Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang điện và các tính chất của chúng

Hiệu ứng quang dẫn là hiệu ứng sinh ra các hạt tai quang và do đó làm tăng độ dẫn cúa bán dẫn khi được chiếu sáng, Hiệu ứng quang áp xuất hiện ớ các chất bán dẫn với hàng rào thế bên tro

ĐAI HOC Q U Ố C GIA HÀ NỘI

T R Ư Ờ N G ĐAI HOC K H O A HỌC T ự N H IÊ N

2 Chủ Chì Đề Tài : PG S TS Nguyẻn Thị Thuc Hiển

3 Các Cán Bộ Tham Gia GS Đàm Trung Đon

4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

4.1 Mục tiêu của để tài

Từ các thiết bị có sẩn, rời rạc, xâv dựng được hệ đo phổ quang dẫn có ghép nối với máy tính Phấn mém được soạn tháo sao cho việc sứ dụng được dễ dàng và thuận lợi Hệ do có thế dùng đế do các đặc (rưng phố đặc trưng tần số và tap nội

Tạo các cám biến quang điện như các quang trớ và photodiode từ các vật liệu bán dan

4.2 Nội d u n s imhiên cứu

-Nghiên cứu cái tiến phần mền đế hoàn thiện hơn trong quá trình sứ dụnẹ

-Tạo các quang trớ từ các đon tinh thế CdTe loại n có điện trớ suất cao (10 4 Q m ) và bước đáu c hế tạo m àng bằng phương pháp bốc bay nhiệt trong chán không

-Các photodiode được chế tạo theo hai loai Loại thứ nhất được c hế tạo từ chuvến tiếp p-11 cua hán dán Si và loại thứ hai tạo tiếp xúc kim loại- bán dẫn Au-CdTe loại n

Mục tiêu chù Ỵốu là nghiên cứu các cam biến quang đẽ sứ d ụ n s làm các role q u a n e nen

dã xác định độ nhạy, thời uian quán tính Ngoài ra cũna đã xem xét các tap nội cua các cám bièn Đã nghiên cứu sự phu thuộc cua các thõng số trẽn vào kích thước cám biến SƯ gia công hề mặt, độ pha tạp, trờ tái

5 Các kết quá đạt được

Đã xây dưng dược hệ do phổ quang dần có ghép nối với m áy tính tlẽn co SO' mọt sổ thiết bị rời rạc cùa bộ môn của đơn vị han và kinh phí do đe tài cap Phan men ilnet ké ticn lợi VỚI phỏng tiếna Việt trong Pascal và có hướnvỉ dán ty mi lẽn vi ọc sử dụ 11 li rát thuận lọi.Voi hệ đo dược xay dựng, có the đo phò quaim dán ớ các nhiệt do khác nhau pho tàn

sỏ, dặc trung V on-A m pe cũng như tạp nội

Đã tạo được các cám biên sau:

■»

-Quang trở từ đơn tinh thể CdTe loại n có điện trớ suất khá cao ( lCT-lO'Qm) với các

kích thước khác nhau

-Các photodiode từ chuyến tiếp p-n Si có sẵn với các kích [hước khác nhau tù

2 x 2 x 0 5mm đến 5 x 6 x 0 5m m và các photodiode từ tiếp xúc kim loại- bán dản Au-CdTe loại

n với các loại gia cóng bề mặt khác nhau

Tiếp xúc Au lén bé m ặt bán dản được thưc hiện bằng phương pháp lãng đọng hóa học

hoặc bốc bay trong chán không

Đã đo các đặc trưng phổ, đặc trưng tần số và tạp nội, tìm sự ảnh hướng lên các thông sỏ

dó và kết luận về chất lượng cũng như hướng sử dụng của các cảm biến đã c h ế tạo

-Đã có 5 sinh viên chuyên nghành vật lý chất rắn làm việc trên hệ đo và đã báo vệthành công luận vãn tốt nghiệp

Hàng năm, iưỏn có khoáng 2 đến 3 sinh viên năm thứ ba tập dượt trên hệ đo Trong sô

đó có một sinh viên đạt giải nhì trong hội nghị khoa học cấp Đ H Q G Hà Nội

Đã có 3 báo cáo tai các hội nghị khoa học bao gồm

Một báo cáo tại hội nghị “Đ ào tạo nghiên cứu và ứng dụng về khoa học và

công nghệ vật liệu” 8-2000 Huế

Hai báo cáo tai hội nghị khoa học tai trường Đ H K H T H -Đ H Q G H N 11-2000

6 Tinh hình kinh phí

Tống kinh phí được cáp 16 triệu trong hai năm 1998-1999

Kinh phí dã chi theo đúng hạn mục đãng ký

(Ký và ghi rõ họ tên) ( K v và ghi rõ họ tên )

2 Main responsible person : N g u y e n T h i T h u c H ien

3 Main im plem entation m em ber

Đani T run g Đon

N guyen Ngoc Long

Le H ong Ha

Le Thanh Binlĩ Tran Vinh T h a ng

4 Objects and content of research

4 ] The objects

-Setting up a interface photoconductivity spectrum m easurem ent based on the facility of

la b o ra to rie s equipm ent The softway m ust be composed with the convenient By the setting

up apparatus one can measure the response and frequence spectra The intrinsic noise and

I-V charateristics arc also measured

-To make some photodelectors such as photoresistors, photodiodes upon on responsible sem iconductor materials

-To measure some characteristics and param eters of the photodetectors such as response characteristics, relaxation time, noise

-To find out the ability for application of made photodetectors

4.2 The content of research

-To find the best softway for composition

-To m ake pholoreristois and photodiodes from photosensitivity sem iconductors such as CdTe, Si The photoresistors have been made from a single crystal CdTe n-tvpe with rather high resistivity (p = 104H-l<ỹQm)

The photodiodes have been m ade by two types The first is based on Si p-n junction and the second is contact of Au-CdTe n-type

The role of photodetectors concentrates on using a relay or sensor so they m ust be sensitivity at proper wave lengths, their relaxation time should be short enough, intrinsic noise should he small B\ this propose the project concentrates on investigation the influence o f some param eters on the properties of photodetcctois such as photosensitivity raimc relaxation time, the suface technology, impurity, load resitors Besides intrinsic noise was investisated

3 The results o f research

Upon on the discrete equipm ent of the Department of General physics tile photoconductivity m easurem ent was set Lip

The Pascal language supported bv Vietnam ese fonts was used to control The system can be operated easily to determine the spectral and frequence characteristics of sem iconductor photodetectors The intrinsic noise can be also m easued by this system The photodetectors of such kinds was made:

+ photoresistors based on CdTe n-type with resistivity about 104Q m

+ Photodiodes based on Si p-n junction with diffirent areas ranged from 2 x 2 x 0 5m m

to 5x6x0.5mm

+ photodiodes based on the contact Au-CdTe n-type with diffirent surface technology: cleved, polishing, etching The Au contact was made by chem ical deposition and evaporating

The characteristics such as photoconductivity spectra, frequence spectra were measured The influence of the areas of photodetectors on the relaxation time was investigated The intrinsic noise of the photodetectors was also investigated

There were 5 students who have done thesises on the apparature

There are 2-4 sutudents com ing ofen to learn research A m ong them one student won the second prize from the student conference of Vietnam national university HaNoi.There were 3 reports on physics conferences

6

M Ụ C LỤ C

Trang

Phần 1 lý thuyết 91.1 Hiện tượng quang dẫn và các linh kiện quang điện tử 9

1.2.1 Các quá trình điệ tử cơ bán trong q uạ ng trở 91.2.2 Các thông số và đặc trưng của quang trớ 1 1

1.2.2.2 Tốc độ hướng ứng (quán tính của quang trở) 15

2.3 Xác đinh các thông số và dặc trưng của quang trơ và photodiode 23

2 3 1 Các thông sò và đặc trưng cùa quane trờ 232.3.2 Các thòng sỏ và dặc tnrng cua photodiode 24

Tài liệu tliain khao

Phụ lục

7

M Ớ ĐẨU

Điện tứ học hiện đại dựa chủ yếu vào các hiện tượng điện tử trong chãt rắn đặc biệt là các chất bán dẫn và sử dụng các linh kiện bán dẫn trên cơ sờ các hiện tượng đó Các linh kiện điện tứ được chú ý vì có độ nhạy cao dễ điều khiển, chức năng uyển chuyển, tốc độ cao Với những ưu thế trên dường như trong tươns lai điên tứ học không còn gì phải đối phó nữa Tuy nhiên, với sự phát triển cùa kỹ thuật, người ta đã phát hiện những hạn chê của việc áp dụng các hiện tượng điện tử ví dụ sự cách điện để chống nhiễu và các khả nâng tăng các thông tin Điện tử học hiện đại không thể giải quyết một cách cơ bàn vấn đề thu nhỏ vi m ô toàn bộ các thiết bị Các bộ phận truyền thống như biến thế, rơle biến trở rất thô thiến so với các mạch tổ hợp vì chúng có kích thước lớn có bộ phận chuyển động Những

bộ phận trên đóng góp chú yếu vào trọng lượng của thiẻt bị, tiêu tốn năng lượng, làm cho giá thành tăng Sự thu nhò vi mò các linh kiên là rất cẩn thiết

Vi điện tứ hiện đại thực tế đã đat đươc giới han trên cùa lý thuyết cả về tốc độ truyền

dữ liệu và dung lượng của máy tính Nếu chi dùng ớ các hiệu ứng cua điện tứ thì khỗng thế cái tiến thêm được những han chẽ trẽn

Cá trong lĩnh vực nghiên cứu và thực tiễn người ta cho biết rằng các ván đé đã nêu ở

(rên có thể giái quyết được qua việc nối liền giữa các hiện tượng điện tứ và quang học ở các

chất bán dần Cụ thể là chuyến lừ điện tử học thành quang điên tú học Các linh kiện quang điện tử dựa trên các hiện tượng quang-diện và điện-quang Vì lẽ trẽn các linh kiện quang điện tử claim được tập trung nghiên cứu mạnh

Những linh kiện quang điện tử được s ứ d ụ n s rộ liu rãi và iươrm dối đơn sum, k h ô n ” d á t liền là các cám biến như quang trớ và photodiode Các linh kiên này có the sử d u n s làm

các rơle, chuyển m ạch hoặc nguốn LI 111 nhãn bức xạ.

Với các chức năng trên, những thông sò cua các cam biên cần phái xem xét khi nghiên cứu chẽ tạo và sử dụng là : độ nhạy, tốc độ hướng ứng tạp nội

Đẽ nghiên cứu về các chất bán đản nói chung và các cám biến nói riêng cân có một hệ

đo chính xác tiện lơi Vì mục tiêu đó và cũng vì mục tiêu đào tạo phòng thí nghiệm quana bán dẫn của hò món Vật Lý Đại Cương Khoa Vật LÝ trườna Đ H K H T N -Đ H Q G Hà Nội nhận thây việc xây dựng hệ đo phổ quang dẫn đế đo bổ xung cho hệ đo huỳnh q u a n s hấp thụ dã có sẩn ờ phòng thí ng h iệm là lát cấn thiẽt VỚI một số thiết bị có sẩn và kinh phí do

đề tài cấp c h ú n g tỏi đã xâ y d ự n e được hệ đ o phổ q u an g đả n íỉhép nối VỚI m a y tính

Đế nghiên cứu các cám biến, chúng tôi đã tạo nên một số cam biến quang bán dẫn dưới dạng quang trớ và photodiode Một sò tính chát, thông số, đăc trưna cua các cam biến nhu

độ nhạy, tốc độ hưỏ'112 ứns và tap nội đã được nshicn cứu

8

PH Ẩ N I LÝ T H U Y Ế T

1.1 Hiên tương quang dần và các linh kiên quang diên tứ

Các cảm biến quang là các linh kiện quang- điện tử chuyển bức xạ thành năng lượng điện Các linh kiện này dựa trên hiệu ứng quang điện trong của các vật liệu bán dản Các loại cảm biến này bao gồm photodiode, phototransistor và các quang trớ

Các cảm biến quang là các linh kiện bán dẫn hoạt động với ánh sáng Bức xạ chiếu vào vật liệu bán dẫn làm thay đổi các thông sô vật lv điện Ví dụ: Tao thèm các hạt tái điện tu

do vỉ vậy làm táng độ dản (quang dẫn) cua vật liệu Đ ó là hiệu ứng quang điện trong Các cám biến quang điện được sử dụng dựa trên cơ sớ hai hiện tượng: Hiệu ứng quang dẫn (photoconductivity) và hiệu ứng quang áp ( photovoltaic)

Hiệu ứng quang dẫn là hiệu ứng sinh ra các hạt tai quang và do đó làm tăng độ dẫn cúa bán dẫn khi được chiếu sáng,

Hiệu ứng quang áp xuất hiện ớ các chất bán dẫn với hàng rào thế bên trong (giữa các chuyến tiếp p-n tiếp xúc kim loại- bán dản hay tiếp xúc dị thể ) Điện trườna cúa lớp nghèo

ớ chuyển tiếp phân chia các hạt tái quang ( các điện tử tư do và lỗ Irons tư do ) được sinh ra

do ánh sáng Sự phân chia các điện lử và lỗ trổng trong không gian dẫn tới sự xuất hiện suất diện động quang

Cá hai hiệu ứng dược ứng dụng từ những lợi thố của nó Hiệu ứng quant! áp được dùng

ứ các photodiode, phototransistor, photothyristor và các linh kiện chuyên tiếp p-n khác Hiệu ứng quang dẫn dược sứ dung ớ các quang trớ

1.2 _ Q uang trớ

1.2.1 Các C|iiá trình điên tử c a bán trong quang trớ

Sư hàp thụ ánh sáng làm xuãt hiện các hạt tai tự do trong q u a n s trớ nó đ ónạ tỉóp thêm

vào cho tlộ dan điện cua vật liệu cho đến kill chúnạ bị bát: hoặc tam thòi ờ các lãm hát hay

vĩnh viễn ó' các tâm tái hợp Quá trình này được gắn với các sai hỏng tinh thế Tất cà các lính chất quan trọng cua quang trờ như độ nhạv tóc độ đáp ứng và độ đản tối được xác định, ít ra là một phần, bởi bản chất và mật độ của các sai hóng tinh thế

Đê đơn gián ta giải thiết rằng một loại hạt tải chiếm ưu thế trong biếu thức cua độ đản cùa vặt liệu

Trong đó n la mật độ hạt tai tư do, Lí là độ linh độn» và e là điện tích cua c húns

Sụ thay dổi độ dẫn do chiêu sáng có thế sãy nên bới sư thay đối n óne dọ hạt tái hoặc

độ linh động [ I ]

Sự thay dổi mật độ hạt tái \n liên quan trực tiếp với cường đò ánh sána kích thích (ị) và thòi iỉian sóng của hạt tái T

Thành phần thứ nhất eĩ /Ẩầ ệ biểu thị quang dản gây nẽn sự thay đổi độ đẫn do sư thay

đổi cường độ ánh sáng kích thích Như vậy mật độ hạt tái thay dối do sự thay đối cường độ ánh sáng kích thích còn thời gian sống cùa chúng giữ nguyên không thay đỏi

Thành phần e ụ ộ ầ T chứa đựng các hiệu ứng trong đó thời gian sống thay đôi dưới sự

kích thích quang Thời gian sống T phu thuộc vào nồng độ tâm tái hợp Ny thiết diện bắt hạt tải s, và tốc độ nhiệt V cùa các hạt tải theo biếu thức

Sự thay đổi thời gian sống T qua (6) với sự kích thích quang là do hoặc sự thay đổi mật

độ các tâm tái hợp hoặc do sự thay dối thiết diện bắt cùa tâm tái hợp Sự thay đổi A r ứng với trường hợp quang dàn không tuyến tính

Với thành phán cuối cùng neAjU, sẽ có ba khả năng làm thay đối I I :

-Xáy ra trên vật liệu không đổng nhất dẫn tới xuất hiện các hàng rào

-Do hiệu ứng thay đổi tán xạ khi điện tích trên các tâm thay đối

-Do các hạt tái được được kích thích quang đã chuyến từ trạng thái có độ linh đ ộnetháp đến các trang thái có đó linh dóng cao hơn

ơ dây chúng la chi xét trường hợp sự thay đổi độ dẫn A ơ dưới tác dụng của kích thích

quang là do sự thay đối nồng độ hạt lải tự do A n , tức là

B - ì ỵ ị với Y hiệu xuất lượng tử cứa hiệu ứng quang điên trone tức ty sỏ sô photon

được hấp thụ gãy nên hiệu ứns quang điện trẽn tổng so photon Thường Y gân bãng 1.Nếu có hai loại hạt tái thì

Thòi gian sông trung bình cua các hạt tài điện X được xác định bới đặc trưng cua các quá trình tái họp hay bới các tâm tái hợp Nó xác định độ nhay của quan 2 trớ Cức tâm tái hợp bắt các điện tử dần có thê bao gồm các lỗ trống tư do ớ vùns hoá trị các lỗ trông định

xứ trên các tâm tạp, trẽn các sai hỏne tinh thè hay ờ bể mặt.

Xác suất lái hợp điện từ lự do với lỗ trốn2 ở v ù n s hoá trị là rất nho Các điện tử và lỗ

I rốn tỉ tư do có thế tươna tác với nhau chi khi thoa m ãn đinh luật báo toàn nâng lượn 12 và

x u n s lượns* Đinh luật hào toàn n ă n2 lượng được thoa mãn vi Iioiiíỉ thời điếm tái hợp cặp thì

có the phái ra photon (tái hợp phát xạ) Nhưiiii vì các photon có x u n2 lượn2 vỏ cun 12 nho nên cặp hạt tài chi có thế tái hợp khi chúng có xung lượn2 nhưna naiio'c hưónií nhau ỏ' thòi điếm tươnạ tác

Nêu troim hán dần có các sai hone tinh the thì kill các diên tứ và lỗ Irõna tự do íiặp

nhau ờ gần sai lions tinh thế (các bảy) thì các bảy tham ilia vào các quá trình trao đổi nãnụ

IƯỢI12 và XU112 lirợnti Các bày có the cho hoặc nhân XLine lưựiiiỉ từ các cặp tái hop làm cho quá trình tai hợp xáv ra N hư vậy các điện từ tự do b| hãt vào bảv và sau dó roi vào trạno thãi tròn a ớ vùng hoá trị phái xạ ra photon và thay dối x u n a lượn Lí của hay

10

Ngoài quá trình tái hợp còn có quá trình điện lư bị bắt vào ‘tàm d í n h ’ tức là các tám không sáu và sau đó có thế được kích thích trở lại do nhiệt Sự bãt các hạt tái m ột loại trẽn các tâm dính có thé làm tãng độ dản không cân bàng À c r

Cường độ tái hợp các điện tử trẽn tám tái hợp tỷ lệ thuận VỚI nồng độ n cua diện tư, nồng độ tâm tái hợp N, xác suất bắt điện tử bởi các lỗ tròng cho trước (đặc trưng bới thiết diện bắt s, ) và tốc độ chuyển động nhiệt trung bình V

r = — = n N ! S I V (10)r

Từ biểu thức (10) ta có được biểu thức (5) cho thời gian sõng như đã nói ỏ' trên

Trong bán dẫn tạp thõng thường, thiết diện bắt s, qua tái hợp trên tâm tap có giá trị cỡ

1 0 " c m 2 và thời gian sống trung bình nầm trong khoảng 10'2 đến 1 0 " ’s

1.2.2 Các thõng sổ và dãc trưng của quang trở

Thõng thường, các quang trớ được sứ dụng với m ạch dòng khòng đối và điên trờ tai R n mac nối tiếp Trong mạch điện, quang trớ không khác gì các điện tro' khác trong mạch Nó không phu thuộc vào chiểu của thế ngoài đặt vào

Thê cực đại dặt vào quang trờ được xác định bới thế đánh thúng lớp bán dản và độ lớn của công suất khi có dòng điện chạy qua

UJlM,|,lhu„ụ> UUIlJlll< HnjillL (11)Trong dó p „ là còng suất cực đại

I là dòng chạy qua quang trớ

Uj.mh Hum;, và PL1K J.„ được xác định bới kích thước cua quang trớ và phụ thuộc vào từngloại quang trở Cóng suất tiêu tán cực dai P llt của quang trở dược chọn sao cho tránh được

sư nung nóng quang trớ làm sai lệch các tính chất của nó P ư J„ phụ thuộc vào vật liệu làm quang trỏ phươns pháp làm lạnh quang trờ và tính chất của nguồn sáng

Các thông số đặc trưng cho tính chất cua quang trớ gổm:

1 Điện trớ tối R r

2 Đ ộ nhạy- Bao gổm độ nhạy phổ khi chiêu quang trỏ' bans ánh sáng đơn sắc và

độ nhay tích phân khi chiêu bằng ánh sáng không phân tích

3 Hằng số thời gian T, đặc trung cho quán tính của quang trớ

4 Mức tap nội hay na ư ỡ n s nhay

1 1 Đỏ nhav cua cjuang tro’

Đế đánh giá độ nhạy cua quang trớ một cách định lượng, 112 ười ta đua ra đại lượn ° dó nhạy l iêng Sp

Việc n sh iè n cứu corm thức (12) chi ra rails Ị 1 j

Biou thưc t i en c h o til thiiv sụ tuoiiiỉ CỊL1UI1 giữa d ỏ nlmv \ ’ù thoi "kin SOI]" ihời "11)1 sổng c a n s lớn độ nhạy càn« cao

1 ]

Một đại lượng khác cũng được dùng đế xác định độ nhạy cùa quang trớ là L’độ khuếch đại quang d ẫ n ” (photoconductivity gain) Đ ộ nhạy liêng là thông số cúa vật liệu còn độ khuếch đại là thông số của quang trờ Độ khuếch đai G được định nghĩa là số hạt tái đi qua giữa các điện cực đối với mỗi một photon được hấp thu Nếu thời sian sõng cua hạt tai là X

và thời gian cần để nó đi qua các điện cực là t thi

i, t'r (nếu có cá điện tử và lỏ trông cùng tham gia vào độ d ả n ) Vì t = ụt í ' / / : nên

Các sai hỏng trong hán dẫn cũng có thế đóng góp vào độ nhạy cua q u a n 2 trớ Ví dụ mọt so sai hỏng m a n s điện tích âm có thiết diện bắt các lỏ trống dược kích thích lớn còn thiết diện bai các điện tư được kích thích nhỏ Các tâm nhạy này có the là các acceptor hu trừ Do sự có mặt cua những tâm này mà thời gian sống hiệu duns’ của các diện tứ được kích thích quang sẽ lớn và có thế mỏi một photon được hấp thụ sẽ có nhiều điện tư đi qua đươc các điên cực và sự khuếch đại quang dẫn có thế tới lơ 4

Giữa sự quang đẫn (hay dòng quang dẫn dưới tác d ụ n s của thế đặt vào quang trở ) và

c ư ờ n g đ ộ á n h s á n g c h i ế u v à o m ẫ u c ó ty lệ t u y ế n t í n h khi thời Sian s o n 2 c u a h ạ t tái k h õ n a

phụ thuộc vào nóng độ tức là T không thay đổi với sự thay đổi c ườn Si độ sáng Đay là trường họp tái hợp tuyên tính với

ầ ơ - A E t - const.E (17)Trường họp này xay ra đối với bán dẫn mà cườna độ tái hop ty lẽ bạc nhất với nóng độ hạt lai khõnu cân bằng tức là khi cưòng độ ánh sáng nhỏ nồng độ hạt tai lớn

Ntiirợc lại nếu độ dẫn tối nhỏ cường độ chiếu s á n a lớn thì sụ quang dẫn tv lệ với cũn bậc hai cua dòng sáng

Sự phụ thuộc cua (18) co thế thay dổi khi nhiệt dò thay đòi

Trong triform hop tái hợp ircn các trạng thái cơ han, thời d a n so n s được xác đmh kliỏnii chi hỡi độ lớn cua tốc dỏ chuyến độns nhiệt V cua hạt tái mà còn phu thuộc vàn nỏim dỏ hạt tài cân bãng và hộ sò tái hợp y

12

tâm tái hợp làm tãng sự tái hợp cùa các hạt tải quang bởi tâm Điều này dẫn tới sự giảm thời gian sống cúa hạt tải quang lức làm giảm độ nhạy của quang trớ.

Trong những điều kiện khác nhau, sự chiếu ánh sáng thèm vào có thế làm tăng sư quang dần nếu nó làm giải phóng các hạt tải nằm ờ “tàm dín h ”

Đôi với sự tái hợp tuyến tính, sự tăng và giảm quang dẫn dưới sự tác dụng cùa xung ánh sáng tuân theo dạng hàm mũ và hăng số thơi gian chính là thòi gian sống của hạt tải Vì thời gian sống t xác định độ nhạy của quang trở (theo công thức 13) nên quang trớ nhạy nhất đồng thời có quán tính lớn nhất

Độ nhạy tích phán của quang trờ s ~ được xác định không chí bời vật liệu, kíchthước quang trớ mà nó còn thav đổi theo cơ chê hoạt động của nó Đ ó nhạy tích phân dùng

đế dánh giá bán thán quang trò Vì dòng chạy trong quang trớ phụ thuộc vào th ế đặt vàonên độ nhạy cùa quang trớ là hàm của thế:

S = - = — - — ) = — ( - — - - ) (21)

ầ.ệ Aệ A<fi R R, Aệ R, (R, - AR

Trong đó I[ và R, là dòng tối và điện trớ tôi, AR = R | - R

Đ ộ nhạy của quang trở giảm khi tăng tần số biến điệu cúa ánh sáng vì quang trở có quán tính cua nó Ngoài ra độ nhạy cùa quang trớ cũng phu thuộc vào nhiệt độ Đó là vì cúc tính chất của quang trớ như độ dần phụ thuộc mạnh vào nhiệt đô

Đế loại trù sự phụ thuộc của độ nhạy vào hiệu thế người ta sử dụng khái niệm độ nhaytích phân riêng s

A R

khi chiếu sáng tức là tỷ sô —— với mót giá tri

R,

cường độ sáng cho trước Đại lượng này cũng

không phụ thuộc vào th ế rơi trén quang trở

Trong thực tế quang trở thường được dùng

trong m ạch với nguồn điện V ND ,trở tải R H

(hình I) T h ế rơi trên trớ tải v c khi có dòng

quang điện ÀỊ R H là

v r = AI R" = ( I - Ir).R.

Hình (29)

Đỏ nhay vé thế V R cua quang trớ được định nghĩa là ty số cua thay đổi cua tín hiệu trên

ái trên sư thav đòi dòng ánh sáng

trớ tai trên sư thay đòi dòng ánh sáng

(30)

(31)

(32)trong đó ơ o là độ dẫn cân bằng

Măt khác = — - là đỏ nhay tích phân riêng của quang dan khi khòng có tai do đó

Như vậy giá trị cùa đỏ nhạy thê phụ

thuộc vào ty sô cua điện trờ tói cùa quang trờ

R, \ à tro tai R n Độ nhạy \'é thế dùng đế

đánh giá quang trớ trong một mạch cu thế

nào đó Sự phụ thuộc cua v c vào R H được gọi

là đặc trung tái của quang trớ

Một đại lượng co' bàn cua quang trớ là

clãc trims phò của đò nhạy Đó là sự phàn bõ

cùa dò nhạy theo bước sóng ánh sáne chiếu

vào quang tro' Đặc trưns phổ có thế dưực sứ

d ụ n s các dạng sau:

hay V,, = VP(Ã) (35)

Đỏi \ ói đặc trưna phổ neười ta thườne

dù na ký hiệu là hước sóng Íni2 với độ

nhạy phổ cực đạiÀ

A ơ a

HìnhĐòi \'ó'ĩ q u a n s dãn riêns do nhạy cực dai năm trên biên 2uii hấp thu q u a n " riẽnu f ho' háp ihụ ) của bán dân (hình 2) Sự °iám dộ nhạy ÚÌ12 với vùng hệ số hấp thu cực đui là do su tàn2 tốc độ tái hợp mật nsoài dãn tới aiám thời sian so n s cua hạt tái \ á nõn<j đỏ hat tui điện.Đặc trung phổ của quang dẫn tap dịch chuyên \'ể phía sónu dài so với q u a n ” dan riẽn” Nồng độ cua tap thường nho hon vài cap so với nồna độ nsiuyên tư chu do đó quaiiõ dan tap

14

cũng nhó hơn quang dẫn riẽng và thời gian sống

trong quá trình tái hợp trên tám tap luốn luôn

nhỏ hơn so với thời gian sống của tái hợp giữa

các vùng

1.2.2.2 Tốc dỡ hướng ứng (quán tính cua

quang trở)

Nếu trong vật liệu làm quang trớ chí có các

tâm tái hợp thì thời gian cần để độ dẫn thay đổi

khi cường độ sáng thay đổi đươc xác định bới

thời gian sôngcủa hạt tải tự do Trong thưc tế,

đặc biệt là khi cường độ kích thích nhó thì thời

gian đáp ứng có giá trị khác nhiểu so với thời

gian sống cùa hạt tải Sờ dĩ như vậy là do hiệu

ứng

bây các hạt tải tự do Q uá trình này làm kéo dài thời gian tãng và giảm cùa tín hiệu quang dẫn khi có sự tàng hoặc giam cường độ sáng Nếu ánh sáng tác dụng có dang xung vuông như hình vẽ 3 till tín hiệu quang dản có quán tính như hình b Q uá trình bảy đã làm tăng thòi gian lãng tín hiệu (đường c) vì làm giám bớt các hạt tải tự do và như vậy cẩn một thời gian dê thiết lập mật độ mới của hạt tái tự do và sự lấp đẩy mới của tâm bảy đế đạt dược trạng thái dừng Q uá trình bảy cũng làm kéo dài thời gian giám vì các hạt tái bị bãt sẽ được giái phóng chậm ra khỏi tâm khi sự kích thích đã kết thúc

Đối với trường hợp kích thích yếu, mật độ các hạt tải bị bảy có thế lớn hơn so với mật

độ hạt tủi tự do và do đó thời gian giám thực tế là được quv định bởi thời gian giái p h ó n s hạt tái từ bẫy chứ không phải thời gian tái hợp (tức thời gian sống của hạt tải lự do)

Đối với trường hợp tái hợp luvên tính, như đã trình bày ớ trên, quang tro' cài!2 nhạy thi quán tính càng lớn Đối với trường hợp tái hợp bậc hai thì hàm cua quá trình tãnu và íinim khác nhau đối với thời gian do đó sự tăng và giảm khòng đối xứng T rone trường hợp này thòi ma n s o n « k h ô n g phái là h ằ n g sỏ [3] vì vậy chi c ó khái n i ệm thời gian s o n s tức thời và thời gian quán tính có thể lớn hơn thời gian sống đến vài cấp

Như vậy, quán tính cua quang trớ được xác định bời thời gian đạt được nồng đỏ ổn định của hạt tái không càn bằng và độ lớn của nó được xác định bới quá trình tái hợp trong bán dần

Nsoài các quá trình gây nén quán tính của q u a n s trớ đã nêu ở trẽn, còn có quá trinh khác cũng đóng 2Óp vào quán tính cua quang trớ Khi ánh sáng chiếu vào bé mặt quang trớ

có hệ số hấp thụ lớn thì cường độ ánh sáng sẽ khác nhau ứng với mỏi độ sâu khác nhau

Đi êu đ ó gày nê n m ột gr a die n c ù a 110112 độ hạt tái k h ò n a cân b ă n s và SC x uấ t hiện d ò n g khuếch tán từ ngoài vào trong

Nêu trong bán dẫn có điện trường tác dụng thì còn tồn tại cá d òne cuốn Các quá trình trên cũng đóng góp vào đặc trinh quán tính cua quang trớ Thời gian quán tính có thế lớn hơn hoặc nhò hơn thời gian thiết lập trạng thái dừng cua d òna hạt tái k h ó n s cân b a n s là do

sự phụ thuộc cụ thê cua từn« vật liệu, kích thước cua q u a n s trớ kết cấu cua nó

Ụuan lính cùa quang trớ dược xác định bời thời aian phục hổi lớn nhất,

Đe lãng tòc độ đáp ứng cua quang Im', có the SƯ dull” hai cách: ] : Giam mật dô ' ' b a y " dặc hiệt là nhữim bày nám đúng vị trí với diêu kiện hoạt đỏng cua quail” trơ 2: Chon

nl ũrng t âm n h ạ y t hích hợp sao c ho thòi ỉiian SÒD2 c u a hạt tai tự d o niarn I r ons q u á trinh aiám tin hiệu đản tới thời gian siám tín hiệu nhanh hơn Cách thứ nhất có the thực hiện được nếu chọn các vật liệu sạch và hạn chê các sai hóniỉ tinh the Điéu này có thó lliực hiện dược tốt nếu sử dụng đơn tinh thế

Kha nàng thứ hai đế tãn s tốc độ hường line là quail!! tro' hoai đ ộ n ” dưoi diêu kiện sao cho các tâm nhạy không chuyến từ các bẫy lỗ tròn” thành tám tái hợp Khi ni ám CƯỜIILÌ (in ánh sána các tâm này đ ó n s vai trò các bay lõ trò n2 Điểu đó có n ahĩa la khi naãt ánh sáiiíí

a

Hình 3

a:X ung ánh sáng b: K hông có bảy c: Có bẫy

15

các điện tử khõng những được giải phóng từ bẫy m à cả các lỗ trỏng cũng được giải phóng

từ các tám nhạy Điều này dẫn tới sự giảm thời gian sống cua các điên tử được giải phóng

và do đó thời gian giám tín hiệu được rút ngắn

Thời gian quán tính (tốc độ hường ứng)

là một thông số quan trọng đối với các qung

trở, đạc biệt là khi sử dụng làm các rơle

Thời gian quán tính được xác định từ đãc

trưng tần số Đ ó là đường cong phụ thuôc

của độ nhạy tín hiệu vào tần sỏ ánh sáng

kích thích Từ đặc trưng tần số có thê xác

định được tần số giơi hạn tj,h ứng với độ

nhạy giám đi J 2 lán so với độ nhạy cực

đại Khi đó thời gian quán tính cùa mẫu

1 Tạp Johnson: Tap này gây ra do chuyển động nhiệt của các hạt tái trong quang trớ

Tạp thế bình phương <l ' ff > qua diện trớ R| được biểu diễn qua hiếu thức

< I >= 4kTRj A/ (36)Trong đó Af là độ rộng băng tần

Tạp này luôn luôn tổn tại ngay cả khi không chiếu ánh sáng vào quang trớ Ví dụ thè

tap 5nv cho điện trỏ' ỉk Q ờ nhiệt đỏ phòng và độ rộng băng tán 1Hz.

2 Tạp sinh huý: Tạp này gãy ra bới sự sinh hạt tai do nhiệt và sự tái hợp chúng Tạp sinh huỷ chi q u a n sát được nếu có d ò n s c hạ y qu a q u a n e trở

3 Tạp 1 /ĩ: Tap l /f được sinh ra do ảm h hưởng cứa bề mặt quang trớ Tạp nàv thường

đáng kế ớ vùng tán số thấp

4 Tạp khuếch đại: Các dụng cụ khuếch đại tín hiệu cũ n a khuếch đại cả tap ở lối vào Điểu kiện cùa các máy khuếch đại là phải có tỷ số tap lối vào trên và lói ra phai xáp xỉ b ằ n2

I.

5 Tạp nền: ánh sáng nền rơi vào n su ồ n nhận cũng là một nguồn tap Tap này đặc biệt

quan trọn a ỏ' miên h ó n s nsoai xa vì ở miền này naay ca các bức xạ ơ nhiéi đỏ phòng cũng

dóim góp phần iạp đáng kẽ

Tạp nền có thế làm aiảm bàng cách hạ nhiệt độ n s u ồ n shi nhặn

1.2.2.4 Tao quang trớ

Quantỉ trớ được tạo nén tù các vật liệu

khỏi hoặc m àng cua các vật liệu nhụy quane

với hai liẽp xúc không chinh lưu ớ hai đáu đế

lạo cực cho mạch Vi qu a n " trỏ k h ỏ n s chinh

lưu nên đ ò n a tác dụnii tlico

liướns nào cũ ne như nhau, đổi xứng ( hình vẽ

5) Việc tạo quang trỏ' I at đơiiiúàn Phán lớn

các bán dẩn nhạy quang thưừníi ứ dạng hợp

chất bển vững về hoá tiỊ khi đặt trong không

khí của lớp khí quyển vì vậy khõna cẩn phái

đật n o n g chân không hoặc thiiN tinh Vì thê Hình 5 Đãc trư ns V-A cuu «.|uani2 trỏkích thước cua nó có

16

thế làm rất nhó íkhòng cẩn bao bọc bên ngoài) Việc chọn kích thước cua quang trớ có thế theo nguvén tắc sau: Hiệu suất của quang trờ thường đươc đăc trưng bới sự thay đổi đò dantương đối đối với dòng ánh sáng tổng cộng rọi trẽn toàn bộ bể mặt: ộ - E A , tức là

Độ dan sáng thêm vào

Hiệu suất cúa quang dần là

có thế tìm bảng cách lấy tổng theo từng lớp Quang dẫn cùa lóp có chiêu dày clx cách bẽ mặt một k h o á n g X là

Độ dẫn tổng cộno

c ì ầơ = e/.inAn ( k ) — cỉx (40)

Act = —e u 1 h

(42)

(43)Hiệu siiãt cua quang trớ là:

17

Các quang trớ thường được sứ dụng làm các rơle quang, các thiết bị điều khiến tư động quang điện,

1.3 Photodiode

Các quang trớ có ưu điếm là phương pháp c h ế tạo tương đối đơn gián nhưng lại có nhược điểm là thơi gian quán tính lớn (thời gian đóng m ở cỡ 10'2-10 's) với cường đỏ chiếu sáng lớn thì đặc trưng I-V khỏng còn là đường thẳng Ngoài ra, các thông sô cúa nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Thời gian quán tính ờ các photodiode nhỏ hơn so với các quang trớ Vai trò cứa cùa photodiode ngày càng quan trọng Chúng thường dùng nhiều ỏ vùng hổng ngoại nhưng cũng dùng nhiểu để ahi nhận bức xạ năng lượng cao

Các photodiode được hoạt động hoặc dưới c h ế độ không có phân cực ngoài ( c h ế độ quang áp) hoặc dươí c hế độ phân cực ngược (chế độ quang dẫn) V ùng hoạt động của photodiode là vùng nghèo cùa chuyến tiếp p-n hav diode Schottky

ớ c h ế độ quang áp, diode hoạt động như một nguồn sinh dòng quang điện Biểu thức T() đi qua photodiode có dạng

cho dòng

I n = v/ = w / r h - l „ - Ị ÊỊ'

= ! r w - 7«, [exp(ể V / K T ) ~ 1J (45)Trong đó !,, là dòng quang điện,R H là điện trớ tải mắc nối tiếp Ipn!à dòng qua chuyển liếp p-n, V là điện thế tác dụng lẽn diode ỉ(l là d ò n ạ bão hoà ớ thế ngược Khi mạch đê hở

của photodiode

K T

Khi mạch nối tắt ( R„ =oc ) thế rơi trên photodiode V - 0 và dòng ngắn m ạch là I|(( = Ip.

Đ ó là dòng của các hạt tải quang sinh ra khi diode được chiếu sáng

ờ c h ế đô quang dần chiều cao hàng rào t h ế cao hơn do đó dòng IPl, = I, tức là dòng quadiode khi không chiếu sáng Dòng qua diode được chiêu sáng sẽ là

Trên hình 6 là đặc trưng Von-Am pe ( I V )

của photodiode Theo biểu thức (45) ta thấy dòng

In là hàm sò cùa thế V tác dụng vào diode còn

dòng bức xạ <Ị> như là một tham số Nhìn đồ thị (

hình 6 ) ta thây ngav ràng việc điều khiển quang

cho dòng qua photodiode chì thực hiện được khi

photodiode phàn cưc ngược ( ờ c hế đô phân cực

thuận I | „ » I| ) Vói chê độ này dòng quang dẫn

háu như không phụ thuộc vào thê ngược và trớ

lái Vì trớ tái mac nối liếp với diode nên

Trong dó v sl, là thê phân cực ngược của

nsuồn V là (hè ngược rơi trên diode, I là dòníĩ

quang dẫn qua tài

Hình 6 Đặc trưng 1-V của photodiode

N hư vậy ớ một chê do chiếu sáns nhất đinh, diode hoạt đ ộ n s ớ c h ế dò q u a n a dán là

nguồn dòng quang điện Ij, đỏi \ó i mạch ngoài Giá trị cua I, hau như khỏns phu thuộc vào các Ihòim số cua m ạch nsoài như V s], \'à R ị ,

Các íhôna sỏ \'à đặc trưne cua photodiode cũng gióng như các ihỏnG sò \ à đác trưn"

c u a q u a n g trớ m à ta đ ã xét o' trên ù vậy 0' đ â v ta chi xét một s ố đặc trinm q u a n trọnsi cullphotodiode

18

1.3.1 Dăc trưng năng lương.

Đường đặc trưng năng lượng là đường phụ thuộc của dòng Ip vào dòng bức xạ (Ị) rọi trẽn

bề m ặt photodiode Giả thiết ánh sáng chiếu vào vùng n của photodiode Số photon trong

một đơn vị thời gian sẽ là ^ / ỵ v Dòng Ip tý lệ với số photon dược hấp thụ trong bán dần

trong một đơn vị thời gian

i p = ( ì ỉ 1X h J - {49)

h v Trong đó Tị là hiệu suất lượng tử tức là sỏ' cặp điện tử- lỗ trống được sinh ra do một

photon, q là s ố photon, ỵ Hìa thừa s ố m õ tả phần hạt tái được sinh ra d o á n h s áng k h ô n g bịtái hợp trên đường đi đến điện cực

ở ch ế độ quang dẫn, photodiode có đặc trưng nãng lượng định nghĩa bằng biểu thức (49) o trên và có dạng tuyến tính với (Ị) Điều đó có nghĩa là tất cả các hạt tai quang đến được chuyến tiếp p-n và đóng góp vào dòng quang điện Trong mọi trường hợp, sư giám bớt hạt tái thiểu số do tái hợp không phụ thuộc vào dòng ánh sáng vì trong tinh thế chỉ chứa ít tâm tạp hoạt động như tám tái hợp

ơ c h ế độ quang áp, đặc trưng năng lượng Ị I V

hoặc là đồ thị cua dòng ngắn mạch I h o ặ c suất

tạp noạt ơọng nnu lam tai hợp

ơ c h ế độ quang áp, đặc trưng năng lượne

hoặc là đồ thị cua dòng ngắn mạch Isc hoặc suất

điện động E|, = V| phu thuộc vào dòng ánh sáng

Khi (|> lớn, đổ thị ISI - <|> và v,„ - <ị) lệch khỏi dạng

dường thắng (hình 7) Đường I.J -(Ị) lệch khỏi

dường llũing chu yêu là do thê rơi trẽn điện trớ

k h ố i r h c ú a m i ế n b a s e ( m i e n c h i ê u s á n g ) t ă ng với

sự tang dònu ánh sáng Còn suất điện động ( thê

hớ mạch ) giam là do chiểu cao cua hàng rào thế

giảm vì vùng n và vùng p tích tụ các điện tích dư

cua điện tư và lỗ trống Kết qua là diện trường cua

c h u y ể n tiếp p-n phân chia điện tứ và lỗ trỏng kém

hiệu qua hơn và sư tăng của suất điện độna với sự

i 3.2 Dặc trưng nhò

c ,

Dùng biếu thức \' - ỵ trong đó c„ là vận tốc ánh sáns trona chân không ta có thè

đ ịnh ngh ĩa đ ộ n hạ y phổ Sp phụ thuộc vào bước SÓI12 t n hu sau

Điện trường của lớp nghèo phân chia lỗ trông và điện tử sau khi chúng khuếch tán đến miền chuyển tiếp Thời gian để các lỗ [rống đi qua miền chuyển tiếp là.

t, ~ 5 /

0,1 ns

Trong đó ô là chiều dày lớp chuyển tiếp và v may là vận tốc cuốn cực đai

Đối với Ge và Si, v max = 5.10Jms ' ỗ thường nho hơn 5(jm vì vậv hãng số thời gian cỡs

Thời gian đế điện dung lớp nghèo tích điện lại khi trở tài nhỏ là hàm sô của hằng sỏ ihời gian Cd rh, trong đó rh là điện trớ của m iền chiếu sáng của diode Đổi với những chuyến tiếp có điện dung lớn, thời gian quán tính đóng góp chú yếu là do lớp nghèo Chính vì vậy các thông sỏ làm thay đổi điện dung lớp nghèo là nồng độ hạt tải, kích thước mẫu th ế phân cực ngược cán phải xét tới khi tính thời gian quán tính Thời gian tăng và giám cùa tín hiệu khi nhàn ánh sáng kích thích phụ thuộc cá vào trớ tải mạch ngoài và th ế phàn cực Hình (8) mô tả sự phu thuộc thòi gian tăng và giảm vào trớ tải R, Hình (9) m ỏ tá sự phụ thuộc của thời gian quán tính vào th ế phân cực ngược với giá trị trở tãi khác nhau

Khác với diode chuyển tiếp p-n thông thường, các diode Schottky hoạt động với các hạt tải đa số Các diode này có hai lợi thế là:

1 Nó có thể hấp thụ photon với nãng lượng nhò hơn độ rộng vùng cấm (ớ phía kim loại) Nếu năng lượng đó lớn hơn chiều cao hàng rào thế thì các điện tử được kích thích sẽ

có thể chuyển động qua h à n2 rào đến miền bán dẫn Như vậy phổ năng lượng có thế lùi về phía sóng dài

2 Khi năng lượng c ua photon tăng, vùng hấp thụ năm trong lớp điện tích kliòng gian tạo điổu kiện cho việc phân chia điện tử và lỗ tròng Với chuyển tiếp p-n thì khác, d ò n s

q u a n g d ẫ n gá n nhu' b ằn g k h ô n g khi đ ộ sâu c ủ a mi ền hấp thụ n h ỏ

Vói hai lợi th ế trên, photodiod kim loại - bán dẫn có thể hướng úrm với k h o á n a bước sóng rộng hơn so với chuyến tiếp p-n cùng loại

Ngoài ra, photodiode Schottky còn có lợi thê là vùng chiếu s á n s có điện trơ nhòvà có lóc độ nhanh Các diode này còn có độ nhậv cao và dễ c h ế tan

20

PH Ầ N II THỰC N G H IỆ M

2.1 Xây dưng hê do

Sơ đổ hệ đo quang dẫn được vẽ trên hình 10

Hình 10 sơ đồ hệ đo phổ quang dẫn

B: Bộ biến điệu tín hiệu L: Lock-in SR830

Ưu điếm của chươne trình là có sứ dụne phỏng tiếng việt trong Pascal và có h ư ớ n s dẫn tý

mi nôn việc sử d ụ n s rát thuận lợi Trẽn hình 11 là một tron 2 những dao diện cua chương trình Chương trình soạn tháo được đưa ớ phần phu lục

Máu đo đưực dật trong Dewar thạch anh Dewar được thiết kê sao cho có thế săn trẽn aiá dặt Irẽn ray q u a n g học và có thế dĩ c h u y ê n hằng ốc vi cấp đ ế đi ểu c h i n h á n h s á n2 rơi trên mẫu Cập nhiệt điện đổng-consiantan dược sư dụng đế đo nhiệt dỏ mẫu và được nối với hộ khống chè nhiệt độ tự lãp Đế tàng nhiệt độ cua máu và khòníỉ ché nhiệt dỏ, một In nho

c ô n s suàt 25\v được lãp vào nơi dặt mẩu

Bộ điều biến ánh sáng được thực hiện nhờ cánh quạt due lỗ nuói băng m ỏ tơ điện mọt chiều Tán sỏ điều hiến có thể thay đối nhò chiết áp nối với neuồn nuôi Bộ cánh dược thiết

kẽ bang m áy tính và nguồn nuôi ổn áp tự lãp ổ định dòng vì vậy sai số do tán biến diệu nho

Hình 1 1 Dao diên của chương trình

2.2 Tao máu

2 2 1 T a o n u a n g t r ờ

Từ vật liệu khối CdTe loại n có điện trớ suất khá caoí lO M C fQ m )có sẩn, dùng dao lách đê lấy manh đon tinh thể sau đó mài thành những hình khối có chiéu dày khoảne 0.5-

lm m để tạo quang trớ Bé mặt quang trở được đánh bóng, ãn mòn bằng dung dịnh Br +

M ethanol Điên cực được tạo b ans cách hàn Indium sau đó ủ nhiều giờ ở nhiệt độ khoáng ] 20"C Điện cực được nói ra ngoài bơi dãy đồng nhỏ Đ ế là bán cách điện

Kích thước mẫu nằm trong khoảng I 5 x l.5 m m đến 5x6m m

2.2.2 Tao photodiode

2.2.2 ] Tao diode từ chuvẽn tiếp p-n Si

* Các phiến chuyên liẽp p-n từ bán dẫn Silic có chiểu dầy khoáns 0.5 m m với các cực tạo sẩn được cưa cắt thành các m ánh nhò vói kích thước khác nhau nằn trong khoann từ 2.5.\3inm đến 5x6m m C ác cực được nối ra nauổn b ằ n<2 cách hàn dãy đỏng m ong

2.2.2.2 Tao djod từ tiép MIC Au-CdTc loai n

Với các mẫu CdTe dã làm sán như các quang trờ, chúng tỏi tiến hành tạo tiếp xúc Au vào

bé mặt Đẽ xét chùt lượng cùa các tiẽp xúc bề mặt cùa CdTe được gia cònt! \ ó'i những c h é

độ khác nhau: Đê mặt lóc lư nhiên, đánh bóng, đánh hóng sau dỏ cho ăn mòn

Tiẽp xúc được tao bằng cách cho lắng đọng AuCl, lẽn bé mặt hoặc cho hốc hay Au trong

c h â n k h ôn g

■> 7

2.3 Xác dinh các dãc trưng và thòng sỏ của quang trờ và photodiode.

Như phần lý thuvết đã trình bày, các đặc trưng, thóng số quan tro n2 của các linh k iện

q u a n g đ iệ n tử t r ê n g ồ m :

Điện trớ tối, thời gian quán tính

Đặc trưng sáng ( đường cong phụ thuộc của dòng quang dẫn vào cường độ sáng ) đặc trưng phố, đặc trưng tán số

Đ ặc trưng tán sô'

Tạp nội

Chúng tôi sẽ trình bày vắn tắt một số kết quả thu được dựa trên cơ sớ các phép đo trên

hệ đã được xây dựng

2.3.1 Các thõng sỏ' và dãc trung của quang tro

Đỏi với các quang trớ dược tạo từ đơn tinh thể CdTe loại n thiết diện chiếu sáng, diện

t rớ tối, di ện Irứ s áng ứng với các cường đ ộ ch iế u sáng k hác n ha u c ủ a m ộ t sô q u a n g trớ ớ nhiệt độ phòng được trình bày ở bang 1 Trên bảng 1 cũng đưa ra giá trị cúa độ nhạy khi chiếu ánh sáng cường độ 100 Lux và hằng số thời gian cua các quang trớ ớ nhiệt độ phòng

H àng sỏ thời gian được xác định từ các đặc trưng tần sô

Đ õ nhạy

A R / k ,(100 lux)

10Lux

50Lux

100Lux

500Lux

1000Lux

2100Lux

Bảng 1 M ột vài thông sổ cua các quang trở CdTe

Đặc trưng phổ cua các quang trờ cho thâv hầu hết đều có 2 cực đại ớ bước sóng xung quanh 840nm và 880nm Nguổn gốc các cực đai này được đoán nhặn theo báo cáo cùa chúng tỏi tại hội nghị khoa hoc vật liệu tại Hué 8.2000 và tại hội nahị khoa hoc Trường Đai hoc khoa hoc Tụ nhiên (11.2000 ) là ứng VỚI chuyên mức của điện tử từ vùna hoá trị lén

\ ùne dần và chuyên mức từ lâm sâu lên vùng dản [5.6]

Kcl quá cho thấy độ nhạy của các quang trớ chưa cao và không g iô n s nhau Nó gồm hai loại

* Loại thứ nhất có điện trớ nhỏ vã độ nhạy thấp ( q u a n s trớ đầu tiên trong b ả n2 1).Loại này có đặc trưng sáng không phải là đường thắne mà tuãn theo cõng thức (19) Tuy nhiên với các giá trị cường do sáns < 200 Lux d õ t h ị có đ ạ n s tuyến tính

Loại thứ hai ( 3 quang trớ có điện trớ cao trong b ans 1 ) có độ nhạy cao hơn Đ ãc Irưng sáng cua loạị này có dạng tuyên tính đèn tận hơn 2000 Lux ( cõng thức 17 ) Vì vậv loại này có thế dược s ứ d ụ n u đẽ xác định cường độ sáiiíi cua các bức xạ

Ọ II á 11 tính cua các quails trớ tuơníi doi lớn cỡ mi li giãy Tuy nhiên troniỉ thực té có the lãng tốc độ đáp ứng cùa các quang trớ trên băng cách tán ” cư ờ ns độ sán*:, Ịiiam trớ tái hoặc tăng nhiệt độ ơ các kết qua trên, hãng sỏ thời iỉian được đo với cưữniỉ độ ánh sán lí rát nhò ( <1 lux ) nếu tăng cườnạ độ sáng lẽn khoana 2000 lux ( tươnti đươii” với việc chiêu

m ột b ó ng đ è n CÕI12 suất vài clụic oát hội lu vào quan*: trò) thi hĩiniỉ so thoi tỉian c ó ihc iiiam

đi một cãp

23

Vì từ trước tới nay, các quang trớ thường được c h ế tạo là từ các vật liệu bán dẫn CdS PbS, CdSe, InSb, CdHgTe, Ge, Si, chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu cụ thế vể quang trớ từ bán dẫn CdTe nẽn rất khó đánh giá kết quả Tuy nhiên chúng tỏi chọn CdTe vì đây cũng là bán dả n n h ạ y q u a n g , có hê số hấ p thụ lớn và đ ộ n h ạ y cực đại n ằ m t rong m i ề n h ồ n g n goại gần nên việc tìm nguồn sáng trong việc sử dụng làm rơle quang cũng thuận lợi.

Đôi với CdTe chúng tôi nhận thấy nếu sử dụng quang trờ này làm nguồn ghi nhận bức

xạ, đặc biệt là n h ữ n g bức x ạ có n ăn g l ượng n h ỏ thì tốt nhất là có m àng bảo vệ bề m ặt vì

bề mật dề bị ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài như không khí, độ ẩm [5] Tuy nhiên nếu sử dụng làm rơle quang thì sự ảnh hường này không đáng kế

Ngoài ra chúng tói cũng bước đầu thử c hế tạo quang trỏ' bằng phương pháp tao m àng

17 J Các m àng này cũng khá nhạy quang, tuy nhiên quán tính của chúng lớn hơn so với các mẫu khối [12]

Tạp nội của các quang trớ được đo trên khuếch đại nhạy pha RS830 DSP Kết quá cho thấy tạp chủ yếu là l / f và khá lớn [6]

2.3.2 Các (hòng số và dăc trưng của photodiode

Trên bảng 2 là một số thông số của các photodiode được tao từ chuyển tiếp p-n Si Điện trớ phân cực ngược thav đổi là do chiếu ánh sáng với cường độ 3000 lux Thời gian quán tính được đo ứ ch ế độ quang áp

hề mật Ngoài ra, khi phàn cực ngược, hằng số thời gian giam xuống [8] Đế tìm th ế phân cực ngược lớn nhất c ó thế sử dụng, c h ú n g tỏi đã tiến h àn h đ o đặc trưng von- a m p e c u a tất

ca các mẩu Nhìn chung thê đánh thung nằm trong khoáng 4 0 V

Nhìn bảng 2 cũng thây có trườn2 hợp hằng số thời gian không ty lệ thuận với diện tích

bế mật Nguyên nhân là do điên dung ty lệ nghịch vói độ rộng vùng điện tích không gian Các kết quá do đặc trưng C-V cho thây nồng độ tap pha khỏna đều nhau tro n ” các photodiode vì vậy có sự sai lệch trên Nói chung muốn có photodiode với hằng sỏ thời gian

* nho cần giảm bế mặt chiếu sấna sứ dụng bán dẫn pha tap ít dùng thê ngược lớn tãna độ chiêu sail” cũng như giam chiểu dày mien chiếu sáim Đối với dièu kiện phòng thí Iiíỉhiệm

Lining toi c h i c ó t he t hự c h i ệ n vi ệc m a i n k í c h t h ư ớ c , t ã n t h ê p h á n c ụ c t ă n g c ư ờ n g đ ộ sánsi

đế suim thời gian quán tính Niioài ra trong khi sứ dụnsỉ có thế giảm trớ tài nếu được đẽ main thời gian quán tính cua photodiode Kêt qua đo cua chúng tỏi cho thấy thời iỉian quán Hull c u a c á c p h ot od i od e có thay đổi với trớ tái ví dụ, với m ẫ u có kí ch t hước 5x5m m chiiniỉ tòi thu được

Trên hình 12 là đặc trưng phố cứa một photodiode từ p-n Si.

Để đánh giá độ nhạv c ũ n g như q u á n tính của photodiode tự tạo chúng tói đã so sánh với kết quả đo một photodiode p-n Si sản xuất tại Trung Quốc trong cùng điều kiện như nhau: kích thước, cường độ chiếu sáng, trở tải Kết quả cho thấy độ nhạy cua m ẫu Trung Quốc lớn hơn nhưng độ chênh lệch không lớn Trái lại, thời gian quán tính cua m ẫu Trung Quốc là 2 , 4 m s còn Ihời gian quán tính của m ẫu tự tạo là 0,87ms Một số t h ôn g sỏ c ù a các photodiode làm từ tiếp xúc Au-CdTe được trình bày trẽn bảng 3 Điện trớ thay đổi với cường độ chiếu sáng là 2000 lux Trên báng 3 thấy rằng các

photodiode này n h ạ y hơn so với các photodiode làm từ chuyến tiếp p-n Si Tuy nhiên thời gian quán tính lại lớn hơn mặc dù điện dung lớp tiếp xúc nhỏ hơn rất nhiều Sở dĩ như vậy

vì vật liệu CdTe loại n mà chúng tôi sứ dụng có độ bù trừ cao , tuy điện dung nho nhưng điện

An tiêp xúc hơi lớn (ánh sáns được chiêu vào bề mặt có phu vànsz ) nên ánh sáne bị hãp thụ một phần khỏng nhỏ

Gia công Kích thước

Điện trớ phàn cực

quán tính[ms]

[M il]

pFLãng đọng

Ngoài ra, khi đo đường đặc trưng V on-A m pe chúng tôi thấy rằng các tiếp xúc này chưa phái là tiếp xúc Shottkv lý tướng vì hệ số lý tướng lớn ( cỡ 4 ) Hơn nữa, các hiệu ứns bể mặt trước khi tạo tiếp xúc Au cũng ảnh hướng tới các kết quả [10,11], Phép đo tạp nội trên các photodiode này cho thấy, phổ t ạp phu thuộc vào việc gia cõng bể mặt [6] Có thể cho rằng tạp chú yếu là t ap bể mặt.

Kết luận

Kế t q u à c h í n h c ủ a đề tài tà đ ã xâ y d ưn g được m ộ t hệ đ o p h ố q u a n g d ả n c ó g h é p nối VỚI

m áy tính từ một số thiết bị lẻ có sẩn và từ kinh phí hỗ trơ của để tài Trong hoàn cánh hiện nay, việc đẩu tư kinh phí để có thể m ua các thiết bị hiện đại có phần m ém tốt là rất đắt tiền

Hệ do đã ghóp phán cho cóng tác nghiên cứu khoa học và đãc biệt là cõng tác đào tạo nghành khoa học Vật liệu cũng như chuyên nghành Vật lý chất rắn tại khoa Vật lý Trường

Đ H K H T N

Ngoài ra, việc hiểu biết sáu sắc các hiện tượng vật lý xáv ra trong các linh kiện q u a n g '

đi ện tử n h ằ m h ỗ trợ c h o c ó ng n gh ệ c h ế tạo c ũ n g nh ư mụ c tiêu sử d ụ n g tối ưu c á c chức năng và nâng cao hiệu hiệu xuất sử dụng là lất quan trọng Nó là cẩu nối giữa khoa học

cơ bản khoa học ứng dụng và công nghệ Điều này đã được chứng minh trong quá trình thực hiện đề tài

Mặc dù điều kiện cõng nghệ còn khó khăn, chúng tói dã tạo được một so quang trớ và photodiode Đã do đạc các thòng sỏ và đặc truìig cùa các linh kiện trên Đ ã đánh giá chát lượng của các linh kiện đó

Hiện nay, liên thị trường có thế dễ dàng m ua một số quang trỏ, photodiode với giá cá phái chăng Tuy nhiên không phai việc tạo các linh kiện quang diện từ trong phòníi thí nghiệm là không có ý nehla Trước hết nó phục vụ tốt cho còng tác đào tạo Hơn nữa với chất lượne, cua các cám biến quang điện được c h ế tạo chúng tỏi hy vọng sẽ sứ dụng chúng làm các 1‘ơle ngắt mạch phục vụ cho các bài thực tập vật lý Đại cương có trong khoa và các bài thực tập chuyên dề

27

TÀI LIÊU TH A M K H A O[1] Simon Larach, Photoelectromc materials and devices

D.Van Nostrand com pany 1965

[2] N A Coboleva, photoelectronnưe priborư (Tiếng Naa)

H ayka M ockba 1965

[3] Hans Kuzm an, solid-state spectroscopy Springer 1998

[4J L Sharupich, N.Tugov, Optoelectronics Mir 1987

[5] Lẽ Thi Thanh Binh, Tạ Đình Canh, Nguyễn Thị Thục Hiền Lê Hồng Hà Nguvẻn NgọcLong và Trán Vĩnh Thắng, Hội tháo khoa học " Đào tạo nghiên cứu và ứnc dụng vé khoa học còng nghệ Vật liệu H uế năm 2000" Trang 223

[6] Nguyền Thị Thục Hiền Nguyền Toàn Thắng, Nguyễn Vũ Tùng , N guyễn Chí Thành

VÌ1 Trán Vĩnh Thắng " Xây dựng hệ đo phổ quang dần ghép nối với m áy tính và sử dụng hệ đo đế nghiên cứu một số thông số của cám biến bán đản" Báo cáo tai hội nghị khoa học Trrường Đ H K H T N năm 2000

[7] Nguyễn Sỹ Hái Tạ Đình Cánh, Nguyễn Thị Thục Hiển Nguyẻn Văn Khai

" Nghiên cứu một số tính chất quang điên cùa màng m ỏ n a CdTe chê’ tao bân tỉ

p hư ơ n g p h á p bốc bay nhiệt trong c hâ n khỏiiíi " Báo cáo tại hội ntihi k ho a hoc Trường Đ H K H T N năm 2000

[8] Nguyẻn Ngọc Châu Luân vàn tót nahiệp Đại học khoa Vật !ý T rườ n2 Đ H K H T N

n d ung[l]:= ' * Các chức năng chính của chương trình

ndung[2]:='Trong quá trình hệ đo hoạt động chương trình

n d u n g [ 3 ] : - s ẽ lưu lại số liệu nhận được vào một m ảng

ndung[4]:='đổng thời vẽ đổ thị theo số liệu đó

ndung[5]:='Sau khi kết thúc có thế ghi lai số liệu thu

ndung[6]:='được vào 1 file dạng *.qdn

ndung[7]:='Chức năng 2 : Vẽ đồ thị theo sô liệu của một

i n o i i s e h id e ; l i n e t o ( x l VI ):moLiseshovv:

por t [a ] : = 1 :delay(lt):

I if time <> 2ÍO then begin

time :=eio;vietngang(450,73 time, me );end:

if tm ouselpressed and mouse\vitlnn(596,8,610,20)) then

vietngang( 180,330,'File sô liệu : M);

vietngang( 180,350.'Kích thước mẫu : M); vietngang( 180,370.'Độ rộng khe (MĐS) : ỉ );

if ( t e n o " ) and kieufile(ten) then

Begin ten:= ten+ '.qdn’;

q LI a >’ 1II1 (II2 t r Lie);

End; | K e t íliuc procedure; c ongvi ec }

ÍBegin

vechunhat( 110, ] 8 0 , 3 6 0 , 3 7 5 , 1 , 1 15.7);

v ietngang(120,190,'Nhâp giới hạn của bước sóng : ' l ):

setcoĩor(l);line(140,210,320,210);

vietngang( 140,220,'Bước sóng (r)ầu : M);

vietngang( 140,240,'Bước sóng cuối : ’.1);

vietngang(125,265.'Miền xấc (r)ịnh của bưóc sóng:1,6);

end;

if mouselpressed and m ousew ithin(255.335.315,360) then

begin xdcv'O );break;end;

if key pressed then

End; i Ket thuc vong while I

End;End: {Ket thuc procedure Batdau Ị

Procedure Dttanso;

var p,q:Asolieu;chon:char;q] :pointer:

sodiem bl ,b2.i.j.bs,s 1 ,s2,sb,x,y,nn:\vord;

js.St ten: st3;code: integer:

kc 1 kc2,kc.hsx,hsy.tanso.dnhay,thm ax:real:

Begin

v ietn g a n g (7 0 ,130.' Chương trình xác (r)ịnh sự phu thuộc ’.15):

\ ietngang(55 150.'g/trị cua t.h quanc dẫn vào tần sỏ biến (Miêu’ 1 5 ):

se tfillsty le (1 0 ,l);b ar(3 3 7 ,2 5 7 ,6 19,459);

k c 2 := 2 8 4 /(s o d ie m - l);

for j:= 0 to sodiem-J do

vietdung(327+round(j*kc2 ),460,'-', 15); for j:= 0 to 6 do