■ *• 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 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 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 i Tác giả luận văn 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 vi 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|j,m qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76|j,m vùng hồng ngoại gần xa 100|4.m. Con mắt người cảm nhận hình ảnh vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 đến 0,76 Ịim. Đây vùng hẹp toàn dải sóng điện từ đặc biệt vùng hồng ngoại trung phát từ mô-tơ, động hoạt 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 tín h 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 RS485 Truyền thông ỳ USB Hình 4.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển trung tâm 4.2.1.3 Thiết kể sơ đồ nguyên lý 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 đáp ứng quan trọng có tích họp đầy đủ khối truyền thông, khối analog (ADC, khuếch đại .)■ Hình 4.4. Mạch driver cho RS-485 USB b) Khối truyền thông - Mạch điều khiển có khả kết nối vói mạch điều khiển khác theo chuẩn RS-485 vói 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, khối 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. r \ r 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 sổ a) Thông số 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 y r Hình 4.8.Sơ đô khôi mạch điêu chê tân sô băm c) 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: > > r r 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 kế 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 kể mạch sổ 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 c) 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 sế D* cho mẫu quang dẫn InSb nhiệt độ thấp Buócsóng, Ầ (um) Hĩnh 4,12.Năng suất phát riêng D* đầu thu InSb - 19ữc Buóc sóng, Ả (Ịim) Hình 4.13.Năng suất phát riêng Đ* đầu thu ỉnSbở -17’ơ*c 7x1»"- a -150 c 11 gíxlữ ^T5X1Q1hH [...]... chế làm việc của một CCD đơn sắc (đen/ừắng) gầm ba giai đoạn sau: a) Sản sinh hạt tải: Các photon ánh sáng đập vào bề mặt nhạy quang của mỗi pixel sẽ tạo ra các điện tử tư do (hạt tải) trong vùng chuyển tiếp (vùng nghèo) của photodiode b) Tích trữ hạt tải: Các hạt tải này được giam giữ trong các giếng thế năng (potential well) được hình thành bằng cách đặt vào các điện áp dương.Giếng nàycó các rào chắn... 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 Độ nhạy phổ của từng loại vật liệu phụ thuộc vào bước sóng bức xạ hồng ngoại Ngoài ra độ nhạy của từng đầu thu còn phụ thuộc vào các nhiệt độ khác nhau, nhất là các đầu... dựa trên hiệu ứng quang dẫn Các đầu thu loại này còn được phân ra theo các họ sau đây 1 Photodode, photo transistor Khi năng lượng photon ánh sáng hồng ngoại đập vào đầu thu lớn hơn hay bằng năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn, nó sẽ tạo ra các hạt tải tự do sơ cấp trong vùng tiếp giáp p-n của photodiode Bằng các mạch khuếch đại thích họp giá ừị của dòng điện sẽ được chỉ thị .Các đầu thu này làm việc... ) 1 2 Hình 1.1 Phổ phát xạ của vật đen Nhiệt độ vật càng cao thì năng lượng bức xạ đính được phát ra ở các bước sóng ngắn hơn càng lớn Qua đó ta thấy: Hình 1.1 chỉ ra quan hệ của các phân bố bức xạ nhiệt được phát ra từ 1 vật đen tuyệt đối trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của vật theo bước sóng - Vật có nhiệt độ 6000K (thí dụ: mặt trời, đèn dây tóc) sẽ phát ra phổ cực đại ở bước sóng màu xanh 0,53 [xm... trước hiện tượng giác loạn không khí cho nên có thể quan sát được các vật thể ở cự ly rất xa (vài chục km) 6 Vùng hồng ngoại xa hay vùng ảnh nhiệt có bước sóng từ 15 đến 1000/jm Các đầu thu ở vùng này thường hoạt động theo nguyên lý giếng lượng tử được làm lạnh ở nhiệt độ He lỏng OK Chúng chủ yếu được dùng cho các ống kính giám sát trái đất từ vệ tinh hoặc các kính thiên văn vũ trụ Hai vùng cửa sổ khí... mảng 240x320 pixel với các pixel V02 vuông 50 Ịim cho độ phân giải nhiệt độ NETD trung bình là 8,6 mK Các đầu thu microbolometer do hãng Mitsubishi (Nhật) sản xuất không sử dụng các yật liệu truyền thống như các hãng của Mỹ mà là các chất bán dẫn p-n diode Tuy chưa thể so sánh được với các hãng của Mỹ nhưng các vật liệu tiến tiến này cũng hưa hẹn những triển vọng ứng dụng to lớn trong dân sự 1.3.2 Pyroelectric... 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 trổngâể tạo ra phát xạ photon Thí dụ các nguồn sáng bán dẫn như LED (tái hợp tự phát) và laser (tái hợp cộng 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... Hình 1.5Năng suất phát hiện riêng D* của một sổ vật liệu chế tạo đầu thu IR 1.2.4.3 Tỉnh đồng đều của đầu thu và dải động của cảm biển Do công nghệ chế tạo, độ nhạy của các pixel trong 1 đàu thu hồng ngoại dạng ma trận là không như nhau và được đo lường bằng độ lệch chuẩn (%) Điều này ảnh hưởng đến chất lượng tạo ảnh và dải động của đầu thu 1.2.4.4 Định dạng và kiến trúc của đầu thu Có 2 phương pháp... đây các điện tử photon có thể thoát khỏi các giếng lượng tử để hòa nhập vào dòng chuyển hạt tải mà không thông qua hiệu ứng xuyên hầm Kết quả thiên áp cần thiết để thu thập các điện tử được giảm đáng kể, qua đó giảm luôn được dòng tối (giảm nhiễu nhiệt) b QWIPdang truyền tải đến vùng năng lượng cực tiểu (miniband transport).ở đây Các hạt tải tự do được tạo ra qua sự hấp thụ photon hồng ngoại trong các. .. chinh độ nhạy phổ 1.2.2.3 Đâu thu thermistor và micro-bolometer Các thermistor hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ Tín hiệu ra được chỉ thị theo 2 cách: Theo hiệu điện thế hoặc theo dòng điện Một đầu thu microbolometer là một trường 2 chiều các vi thermistor Những tiến bộ có tính cách mạng ừên lĩnh vực vi điện tử và MEMS đã cho phép tạo ra các mạch đọc tích hợp ngay trên các phiến bolometer . chất bán dẫn, nó sẽ tạo ra các hạt tải tự do sơ cấp trong vùng tiếp giáp p-n của photodiode. Bằng các mạch khuếch đại thích họp giá ừị của dòng điện sẽ được chỉ thị .Các đầu thu này làm việc ở. trình nghiên cứu của tôi cùng nhóm nghiên cứu .Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố ttong bất kỳ công trình nào khác. LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn Cao Thi Minh. ra ở các bước sóng ngắn hơn càng lớn. Qua đó ta thấy: Hình 1.1 chỉ ra quan hệ của các phân bố bức xạ nhiệt được phát ra từ 1 vật đen tuyệt đối trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của vật theo bước