Ứng dụng CdS trong quang điện trở

P1 : Tổng quan CdS P2 : Tính chất quang điện của màng mỏng CdS P3 : Quy trình tạo màng mỏng CdS P4 : Màng mỏng CdS trong quang trở P5 : Kết luận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Vật Lý Kỹ Thuật Báo cáo Vật liệu quang điện tiên tiến Đề tài : Ứng dụng CdS Quang điện trở  Nội Dung  P1 : Tổng quan CdS  P2 : Tính chất quang - điện màng mỏng CdS  P3 : Quy trình tạo màng mỏng CdS  P4 : Màng mỏng CdS quang trở  P5 : Kết luận 1) TỔNG QUAN CdS o Cơ Cadmium Sulphide ( CdS)  Hợp chất vô với công thức CdS  CdS chất rắn màu vàng, không tan nước  Trong tự nhiên tồn loại khoáng vật greenokite hawleyite  CdS chất bán dẫn thuộc nhóm II-VI, thường có độ rộng vùng cấm ΔEg = 2,42 eV 25˚C (ΔEg thay đổi số TH khác)  Ở kích thước “nm” CdS có nhiều tính chất đặc biệt Hình Cấu trúc CdS CdS dạng bột o Cơ Cadmium Sulphide ( CdS) Hình Ơ đơn vị cấu trúc wurtzite lục giác [10] Hình Ơ đơn vị cấu trúc giả kẽm cubic[10] - CdS thường tồn dạng thù hình wurtzite lục giác lập phương giả kẽm - Theo kết nghiên cứu ([2][3][4]), đa số màng CdS có: + Độ hấp thụ cao ánh sáng khả kiến -1 (Hệ số hấp thụ α lớn khoảng 10 cm [3]) + Hệ số truyền qua (T%) lớn bước sóng từ đỏ đến dải hồng ngoại → Nhạy quang với ánh sáng khả kiến, phù hợp với ƯD cảm biến quang o Tiềm ứng dụng  CdS có nhiều ứng dụng dạng màng mỏng  Màng mỏng CdS phát triển từ nửa sau TK 20 ngày trở nên quan trọng đối tượng nghiên cứu chuyên sâu vùng cấm thẳng làm cho vật liệu phù hợp làm vật liệu cửa sổ cho pin mặt trời cấu trúc dị thể  Hệ số hấp thụ cao, hiệu chuyển đổi hợp lý, ổn định chi phí thấp  CdS vật liệu đầy tiềm ứng dụng cho thiết bị điện tử o  Tiềm ứng dụng Có nhiều ứng dụng thiết bị nhạy quang, nhạy quang điện hay cảm biến ánh sáng CdS như: + Transistor hiệu ứng trường, + Làm lớp cửa sổ Pin mặt trời CdTe-CdS + Các photodetector, Bề mặt phủ màng CdS + Các tế bào quang điện, quang điện trở …  Bài thuyết trình chủ yếu tập trung : Ứng dụng CdS Quang điện trở (photoresistor) Hình Các loại quang trở sử dụng màng CdS làm lớp quang dẫn o Cơ quang điện trở - Quang trở (Photoresistor) linh kiện hoạt động dựa tượng quang điện trong, có điện trở thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào thay đổi + Quang điện tượng điện tử liên kết vật chất hấp thụ NL photon tới, bị kích thích trở thành điện tử tự vật liệu + Khi chiếu sáng với bước sóng thích hợp, cường độ photon tới tăng làm tăng số điện tử tự sinh ra, làm giảm điện trở vật liệu - Nó cịn gọi photoconductor, điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR), photocell (tế bào quang) mắt điện - Nhiều loại photoresistors phát triển, phục vụ loạt sử dụng + Các tế bào quang trở CdS sử dụng đèn đường, đồng hồ ánh sáng máy ảnh, báo động an ninh,… - Quang trở làm chất bán dẫn có điện trở suất phù hợp với nhu cầu sử dụng o Cơ quang điện trở • Có hai loại Quang trở: + Photoresistor bán dẫn thuần: điện trở suất tương đối cao Sử dụng vật liệu quang dẫn liên quan đến kích thích hạt mang điện từ dải hóa trị tới dải dẫn + Photoresistor bán dẫn pha tạp: điện trở suất nhỏ bán dẫn Sử dụng vật liệu quang dẫn liên quan đến kích thích hạt tải mức tạp chất với dải hóa trị dải dẫn Nó địi hỏi chất pha tạp khơng bị ion hóa có ánh sáng → Để hiểu ƯD CdS quang trở, ta khảo sát tính chất quang - điện liên quan Tính chất quang – điện màng mỏng CdS 10  Tạo màng CdS  Bước 4: Ủ nhiệt 1h  Màng mang ủ để loại bỏ dung môi chất hữu dư  Nhiệt độ ủ thông số ảnh hưởng đến đặc tính cấu trúc màng o Theo báo cáo Bangaru [3], màng CdS chế tạo thành công với phương pháp o o Độ truyền qua T(%) cực đại 650 nm Độ hấp thụ lớn A(%) 310 nm → Có thể nhạy với phổ ánh sáng ban ngày (Độ dày màng chưa xác định xác ([3])) Hình 12 Phổ đo độ truyền qua màng CdS ủ 300˚C 1h [3] Hình 13 Các phổ đo độ hấp thụ màng CdS ủ 300˚C 1h [3] 28  Tạo màng CdS Hình 14 Các đáp ứng quang màng CdS lắng đọng 10 lớp, ủ 300˚C Hình 15 Các đáp ứng quang màng CdS lắng đọng lớp, ủ 300˚C 1h, nguồn sáng 100W chiếu ánh sáng khả kiến [3] 1h, nguồn sáng 100W chiếu ánh sáng khả kiến [3] → Có thể thấy màng 10 lớp có tốc độ đáp ứng nhanh màng lớp 29  Tạo màng CdS o Độ nhạy quang thay đổi điên trở màng từ chưa chiếu sáng (tối) đến chiếu sáng [3] o Sensitivity (%)= (Rd – Ri)/ Ri + Rd : Điện trở tối + Ri: Điện trở chiếu sáng → Màng 10 lớp nhạy màng lớp khoảng 1.2 lần Hình 16 Độ nhạy quang màng CdS lắng đọng 10 lớp lớp, ủ 300˚C 1h, thay đổi điện áp V đặt vào màng [3] 30  Xử lý màng CdS đế quang trở  Khi ứng dụng vào quang trở, màng CdS thường tạo hình zig zag hình 17b  Quy trình tạo hình thực phương pháp in mask, theo lớp keo nhựa dẫn điện phủ lên bề mặt màng CdS Phun phủ nhựa keo mask Màng CdS đế gốm a) b) c) Hình 17: a) Sự phun phủ nhựa keo dẫn điện lên bề mặt màng CdS tạo hình zig-zag b) Bề mặt quang trở sau tạo hình zig-zag ƯD c) Cấu trúc nhìn từ mặt bên quang trở Quang trở 31 Màng mỏng CdS quang trở 32  Cấu tạo quang trở  Cấu trúc chung Quang trở sử dụng lớp bán dẫn hoạt động lắng đọng bề mặt cách điện + Chất BD thường pha tạp nhẹ để có độ dẫn điện yêu cầu → Màng CdS 10 lớp chế tạo phần ƯD + Tạo tiếp xúc bên  Để đảm bảo thay đổi điện trở chiếu ánh sáng, điện trở tiếp xúc giảm thiểu → Vùng xung quanh tiếp điểm thường pha tạp nhiều để giảm trở kháng vùng  Trong nhiều trường hợp, vùng hai tiếp xúc dạng zig zag → Tối đa hóa diện tích tiếp xúc → Làm giảm mức trở kháng tạp tăng khuếch đại Hình 18 Một dạng cấu trúc photoresistor [12] 33  Nguyên lý hoạt động quang trở - Điện trở quang trở giảm mạnh chiếu mạnh - Điện trở tối (khi không chiếu sáng - bóng tối) thường 1MΩ, trị số giảm nhỏ 100 Ω chiếu sáng mạnh Hình 19 Sự biến thiên trở kháng theo cường độ ánh sáng chiếu tới [12] 34  Nguyên lý hoạt động quang trở - Khi ánh sáng chiếu vào bán dẫn làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn - Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon hấp thụ, từ điện trở thay đổi - Màng mỏng CdS dùng làm lớp bán dẫn quang trở nhờ ưu điểm chính: + Có phổ hấp thụ gần với phổ ánh sáng mặt trời + Công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ phổ biến - Theo quy trình chế tạo nêu (mục 3), màng mỏng CdS sử dụng: + Có độ dày cỡ 1,2 – 1,5 μm, + Làm việc với nhiệt độ đế ~ 20– 40 C + Đỉnh hấp thụ cỡ 540 nm Hình 20 Phổ hấp thụ CdS (trái) [12] & Quang trở CDS 12mm dùng màng mỏng CdS (phải)[11] 35 35  Sản phẩm quang trở thực tế          Hình 21 Quang trở CDS 5mm PGM5526[11] Vmax(VDC) 150 V Pmax = 90mW Giá trị đỉnh Spectrum: 540 nm Kháng ánh sáng (10Lux): ~ 20 (KΩ) kháng Dark: (MΩ) o Nhiệt độ môi trường : -30 ~ +70   C Thời gian đáp ứng (ms): Tăng: 20ms Giảm: 30ms 36  Mạch nhận biết ánh sáng ứng dụng quang trở o Đèn LED sáng lên cường độ ánh sáng đạt đến điện trở LDR1 đủ o Biến trở 10K sử dụng để thiết lập ngưỡng đèn LED bật o  Khi khơng có ánh sáng điện trở LDR1 là vô lớn => Q1 không dẫn => Q2 dẫn => LED D1 sáng o Ngược lại có ánh sáng trở kháng LDR1 giảm xuống nên có dịng chạy qua => Q1 dẫn => Q2 khơng dẫn => LED D1 tắt Hình 22 Mạch LDR bật đèn trời tối dùng quang trở CdS[13] 37 Kết luận 38 Kết luận • CdS vật liệu nhạy quang, ứng dụng phổ biến vật liệu CdS dạng màng mỏng • Trong quang điện trở, CdS màng mỏng với kích thước cỡ μm Theo báo cáo Dr.W.F Mohammed cộng [1], màng mỏng hoạt động hiệu độ dày 12μm (với diện tích bề mặt) • Màng CdS có nhiều ưu điểm tính chất hấp thụ, điện trở suất tối, giá rẻ, công nghệ chế tạo tương đối đơn giản • Có nhiều cơng nghệ chế tạo màng CdS, phương pháp sol-gel kết hợp quay phủ phương pháp đơn giản hiệu mặt kinh tế • Tuy nhiên, trình sản xuất đời sống cần lưu ý đến an toàn sức khỏe xử lý Cadimin (Cd) 39 Kết luận + Điện trở suất tối phù hợp + Độ nhạy cao với phổ ánh sáng mặt trời Quang điện trở màng CdS + Công nghệ chế tạo đơn giản + Giá rẻ + Độ đáp ứng cao với màng đa lớp + Đã phổ biến thị trường 40 Tài liệu tham khảo 1.THE PHOTO-ELECTRIC AND THERMAL PROPERTIES OF VACUUM DEPOSITED CdS THIN FILMS, Dr.W.F Mohammed and Mr.A.M.Nory Elect.Eng.Dept., college of Eng., Mosul University, Mosul, IRAQ Renewable Energy, Vol 14, Nos 1-4, pp 129-134, 1998 Structural and Optical Properties of CdS Thin films for the Solar Cell Applications , CH Ashok, K Venkateswara Rao, CH Shilpa Chakra, K Ganapathi Rao , ATOM-2014, IJSR Cadmium Sulfide (CdS) Based Thin Films for Photo Sensing Application, Bangaru Ravi Kumar,Dr Samir Ranjan Meher, e-ISSN: 2278-4861.Volume 8, Issue Ver II (Jul - Aug 2016), PP 47-55 Influence of thickness and substrate temperature on electrical and photoelectrical properties of vacuum-deposited CdSe thin films, D Pathinettam Padiyan, A Marikani, K.R Murali Materials Chemistry and Physics 78 (2002) 51–58 THE ENERGY BAND GAP OF CADMIUM SULPHIDE, F Boakye and D Nusenu, Solid State Communicatiom, Vol 102, No 4, pp 323-326,1997 Cadmium Sulfide (CdS) Based Thin Films for Photo Application, Bangaru Ravi Kumar,Dr Samir Ranjan Meher 7, Slide : “TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL”- ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH http://www.mtixtl.com/bandgap-semiconductor.aspx https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8407 10 https://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium_sulfide 11 https://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor 12.http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Photoresistor 13.http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/ldr/light_dependent_resistor.php 14.https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight 15.http://mualinhkien.vn/san-pham/745/quang-tro-cds-5mm-cam-bien-anh-sang-5mm.html 41 42 ... CdTe -CdS + Các photodetector, Bề mặt phủ màng CdS + Các tế bào quang điện, quang điện trở …  Bài thuyết trình chủ yếu tập trung : Ứng dụng CdS Quang điện trở (photoresistor) Hình Các loại quang. .. (photoresistor) Hình Các loại quang trở sử dụng màng CdS làm lớp quang dẫn o Cơ quang điện trở - Quang trở (Photoresistor) linh kiện hoạt động dựa tượng quang điện trong, có điện trở thay đổi cường độ ánh... tính chất quang - điện liên quan Tính chất quang – điện màng mỏng CdS 10 Tính chất quang – điện màng mỏng CdS  Tính quang – điện màng CdS ƯD quang trở đánh giá cường độ dòng quang điện (I ph) sinh