Nghiên cứu xây dựng hệ đo các đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại ở nhiệt độ phòng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC - Đoàn Thị Việt Ánh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG DẪN VÙNG HỒNG NGOẠI Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG Chuyên ngành: Mã số: Quang học 8.44.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Văn Thìn Thái Nguyên - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu tác giả khác Các thơng tin, tài liệu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc TÁC GIẢ CỦA LUẬN VĂN Đoàn Thị Việt Ánh i LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến thầy giáo - TS Phạm Văn Thìn, người nhận em làm đề tài có bảo, hướng dẫn sâu sát suốt trình làm luận văn em Trong trình học tập nghiên cứu Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, em nhận quan tâm sâu sắc giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo, cô giáo, cán khoa học, cán phòng ban chức trường Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất giúp đỡ quý báu Em xin chân thành cảm ơn thầy cô, tập thể cán Bộ mơn Vật lý, Khoa Hóa - Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện cho em suốt thời gian em làm thí nghiệm trường Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đến Ban giám hiệu bạn bè đồng nghiệp Trường THPT Vĩnh Bảo, Hải Phịng, ln động viên, tiếp thêm động lực tạo điều kiện thời gian cho tơi q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn HỌC VIÊN Đoàn Thị Việt Ánh ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG .vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng quang dẫn 1.1.1 Các q trình kích thích quang bán dẫn 1.1.2 Phương trình hiệu ứng quang dẫn 1.2 Các thông số đặc tuyến cảm biến quang dẫn 1.2.1 Độ nhạy tích phân 10 1.2.2 Điện áp nhiễu (ồn) .10 1.2.3 Ngưỡng nhạy .13 1.2.4 Thời gian đáp ứng 14 1.2.5 Điện trở 14 1.2.6 Đặc tuyến phổ 15 1.2.7 Đặc tuyến tần số 17 1.2.8 Đặc tuyến lượng 18 1.2.9 Đặc tuyến điện áp 19 1.2.10 Phổ nhiễu 19 CHƯƠNG THIẾT LẬP HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG QUANG DẪN VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN 20 2.1 Bài toán xạ phép đo 20 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ đo 22 2.2.1 Nguồn cấp Bias 22 2.2.2 Nguồn hồng ngoại .23 2.2.3 Bộ điều biến quang 23 2.2.4 Bộ khuếch đại lọc tần 24 iii 2.2.5 Thiết bị hiển thị 24 2.3 Phân tích chi tiết thiết bị sử dụng hệ đo 25 2.3.1 Khối nguồn cung cấp điện 25 2.3.2 Khối nguồn phát hồng ngoại .25 2.3.3 Bộ điều biến quang 28 2.3.4 Khối cảm biến 30 2.3.5 Khối khuếch đại tín hiệu lọc tần số 31 2.3.6 Khối hiển thị 36 2.3.7 Thiết bị nguồn - máy đo Keithley 2612A .38 2.4 Một số sơ đồ đo 40 2.4.1 Sơ đồ đo điện trở mẫu quang trở 40 2.4.2 Sơ đồ đo độ nhạy điện áp suất phát .41 2.4.3 Sơ đồ phân tích nhiễu 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 3.1 Khảo sát hoạt động khối thiết bị 43 3.1.1 Hoạt động khối nguồn điện 43 3.1.2 Hoạt động nguồn vật đen tuyệt đối .44 3.1.3 Hoạt động điều biến quang 46 3.1.4 Hoạt động khối khuếch đại 48 3.1.5 Hoạt động khối thị 49 3.2 Khảo sát số đặc trưng quang trở hồng ngoại PbS 50 3.2.1 Khảo sát điện trở quang trở 50 3.2.2 Khảo sát đặc tuyến V-A quang trở 52 3.2.3 Xác định độ nhạy điện áp quang trở 53 3.2.4 Khảo sát phổ nhiễu hệ đo nhiễu quang trở .54 3.2.5 Xác định suất phát quang trở 58 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .61 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các q trình kích thích quang bán dẫn Hình 1.2 Vùng phổ làm việc số vật liệu quang dẫn Hình 2.1 Mơ hình kích thích hiệu ứng quang dẫn hồng ngoại .21 Hình 2.2 Phân bố xạ theo định luật Lambert 21 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ đo 22 Hình 2.4 Phổ phát xạ vật đen tuyệt đối 23 Hình 2.5 Một số dạng đĩa điều biến 23 Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát mạch khuếch đại 24 Hình 2.7 Vật đen Newport 67031 25 Hình 2.8 Cấu tạo vật đen tuyệt đối 26 Hình 2.9 Bộ điều biến quang SR540 29 Hình 2.10 Khối cảm biến 30 Hình 2.11 Nguyên lý tiền khuếch đại dải rộng 31 Hình 2.12 Bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560 .32 Hình 2.13 Bộ khuếch đại lock-in SR830 33 Hình 2.14 Máy sóng MDO3012 36 Hình 2.15 Giao diện phần mềm Open Choice Desktop .38 Hình 2.16 Thiết bị Keithley 2612A 38 Hình 2.17 Giao diện lập trình điều khiển thiết bị Keithley 2612A 39 Hình 2.18 Các thiết bị hệ đo 40 Hình 2.19 Sơ đồ đo điện trở sáng, điện trở tối .40 Hình 2.20 Sơ đồ đo độ nhạy điện áp suất phát .41 Hình 2.21 Sơ đồ phân tích nhiễu 42 Hình 3.1 Khảo sát điện áp nguồn cung cấp cho khối cảm biến 44 Hình 3.2 Thời gian thiết lập nhiệt độ nguồn 46 Hình 3.3 Sự ổn định tần số điều biến theo thời gian 47 v Hình 3.4 Giao diện máy sóng MDO3012 .49 Hình 3.5 Điện trở mẫu M1 50 Hình 3.6 Điện trở mẫu M2 51 Hình 3.7 Khảo sát lão hóa điện trở mẫu 51 Hình 3.8 Đặc trưng V-A quang trở 52 Hình 3.9 Điện áp lối khuếch đại 53 Hình 3.10 Sự phụ thuộc độ nhạy điện áp vào nhiệt độ nguồn 54 Hình 3.11 Phổ nhiễu hệ đo .55 Hình 3.12 Phổ nhiễu mẫu M1 56 Hình 3.13 Phổ nhiễu mẫu M2 57 Hình 3.14 So sánh độ ồn (nhiễu) số mẫu quang trở .57 Hình 3.15 Sự phụ thuộc suất phát vào nhiệt độ nguồn 58 Hình 3.16 Các mẫu quang trở nhóm nghiên cứu chế tạo 59 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật vật đen 27 Bảng 2.2 Tính nguồn vật đen 28 Bảng 2.3 Tính kỹ thuật điều biến .29 Bảng 2.4 Tính tiền khuếch đại dải rộng SR560 32 Bảng 2.5 Tính khuếch đại Lock-in SR830 .34 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật máy sóng MDO3012 37 Bảng 3.1 Kết kiểm tra độ xác nhiệt độ nguồn .44 Bảng 3.2 Độ ổn định nhiệt độ nguồn theo thời gian 45 Bảng 3.3 Kết kiểm tra độ xác tần số điều biến 47 Bảng 3.4 Kết kiểm chuẩn độ xác Lock-in SR830 48 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt BB BlackB IR Infrare VIS VISibl UV UltraV SWIR Short W MWIR Medium LWIR Long W RT Room PMT PhotoM PID Propor PLL Phase- viii Hình 3.7 Khả o 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 thuyết vùng điện C-ờng độ dòng điện (mA) ỏp nh, cha t n vùng bão hịa dịng quang điện Hình 3.8 Đặc trưng V-A quang trở 52 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; khong cỏch t Điện áp lối khuếch ®¹i (V) nguồn phát tới mẫu 40 cm; tần số điều biến 800 Hz 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 dòng quang trở, thấy rõ ràng độ nhạy điện áp quang trở M lớn nhiều lần so với quang trở M 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 ca mt s nh sn xut [18,19] 53 Độ nhạy ®iƯn ¸p Su (kV/W) 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 không xuất đỉnh biên độ tín hiệu nhiễu lớn ảnh hưởng tới phép đo thông số nhiễu quang trở hồng ngoại 54 Tû số biên độ (dB) -90 -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 20 Tỷ số biên độ tín hiệu (dB) -20 -40 -60 -80 -100 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 M 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 M nhỏ Sự khác biệt phổ độ lớn tín hiệu nhiễu cho thấy bước tiến lớn công nghệ chế tạo hai quang trở việc giảm ảnh hưởng nhiễu 56 Tỷ số biên độ tín hiệu(dB) -20 -40 -60 -80 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 log[Un(V)^2] quang trở nước ngồi sản xuất 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 khơng 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 M vi1, Mvi2, Mvi3 Năng suất phát ( 9W -1 Hz 1/2 cm) Mru vào nhiệt độ nguồn hồng ngoại thể Hình 3.15 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 M ru đạt giá trị 4.10 (W 1/2 -1 - 1/2 Hz cm) 500 K tăng dần đạt giá trị 6,37.10 (W Hz cm) 900 K, cực đại suất phát quang trở M ru 1,42.10 10 -1 1/2 (W Hz cm) 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 M ru, 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, q 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 thơng 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: ... LẬP 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 trị quan trọng việc nghiên cứu, khảo sát tính chất vật liệu quang dẫn