 100|Ш1. Con mắt người cảm nhận hình ảnh vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 đến 0,76 |Ш1. Đây vùng hẹp toàn dải sóng điện từ đặc biệt vùng hồng ngoại trung phát từ mô-tơ, động hoạt động, vùng hồng ngoại xa xạ từ thân thể động vật người ngày đóng vai trò quan trọng. 1.1.2 Sự xạ hồng ngoại nhiệt lượng tử Bức xạ hồng ngoại sóng điện từ có bước sóng nằm khoảng từ 1, 75 |Ш1 tới 100 Jj,m(ứng với lượng tương đương từ l,65eV đến 1.2meV). Bức xạ hồng ngoại tạo dao động hạt vi mô (nguyên tử) cấu trúc vật chất. Nhiệt độ vật thể cao dao động lớn lượng phát xạ cao. Lý thuyết cho phát xạ dựa mô hình vật đen tuyệt đối. Nó hấp thụ hết tất xạ.Công suất phát xạ w số lượng photon phát p biểu diễn qua công thức phụ thuộc vào nhiệt độ vật đen theo định luật Plane: /1^ Vtf* щ Л ' Т ) = _я^с_[(ар(^)-1] w,r) = ^rЧехр^Н]1 ^ đây: - w có đơn vị w/cm2|j,m p có đơn vị photon/scm2Ịim; - X : bước sóng, - T : nhiệt độ; - h: số Plane; - с: tốc độ ánh sáng - k: số Bolzman. (1.1) (1.2) 4.2.1 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm (mạch sổ ) 4.2.1.1. Yêu cầu thiết kế mạch số Nghiên cứu thiết kế card điều khiển trung tâm đáp ứng tiêu chí sau: - Các đặc tính kỹ thuật mạch điều khiển trung tâm phải thực chức như: thị trạng thái làm việc hình LCD, có phím chức để lựa chọn thông số hoạt động, có cổng kết nối USB vói máy tính, có cổng truyền thông RS-485 để kết nối với mạch điêu khiển ngoại yị khác - Có 02 đầu vào analog: Tiền khuếch đại điều chỉnh từ 4- 1000 lần, ADC 12 bit, nâng cấp lên 15 bit. - Truyền thông xác ổn định chống nhiễu. Má y tính Ghi chú: ---------Tia sáng ---------Tín hiệu điện Hình 4.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý máy đo D* (NEP) ngưỡng nhậy quang trở 4.2.1.2 Nội dung thiết kể mạch số a) Thông số kỹ thuật mạch điều khiển trung tâm Đặc tính kỹ thuật Thông sô kỹ thuật Nguôn cung câp 24 V DC ± 25% -3000 niA Max Chuân trayên thông RS-485, USB Màn hình hiên thị • LCD (4x16) Phím điêu khiên • phím (ENTER, UP, DOWN, EXIT) Đâu vào analog • 02 đâu vào tương tự (0 5VDC) • Tiền khuếch đại điều chỉnh từ 4-100 lần. •• Lỗi ADCtruyền 12 bítthông • Báo nguồn cung cấp LEDs b) Sơ đô khôi Màn hình hiển thị LCD JRUYỀN THÔNG RS-485 Truyền thông 1ỳ USB Hình 4.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển trung tâm 4.2.1.3 Thiết kể sơ đồ nguyên lỷ mạch sổ a) Khối điều khiển trung tâm Thông qua phân tích đặc tính ưu nhược điểm số dòng vi xử lý thị trường. Dòng vi xử lý PSoC phù hợp nhất, tài nguyên, tốc độ đủ dap ling va quan nhat la co tich hgrp day du cac khoi truyen thong, cac Hlnh 4.4. Mach driver cho RS-485 va USB kh6i analog (ADC, khu£ch dai .)■ b) Khối truyền thông - Mạch điều khiển có khả kết nối vói mạch điều khiển khác theo chuẩn RS-485 với máy tính theo chuẩn USB. - Sử dụng dây cáp truyền thông theo chuyên dụng: 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 tương tự: - Số lượng đầu vào: 02 - Tín hiệu vào: 0-^5 VDC - Hệ số khuếch đại: 1-rlOO (có thể tích hợp thêm tần khuếch đại vi xử lỷ để tăng hệ sổ khuếch đại tăng thêm 10 lần, việc phụ thuộc vào trường hợp ứng dụng cụ thể). d) Khối thị LCD, khổi bàn phím chức - Màn hình LCD: Đe hiển thị thông số hoạt động, lựa chọn LCD 4x16, hiển thị 04 dòng dòng có 16 ký tự. - Bàn phím: Bao gồm 04 phím với chức 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 > r Hình 4.6.Sơ đô nguyên lý khôi hình hiên thị bàn phím - Điện áp âm -5 V cấp cho IC khuếch đại đo lường. ĩ > ĩ Hình 4.7.Khôi nguôn ôn áp câp cho mạch điện tử 4.2.2. Thiết kế mạch điều chế tần số băm (mạch số 2) 4.2.2.1 Yêu cầu thiết kế mạch sổ Các đặc tính kỹ thuật mạch điều chế tàn số băm phải thực chức như: 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 kể mạch số a) Thông sổ kỹ thuật Đặc tính kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguôn cung câp 24 V DC ± 25% -3000 mA Max Chuân truyên thông RS-485 Màn hình hiên thị LCD (4x20) Phím điêu khiên phím (ENTER, UP, DOWN, EXIT) Đâu vào analog Điêu chỉnh tôc độ băng tay Tân sô băm (chop) Hz đên kHz (tùy thuộc vào đĩa điêu chê) LEDS Lôi truyên thông Báo nguồn cung cấp b) Sơ đồ khối \ r \ r \ r Hình 4.8.Sơ đô khôi mạch điêu chê tân sô băm с) Thiết kế sơ đồ nguyên lý Các bước lựa chọn linh kiện thiết kế sơ đồ nguyên lý tương tư phần thiết kế mạch điều khiển trung tâm trên. Kết sơ đồ nguyên lý mạch sau: л л гЛ ĩ Hỉnh 4.9.Sơ đô nguyên lý mạch điêu chê tân sô băm 4.2.3 Thiết kế mạch điều khiển góc gương quay (mạch số 3) 4.2.3.1 Yêu cầu thiết kể mạch số Các đặc tính kỹ thuật mạch điều khiển góc gương quay phải thực chức như: điều khiển góc 02 gương quay, đặt tốc độ quay động cơ, có cổng truyền thông RS-485. 4.2.3.2 Nội dung thiết kế mạch số a) Thông sổ kỹ thuật mạch điều khiển góc gương quay Đặc tính kỹ thuật Thông sổ kỹ thuật Nguôn cung câp 24 V DC ± 25% -3000 mA Max Chuân trayên thông RS-485 Điêu khiên động bước 02 động cơ, VDC. LEDS Lôi truyên thông Báo nguồn cung cấp b) Sơ đồ khối \ r y Hỉnh 4.10. Sơ đô khôi mạch điêu khiên góc gương quay с) Thiết kể sơ đồ nguyên lý Các bước lựa chọn linh kiện thiết kế sơ đồ nguyên lý tương tư phần thiết kế mạch điều khiển trung tâm trên. Kết sơ đồ nguyên lý mạch sau: 4.3. Kết đo thông sổ D* cho mẫu quang dẫn InSb nhiệt độ thấp BUDC sóng, Ầ (|im) Hình 4.12,Năng suất phát riêng D* đầu thu InSb - 19ƠC 9x10i” 'Ị 8x1»"7x1ữ"Gxltt11 ’ ị N _L - E o Q Zx10" 1*1»"- I * I • J * ị '—I—■—I—■—r 0, 2.» 2.5 Hình 4.13. Năng suất phát 3.0 1.5 4.0 4.5 Buóc sóng, Ả (Ịim) 5.Ữ 5.5 G.o riêng Đ* đầu thu InSbở - 17ƯC 7x1ữ"- a -150- c g^Cxlữ"ÒT 5x10" H M4X1Ữ,hH Ẽ3*1ữ”o ^2M1D,bH o 1x1ơ”-| [...]... (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 lượng tử 1.2.1.2 Phân loại theo chức năng hoạt động Cụ thể - Đầuthu năng lượng - Cảm biến ma... bức xạ hồng ngoại đi qua Chứng được gọi là cửa sổ khí quyển Tương ứng với từng vùng của sổ này, người ta đã nghiên cứu phát minh ra các chủng loại đầu thu hồng ngoại sau đây: 2 Vùng cận hồng ngoại (NIR) có bước sóng từ 0,78 đến 1 ụ,m: các đầu thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh 3 Vùng hồng ngoại ngắn SWIR có bước sóng từ 1 đến 3fim: đầu thu PbS, PbSe 4 Vùng hồng ngoại trung MWIR có bước sóng từ... trên Đặc biệt là 2 vùng hồng ngoại trung và xa Bảng 1.1 liệt kê các chủng loại đầu thu hồng ngoại Uì 5 < Où_ LL Q o Q (/> 1950 1980 1970 1990 u 1980 Ỗ Hình 1.3 Lịch sử phát triển của các đầuQ hồng ngoại thu É o o cọ cọ Ịá Ịá C L O 1940 * -ọ if) CL c Z ặ 200 « 0 I£ dỉ Ọ >> CỌ CL 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... điện dung của tụ điện, qua đó chuyển thành tín hiệu đọc 1.2.3 Cảm biến dựa trên các hiệu úng quang điện trong chất bán dẫn Loại này cần làm lạnh bằng Nitrogen hoặc He Thí dụ như dựa trên các chất bán dẫn như PbS, PbSe, hoặc bán dẫn vùng cấm hẹp như 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 được nhờ nhiệt... lên nữa) 1.2.3.2 Hiệu ứng quang điện Cũng tương tự như trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo ra các hạt tải tự do là điện tử và lỗ ừống ừong vật liệu bán dẫn Tuy nhiên số hạt tải này không dàn khắp phiến bán dẫn như 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 ưu điểm có tốc độ đáp ứng quang điện rất... động của tất cả các thiết bị quang điện tử là 2 hiệu ứng sau: - Sự hấp thụ photonâể 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 trốngâể tạo ra phát xạ photon Thí dụ các nguồn sáng bán dẫn như LED (tái hợp tự phát)... cho vùng hồng ngoại hiện đại Ngày nay đã có hàng nghìn loại đầu thu hồng ngoại khác nhau được sử dụng ừong mọi lĩnh vực của cuộc sống con người Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau: 1 4 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 1 5 làm thay đổi độ dẫn điện (bolometer),... của đầu thu hồng ngoại Có rất nhiều thông số để đánh giá chất lượng cả một đầu thu hồng ngoại, tuy nhiên ở đây tôi chỉ nêu ra một số quan trọng nhất Đó là: 1.2.4.1 Độ nhạy theo bước sóng và độ phân giải nhiệt độ Một tiêu chuẩn để phân biệt các đầu thu là độ nhạy phổ hồng ngoại, càn phân biệt phạm vi làm việc của các đầu thu: vùng sóng ngắn (SWIR) từ 1 - 3| im; sóng trung MWIR từ 3-5|j,m; sóng dài 8-14|xm... hưởng) 1.2.3.1 Hiệu ứng quang dẫn Các photon của bức xạ hồng ngoại sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống ừong 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 lượng dòng photon ánh sáng chiếu vào nhờ đo dòng điện chạy qua Lúc đầu, khi chưa chiếu sáng thì không có dòng điện chỉ thị (độ dẫn =0) Khi tăng... tạo ảnh và dải động của đầu thu 1.2.4.4 Định dạng và kiến trúc của đầu thu Có 2 phương pháp chế tạo mạch tích họp giữa ma trận đầu thu hồng ngoại và mạch đọc tín hiệu ROIC (readout integration circuit) là: nguyên khối (monolithic) và lai ghép (hybrid) Trong phương pháp monolithic ma trận các đầu thu hồng ngoại và mạch đọc tích họp được cấy ngay trên cùng một chip bán dẫn (phương pháp epỉtaxĩ) Trong phương . tài: Nghiên cứu hiệu úng 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 ttong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải sóng. {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 Chương 2 .Nghiên cứu cơ chế quang dẫn trong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại (Ắ từ 3 đến 6 um) Chương 3 .Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb Chương 4. Nghiên cứu