Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn insb trong dải sóng hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2




CAO THỊ MINH HIỀN





NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb
TRONG DẢI SÓNG HỒNG NGOẠI






LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

HÀ NỘI - 2014




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2



CAO THỊ MINH HIỀN




NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb
TRONG DẢI SÓNG HỒNG 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 những lời đầu tiên trong bài luận văn của mình để đƣợc bày tỏ
lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của tôi tới các thầy cô giáo, những ngƣời
đã dìu dắt, dạy dỗ tôi trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến đã tận
tình hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm và hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến TS. Hoàng Ngọc Minh cùng các anh
chịtại phòng thí nghiệmQuang điện tử - Viện Vật lý đã tạo điều kiện, giúp đỡ
tôi thực hiện một số phép đo và có những đóng góp quý giá cho luận văn của
mình.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi học tập
nghiên cứu, giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Học viên



Cao Thị Minh Hiền

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi cùng nhóm
nghiên cứu.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


Cao Thị 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
difference
Độ phân giải nhiệt độ
QWIP
Quantumwell infrared
photodetector
Đầu thu giếng lƣợng tử
ROIC
Readout integration cỉcuit
Mạch đọc tín hiệu






MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
NỘI DUNG 4
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 4
1.1 Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại 4
1.1.1 Phổ sóng điện từ 4
1.1.2 Sự bức xạ hồng ngoại và nhiệt lượng tử 4
1.1.3. Vùng cửa sổ khí quyển (atmosphere window) 6
1.2 Cơ sở lý thuyết của các đầu thu hồng ngoại 7
1.2.1 Tiêu chuẩn phân loại các chủng loại đầu thu hồng ngoại 7

1.2.2 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng nhiệt điện không cần làm lạnh 9
1.2.3 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn 11
1.2.4 Các thông số đặc trưng của đầu thu hồng ngoại 14
1.3.1 Microbolometer 17
1.3.2 Pyroelectric 18
1.3.3 Tính chất các mạch tích phân FPA 19
1.4. Cơ chế làm việc và cấu tạo các cảm biến ma trận ảnh hồng ngoại
FPA(Focal plan array) 20
1.4.1 Nguyên lý hoạt động của ma trận cảm biến ảnh FPA dựa trên kiến
trúc CCD và CMOS 20
1.4.2 Cơ chế đọc dữ liệu CCD 23
1.4.3 Những tiến bộ trong công nghệ chế tạo 24
Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ QUANG DẪN TRONG BÁN DẪN
VÙNG CẤM HẸP InSb VÙNG HỒNG NGOẠI (𝜆 TỪ 3 ĐẾN 6 μm) 30
2.1 Các tính chất của tinh thể bán dẫn vùng cấm hẹp InSb 30
2.2 Các Tính Chất Của Detector Quang Dẫn InSb 33
2.2.1 Đường đặc trưng phổ 33
2.2.2 Đặc trưng nhiệt độ 34




2.2.3 Đặc trưng nhiệt độ tecmist 34
2.2.4 Đặc trưng nhiễu 35
Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DETECTOR InSb 36
3.1 Chế tạo mẫu 36
3.1.1 Xử lý hoá học bề mặt phiến 37
3.1.2 Làm sạch 39
3.1.3 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic 39
3.1.4 Quang khắc 41

3.1.5. Ăn mòn 51
3.2. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu, chế tạo mẫu. 58
3.2.1. Hoá chất ăn mòn, làm sạch 58
3.2.2. Thiết bị lọc nước i-on 58
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐO D* 60
4.1. Thiết kế hệ đo thông số D* 60
4.1.1 Giới thiệu chung về hệ đo thông số D* 60
4.2. Thiết kế chi tiết các mạch điện tử 61
4.2.1Thiết kế mạch điều khiển trung tâm (mạch số 1) 61
4.2.2. Thiết kế mạch điều chế tần số băm (mạch số 2) 67
4.2.3Thiết kế mạch điều khiển góc của gương quay (mạch số 3) 69
4.3. Kết quả đo thông số D* cho mẫu quang trở InSb ở nhiệt độ thấp 71
KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
1



MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vào đầu những năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử ra đời,
nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai trò quyết định
trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theo trong
tƣơng lai. Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ thuật
nhƣ truyền tin, đo lƣờng, điều khiển tự động,…Trong các linh kiện đó, quang
trở là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và công
nghệ, cũng nhƣ trong đời sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt đƣợc cƣờng độ
ánh sáng khi chiếu vào nó mà đã giúp cho ngành chế tạo cảm biến phát triển
mạnh. Có rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánh sáng, nhờ
những cảm biến ánh sáng mà các thiết bị hoạt động trở nên thông minh hơn.

Do hiện tƣợng hấp thụ, khí quyển trái đất chỉ cho sóng ánh sáng (là một
dạng sóng điện từ) truyền qua ở một số vùng phổ nhất định đƣợc gọi là vùng
cửa sổ khí quyển (atmosphere window). Đối với mỗi vùng ngƣời ta phải chế
tạo ra những loại cảm biến riêng và vật liệu truyền qua thích hợp. Cụ thể:
- Vùng nhìn thấy có bƣớc sóng λ = 0,4 đến 0,75m sử dụng các cảm
biến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt trời và các ống kính từ
thủy tinh quang học thông thƣờng.
- Vùng hồng ngoại gần (λ = 0,8 đến 1,8m) sử dụng các đầu thu PbS,
PbSe, ma trận CCD trên cơ sở vật liệu GaAs và các ống kính và cửa sổ từ tinh
thể thạch anh, saphire…
- Vùng hồng ngoại (λ từ 3 đến 6m) có vai trò rất quan trọng trong
khoa học và kỹ thuật vì tất cả các đông cơ của máy móc, ô tô, tàu thủy và cơ
thể con ngƣời đều phát xạ ra các bƣớc sóng này. Cảm biến sử dụng ở đây là
các quang trở và ma trận ảnh CCD làm từ vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp nhƣ
InSb, GaSb, AlSb hoạt động ở nhiệt độ ni-tơ lỏng (-196
o
C).
2



Chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu hiệu ứng 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 trong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb dải
sóng hồng ngoại(λ từ 0,35 đến 0,85m) ở nhiệt độ -196
o
C.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về linh kiện quang trở.
- Nghiên cứu phƣơng phápchế tạo mẫu, xây dựng hệ đo năng suất phat
hiện riêng D*của bán dẫn vùng cấm hẹp InSb trong dải sóng hồng ngoại (λ từ
3 đến 6 m) ở nhiệt độ -196
o
C.
4. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb có làm lạnh ở nhiệt độ ni-tơ lỏng
(-196
o
C).
- Công nghệ:
+ Bốc bay trong chân không tạo màng.
+ Ủ nhiệt.
5. Phƣơng 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 mới
Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn, tiếp theo để triển khai xây dựng hệ đo
D* và hƣớng chế tạo linh kiện quang dẫn nhạy vùng hồng ngoại (λ từ 3 đến
6m) ở nhiệt độ -196
o
C đƣa vào ứng dụng trong kỹ thuật.
3



Luận án tốt nghiệp bao gồm các phần chính sau:

NỘI DUNG
Chƣơng 1. Tổng quan về cảm biến hồng ngoại
Chƣơng 2.Nghiên cứu cơ chế quang dẫn trong bán dẫn vùng cấm hẹp
InSb vùng hồng ngoại (𝜆 từ 3 đến 6 μm)
Chƣơng 3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb
Chƣơng 4. Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ đo D*, kết quả đo
KẾT LUẬN












4



NỘI DUNG
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
1.1 Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại
1.1.1 Phổ sóng điện từ
Ánh sáng là một 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 cho đến sóng

vô tuyến điện, bƣớc sóng càng ngắn thì năng lƣợng càng lớn Hình 1.1 Chỉ ra
vùng bƣớc sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại có bƣớc sóng
0.2 đến 0.35m qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76m cho đến vùng hồng
ngoại gần và xa 100m. Con mắt ngƣời chỉ cảm nhận đƣợc hình ảnh trong
vùng ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4 đến 0,76 m. Đây là một vùng
rất hẹp của toàn bộ dải sóng điện từ đặc biệt vùng hồng ngoại trung đƣợc phát
ra từ mô-tơ, động cơ đang hoạt động, và vùng hồng ngoại xa bức xạ từ thân
thể động vật và ngƣời ngày càng đóng một vai trò quan trọng.
1.1.2 Sự bức xạ hồng ngoại và nhiệt lượng tử
Bức xạ hồng ngoại là sóng điện từ có bƣớc sóng nằm trong khoảng từ
0,75 m tới 100 m(ứng với năng lƣợng tƣơng đƣơng từ 1,65eV đến
1.2meV). Bức xạ hồng ngoại đƣợc tạo ra do dao động của các hạt vi mô
(nguyên tử) trong các cấu trúc vật chất. Nhiệt độ vật thể càng cao thì dao
động càng lớn và năng lƣợng phát xạ càng cao. Lý thuyết cho sự phát xạ này
dựa trên mô hình vật đen tuyệt đối. Nó hấp thụ hết tất cả các bức xạ.Công suất
phát xạ W và số lƣợng photon phát ra P đƣợc biểu diễn qua các công thức phụ
thuộc vào nhiệt độ của vật đen theo định luật Planc:
]1)[exp(
2
),(
1
5
2



kT
hc
ch
TW





(1.1)
5




]1)[exp(
2
),(
1
4



kT
hc
ch
TP




(1.2)
Ở đây:
- W có đơn vị là W/cm
2

m và P có đơn vị là photon/scm
2
m;
- λ : bƣớc sóng,
- T : nhiệt độ;
- h: hằng số Planc;
- c: tốc độ ánh sáng
- k: hằng số Bolzman.

Hình 1.1. Phổ phát xạ của vật đen
Nhiệt độ vật càng cao thì năng lƣợng bức xạ đỉnh đƣợc phát ra ở các
bƣớc sóng ngắn hơn càng lớn. Qua đó ta thấy:
Hình 1.1 chỉ ra quan hệ của các phân bố bức xạ nhiệt đƣợc phát ra từ 1
vật đen tuyệt đối trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của vật theo bƣớc sóng.
- Vật có nhiệt độ 6000K (thí dụ: mặt trời, đèn dây tóc) sẽ phát ra phổ cực
đại ở bƣớc sóng màu xanh 0,53μm.
- Cơ thể ngƣời và động vật phát ra một phổ có đỉnh ở bƣớc sóng gần
6



10 m.
- Xe tăng, máy bay (800K), động cơ sẽ phát phổ cực đại ở vùng 3-5 m.

Hình 1.2. Sự truyền qua khí quyển của các phổ bức xạ
1.1.3. Vùng cửa sổ khí quyển (atmosphere window)
Khi truyền qua khí quyển, năng lƣợng của phổ bị suy yếu do quá trình
tán xạ và hấp thụ gây ra bởi nguyên tử khí nhỏ, khói, hơi nƣớc Thực tế chỉ
có một số vùng có độ hấp thụ nhỏ nhất và cho phép phần lớn bức xạ hồng
ngoại đi qua. Chúng đƣợc gọi là cửa sổ khí quyển. Tƣơng ứng với từng vùng

của sổ này, ngƣời ta đã nghiên cứu phát minh ra các chủng loại đầu thu hồng
ngoại sau đây:
1. Vùng cận hồng ngoại (NIR) có bƣớc sóng từ 0,78 đến 1 m: các đầu
thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh
2.Vùng hồng ngoại ngắn SWIR có bƣớc sóng từ 1 đến 3m: đầu thu PbS,
PbSe…
3.Vùng hồng ngoại trung MWIR có bƣớc sóng từ 3 đến 6m. Đầu thu sử
dụng ở đây là linh kiện quang dẫn InSb hoặc ma trận cảm biến ảnh InSb đƣợc
làm lạnh ở nhiệt độ N
2
lỏng 77K. Vùng này có độ tƣơng phản cao, thích hợp
với điều kiện môi trƣờng khí quyển nhiều ánh sáng và không khí ẩm ƣớt nhƣ
7



ở vùng nhiệt đới.
4.Vùng hồng ngoại dài LWIR có bƣớc sóng 6-15m. Đầu thu sử dụng ở
đây là photodiode hoặc ma trận cảm biến ảnh HgCdTe đƣợc làm lạnh ở nhiệt
độ N
2
lỏng 77K hoặc các đầu thu không cần làm lạnh dựa trên công nghệ vi
cơ điện tử MEM. Đầu thu loại này có độ nhạy cao so với một sự thay đổi
nhiệt độ rất nhỏ phát ra từ các vật thể. Bức xạ hồng ngoại loại này có độ
xuyên thấu cao hơn trƣớc không khí nhiễm khói bụi hoặc không khí có sƣơng
mù và băng tuyết lạnh nhử ở nhiều nƣớc châu Âu và Bắc Mỹ. Ngoài ra ảnh
thu đƣợc có độ ổn định cao trƣớc hiện tƣợng giác loạn không khí cho nên có
thể quan sát đƣợc các vật thể ở cự ly rất xa (vài chục km).
5.Vùng hồng ngoại xa hay vùng ảnh nhiệt có bước sóng từ 15 đến
1000


m. Các đầu thu ở vùng này thƣờng hoạt động theo nguyên lý giếng
lƣợng tử đƣợc làm lạnh ở nhiệt độ He lỏng 0K. Chúng chủ yếu đƣợc dùng cho
các ống kính giám sát trái đất từ vệ tinh hoặc các kính thiên văn vũ trụ.
Hai vùng cửa sổ khí quyển là MWIR bƣớc sóng 3-6m và vùng LWIR
bƣớc sóng 8-14 m giữ một vai trò quan trọng đặc biệt đối với quốc phòng an
ninh, bởi vì hầu hết các vũ khí, khí tài đều đƣợc thiết kế chế tạo hoạt động
dựa trên đó.
1.2 Cơ sở lý thuyết của các đầu thu hồng ngoại
1.2.1 Tiêu chuẩn phân loại các chủng loại đầu thu hồng ngoại
Từ sau năm 1945 khi phát hiện ra chất bán dẫn, đã có rất nhiều phát
minh sáng chế làm nền tảng cho sự phát triển các loại vật liệu và cảm biến
cho vùng hồng ngoại hiện đại. Ngày nay đã có hàng nghìn loại đầu thu hồng
ngoại khác nhau đƣợc sử dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống con ngƣời.
Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau:
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
8



làm thay đổi độ dẫn điện (bolometer), thay đổi điện dung (pyrometer), thay
đổi độ giãn nở vật liệu (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 lƣợng tử

1.2.1.2. Phân loại theo chức năng hoạt động
Cụ thể
- Đầuthu năng lƣợng
- Cảm biến ma trận hình ảnh FPA (focal plan array). Do các cảm biến
này khi hoạt động còn cần đến hàng loạt các mạch tích phân ngoại vi nhƣ:
mạch đọc và khuếch đại tín hiệu từ các pixel của ma trận, mạch tạo xung nhịp
điều khiển, mạch trộn kênh multiplexing, mạch biến đổi AD và mạch truyển
sang tín hiệu video…nên ở đây còn có thể phân loại theo những tiêu chí sau:
* Mạch lai ghép hybrid nhƣ trong CCD
*Mạch đơn chip monolithic(tất cả trên cùng 1 chip) nhƣ trong CMOS.
Hình 1.3 chỉ ra thời điểm của các phát minh quan trọng làm nền tảng trên.
Đặc biệt là 2 vùng hồng ngoại trung và xa. Bảng 1.1 liệt kê các chủng loại đầu
thu hồng ngoại.

Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các đầu thu hồng ngoại

9



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 làm lạnh
Cụ thể gồm những loại sau
1.2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện (thermal effect)
Sự hấp thụ năng lƣợng nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất vật liệu. Qua đó
chúng đƣợc chuyển đổi thành tín hiệu điện có tỉ lệ tƣơng ứng. Đầu thu loại
này hoạt động theo 2 cơ chế: Hấp thụ và chuyển đổi:
1.2.2.2 Đầu thu pyroelectric hoặc ferroelectric
Đầu thu đƣợc cấu tạo bằng các vật liệu mà tính chất phân cực bị biến đổi
theo sự thay đổi nhiệt độ. Các đầu thu này hoạt động theo chế độ xung. Dòng

điện sinh ra do sự thay đổi độ phân cực này sẽ đƣợc chỉ thị bằng một mạch
điện khuếch đại bên ngoài.
Bảng 1.1: So sánh các loại vật liệu đầu thu

Loại đầu
thu
Ƣu điểm
Khuyết điểm
Nhiệt điện
Gọn nhẹ, chắc chắn, độ tin
cậy cao, giá thành rẻ, không
cần làm lạnh
Năng suất phát hiện thấp ở tần
số cao, thời gian đáp ứng chậm
(cỡ trên ms)
Quang điện


Vật liệu
thuần A
IV
-
B
VI

Sử dụng các loại vật liệu
vùng cấm thấp thông dụng,
công nghệ chế tạo đã hoàn
chỉnh
Độ bền cơ học kém)

Vật liệu
thuần A
II
-
B
VI

Sử dụng các loại vật liệu dễ
điều chỉnh vùng cấm, công
nghệ chế tạo đã hoàn chỉnh,
Không đồng nhất cho diện tích
lớn, giá thành nuôi cấy và gia
công thành linh kiện vi điện tử
10



đầu thu đa phổ
cao
Vật liệu
thuần A
III
-
B
V

Vật liệu có độ nhạy cao, dễ
pha tạp, công nghệ chế tạo
tiên tiến, dễ tích hợp thành
mạch đơn chip

Công nghệ epitaxy với khả
năng làm lệch mạng tinh thể
cao
Vật liệu
pha tạp
Hoạt động ở vùng bƣớc
sóng dài, công nghệ chế tọa
tƣơng đối đơn giản
Làm việc ở chế độ làm lạnh ở
nhiệt độ rất thấp (cần đến He
lỏng)
Hạt tải tự do
Giá thành rẻ, dễ tạo thành
trƣờng 2D
Hiệu suất lƣợng tử thấp. Cần
làm lạnh ở nhiệt độ N2 lỏng
Giếng lƣợng
tử
Nuôi cấy tinh thể đơn giản,
có độ đồng nhất cao trên
diện tích lớn, đầu thu đa
màu Tỉ lệ tái hợp thấp, dễ
điều chỉnh độ nhạy phổ
Hiệu suất lƣợng tử thấp. Thiết
kế và công nghệ chế tạo phức
tạp.
Nhạy với các chỗ chuyển tiếp

1.2.2.3 Đầu thu thermistor và micro-bolometer
Các thermistor hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Tín

hiệu ra đƣợc chỉ thị theo 2 cách: Theo hiệu điện thế hoặc theo dòng điện. Một
đầu thu microbolometer là một trƣờng 2 chiều các vi thermistor. Những tiến
bộ có tính cách mạng trên lĩnh vực vi điện tử và MEMS đã cho phép tạo ra
các mạch đọc tích hợp ngay trên các phiến bolometer. Công nghệ này đã cho
ra các ảnh hồng ngoại chất lƣợng rất cao. Tuy hiện tại còn kém các đầu thu
quang điện nhƣng những tiến bộ về công nghệ sẽ bảo đảm đạt đƣợc một chất
lƣợng ảnh tƣơng đƣơng trong một thời gian không xa nữa. Ƣu điểm của các
đầu thu loại này là có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần làm lạnh
hoặc hút chân không. Kết quả là sẽ giảm đƣợc giá thành một cách đáng kể
(dƣới 10.000 USD so với hàng chục đến vài trăm nghìn USD nhƣ loại cần
11



làm lạnh).
1.2.2.4 Đầu thu microcantilever
Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng cặp nhiệt điện. ở đây các cặp
nhiệt siêu nhỏ cantilever (đƣợc tạo ra bằng công nghệ MEMS) trên cùng 1
tấm đế silic tạo nên một tụ điện. Sự chênh lệch do hệ số dãn nở nhiệt khác
nhau của hai vật liệu kim loại sẽ tạo nên một sự vi dịch chỉnh tƣơng đối của
cantilever. Nó sẽ làm thay đổi điện dung của tụ điện, qua đó chuyển thành tín
hiệu đọc.
1.2.3 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn
Loại này cần làm lạnh bằng Nitrogen hoặc He. Thí dụ nhƣ dựa trên các
chất bán dẫn nhƣ PbS, PbSe, hoặc bán dẫn vùng cấm hẹp nhƣ 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 đƣợc nhờ nhiệt độ, độ
pha tạp hoặc chiếu sáng bên ngoài.
Nền tảng cho hoạt động của tất cả các thiết bị quang điện tử là 2 hiệu
ứng sau:

- Sự hấp thụ photonđể 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 trốngđể tạo ra phát xạ photon. Thí dụ các
nguồn sáng bán dẫn nhƣ LED (tái hợp tự phát) và laser (tái hợp cộng hƣởng).
1.2.3.1 Hiệu ứng quang dẫn
Các photon của bức xạ hồng ngoại sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống
trong 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 lƣợng dòng photon ánh sáng chiếu vào nhờ đo dòng điện chạy qua.
Lúc đầu, khi chƣa chiếu sáng thì không có dòng điện chỉ thị (độ dẫn =0). Khi
12



tăng cƣờng độ chiếu sáng dòng điện sẽ tăng lên. Tuy nhiên việc tăng cƣờng
độ chiếu sáng đến một ngƣỡng nào đó sẽ bị bão hòa (dòng điện sẽ không tăng
lên nữa).
1.2.3.2 Hiệu ứng quang điện
Cũng tƣơng tự nhƣ trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo ra
các hạt tải tự do là điện tử và lỗ trống trong vật liệu bán dẫn. Tuy nhiên số hạt
tải này không dàn khắp phiến bán dẫn nhƣ 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 ƣu điểm có tốc độ đáp ứng quang điện rất nhanh
còn có độ khuếch đại cao hơn hẳn linh kiện dựa trên hiệu ứng quang dẫn.
Các đầu thu loại này còn đƣợc phân ra theo các họ sau đây.
1.Photodode, photo transistor
Khi năng lƣợng photon ánh sáng hồng ngoại đập vào đầu thu lớn hơn
hay bằng năng lƣợng 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 hợp giá trị của dòng điện sẽ đƣợc chỉ thị.Các đầu thu này làm việc ở
vùng điện áp ngƣợc (reverse –bias) của diode; điều đó cho phép giảm cƣờng
độ dòng điện đi qua (đồng thời giảm luôn hao tổn). Ngoài ra các đầu thu này
ít bị nhiễu do các hạt tải đã bị rút hết khỏi vùng tiếp giáp p-n (vùng nghèo).
Vật liệu chế tạo các đầu thu loại này ngoài đơn tinh thể Si và Ge còn là các
hợp chất bán dẫn gốc A
III
B
V
nhƣ GaAs, InSb; A
II
B
VI
nhƣ HgCdTe, InGaAs.
2.Đầu thu giếng lượng tử QWIP (Quantumwell Infrared Photodetector)
Đầu thu loại này cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏng cấu tạo từ các vật liệu
bán dẫn vùng cấm hẹp A
III
B
V
mà điển hình là GaAs và AlGaAs xếp xen kẽ
nhau. Đầu thu QWIPs có nhiều ƣu điểm nhƣ: có trở kháng và thời gian đáp
ứng cao, tiêu thụ ít năng lƣợng, dễ dàng sản xuất các ma trận kích thƣớc lớn.
Nhờ cấu tạo từ các vật liệu chất lƣợng cao làm việc ở nhiệt độ thấp sâu nên
13



QWIP rất thích hợp cho các vùng phổ hồng ngoại có bƣớc sóng cực dài. Hình
1.4 giới thiệu 2 cấu hình đƣợc sử dụng trong việc chế tạo ra các ma trận cảm

biến QWIP.

Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn mức các mức năng lượng trong cấu trúc giếng
lượng tử. a. nhảy và mở rộng và b. nhảy đến vùng cực tiểu. 3 cơ chế tạo nên
dòng tối được biểu diễn qua a. sự chui hầm tuần tự ở trạng thái cơ sở (1); sự
xuyên hầm được hỗ trợ bởi nhiệt độ (2) và sự bức xạ nhiệt (3). Vùng xám là
trạng thái mở rộng mà dòng điện chạy qua.

a. QWIP dạng nhày trực tiếp (bound to continuum). Ở đây các điện tử photon có
thể thoát khỏi các giếng lƣợng 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
đƣợc giảm đáng kể, qua đó giảm luôn đƣợc dòng tối (giảm nhiễu nhiệt).
b. QWIPdạng truyền tải đến vùng năng lượng cực tiểu (miniband
transport).Ở đây Các hạt tải tự do đƣợc tạo ra qua sự hấp thụ photon hồng
ngoại trong các giếng lƣợng tử đƣợc pha tạp sẽ đƣợc tải đến vùng năng lƣợng
cực tiểu cho đến khi đƣợc tích lũy và bị một giếng khác bẫy lại. Loại QWIP
này có độ khuếch đại thấp hơn loại đầu thu QWIP ở trên bởi vì các điện tử
14



sau khi phải đi xuyên qua nhiều rào chắn mỏng sẽ mất đi độ linh động.
1.2.4. Các thông số đặc trưng của đầu thu hồng ngoại
Có rất nhiều thông số để đánh giá chất lƣợng 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. Cần
phân biệt phạm vi làm việc của các đầu thu: vùng sóng ngắn (SWIR) từ 1-
3m; sóng trung MWIR từ 3-5m; sóng dài 8-14m. Độ nhạy phổ của từng
loại vật liệu phụ thuộc vào bƣớc 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
thu photon cần phải làm lạnh.
Tham số quan trọng khác là độ phân giải nhiệt độ NETD (noise
equivalent temperature difference). Nó cho biết độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ
nhất mà đầu thu còn cảm nhận đƣợc.
1.2.4.2. Năng suất phát hiện riêng D* và thông lượng nền
Đại lƣợng đo phẩm chất năng suất phát hiện riêng D* là thông số quan
trọng nhất của một đầu thu hồng ngoại. Nó phản ánh tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SNR và đƣợc biểu diễn qua công thức sau:
𝑫
∗
=

𝑨∆𝝀
𝑵𝑬𝑷
= 𝑺𝑵𝑹𝒄𝒎

𝑯𝒛/𝑾 (1.3)
Trong đó: SNR là tỉ sổ tín hiệu trên tạp, A là diện tích mặt nhạy quang,
 là độ rộng băng tần quan sát, NEP (noise equivalent power) công suất
nhiễu tƣơng đƣơng ồn và bằng Vn/R với Vn là trung bình bình phƣơng điện
thế nhiễu và R là hiệu suất tín hiệu điện áp ra trên năng lƣợng photon đến.
Nhƣ vậy D* đặc trƣng cho không chỉ phổ phát xạ của vật đen mà còn
bao hàm cả độ nhạy phổ của đầu thu, diện tích đầu thu, góc trƣờng, nhiệt độ
nền, tấn số điều chế. Rõ ràng D* càng cao thì phẩm chất đầu thu càng tốt.
15



Hình 1.5 minh họa tham số D* của một số vật liệu chế tạo đầu thu. Qua đó ta

thấy trong vùng 3-5 m các đầu thu InAs, InSb và PbS có chất lƣợng tốt nhất
nhiệt độ 77K; trong vùng 8-12 m thì vật liệu HCT là tốt nhất.

Hình 1.5Năng suất phát hiện riêng D* của một số vật liệu chế tạo đầu thu IR

1.2.4.3 Tính đồng đều của đầu thu và dải động của cảm biến
Do công nghệ chế tạo, độ nhạy của các pixel trong 1 đầu thu hồng ngoại
dạng ma trận là không nhƣ nhau và đƣợc đo lƣờng bằng độ lệch chuẩn (%).
Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng tạo ảnh và dải động của đầu thu.
1.2.4.4 Định dạng và kiến trúc của đầu thu
Có 2 phƣơng pháp chế tạo mạch tích hợp 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 phƣơng pháp monolithic ma
trận các đầu thu hồng ngoại và mạch đọc tích hợp đƣợc cấy ngay trên cùng
một chip bán dẫn (phƣơng pháp epitaxi). Trong phƣơng pháp lai ghép, mạch
ma trận đầu thu và mạch đọc đƣợc cấy trên các chip khác nhau. Sau đó chúng
16



đƣợc nối ghép với nhau. Chúng có ƣu điểm là không bị lỗi khuyết tật của
phiến tinh thể bán dẫn, song lại không có độ tích hợp cao, thời gian đáp ứng
chậm hơn
1.3. Cơ chế làm việc và cấu tạo các cảm biến ma trận ảnh hồng ngoại
không cần làm lạnh
Nhƣng năm gần đây, trên cơ sở công nghệ MEMS một số hãng của Mỹ,
Nhật và Đức đã đƣa ra thị trƣờng các camera sử dụng đầu thu theo nguyên lý
micro-bolometer, pyroelectric hoặc ferroelectric không cần làm lạnh. Chất
lƣợng ảnh của các camera loại này thấp hơn các camera đƣợc làm lạnh. Tuy
nhiên vẫn thích hợp trong việc quan sát các mục tiêu ở cự ly gần (dƣới 5

km). Lợi thế của loại đầu thu MEM này là có giá thành rẻ hơn hệ làm lạnh ít
nhất 5 lần. Chính vì vậy mà các camera nhiệt không cần làm lạnh này đƣợc
tiêu thụ ngày càng tăng không chỉ trong quân sự mà còn trong nhiều ứng
dụng dân sự.

Hình 1.6.Mạch đầu thu bolometer
Đơn giá thấp nhất của các camera dùng đầu thu microbolometer,
pyroelectric và ferroelectric là 15.000$. Độ phân giải nhiệt NETD đạt tối
thiểu khoảng 100mK. Bảng 2.1 trên liệt kê thông số các đầu thu đã đƣợc các
hãng lớn nhất trên thế giới chế tạo. Sau đây là cấu tạo và tính năng của các
loại đầu thu này:
17



1.3.1 Microbolometer
Các đầu thu bolometer thƣờng đƣợc chế tạo theo hai cấu hình mạch đƣợc
minh họa trên Hình 1.6. Trong mạch cầu (hình trái) phải dùng 2 đầu thu: 1 để
chuẩn và 1 để đo. Khi bức xạ hồng ngoại chiếu tới đầu đo sẽ làm thay đổi
điện trở của nó và thay đổi dòng điện qua R2 (tỉ lệ với tín hiệu ra). Trong cấu
hình mạch AC (hình phải), tín hiệu ra chính là sự thay đổi điện áp thông qua
tụ điện.


Hình 1.7. Cấu trúc cầu trong đầu thu microbolometer của hãng Honeywell
Các đầu thu bolometer đầu tiên đƣợc chế tạo dựa trên vật liệu Platin.
Ngày nay các đầu thu hiện đại dựa trên cấu trúc đơn chip bằng công nghệ vi
điện tử và MEMS sử dụng vật liệu chuẩn là VOx. Cấu tạo và cơ chế hoạt
động của 1 pixel đƣợc biển diễn trong hình 1.6. Diện tích thu nhận là màng
mỏng từ vật liệu Si3N4 dầy 0,5 m đƣợc phủ 1 lớp nhạy tia hồng ngoại bằng

vật liệu VOx. Lá này đƣợc tựa trên tấm đế bán dẫn Si bằng các chân (vật liệu
Si3O4) có phủ lớp kim loại dẫn điện. Trên mặt phiến Si đƣợc phủ một lớp
màng mỏng phản xạ để cho các photon nhiệt xuyên qua sẽ phản xạ ngƣợc lại
và đƣợc hấp thụ ở lớp VOx. Qua đó làm tăng hiệu suất hấp thụ. Khe hở giữa
lá và tấm đế bằng 2,5 m = 1/4 bƣớc sóng tia tới 10 m. Vật liệu hấp thụ
18



nhiệt chuẩn là VOx tuy nhiên có thể sử dụng Si vô định hình để cải thiện
nhiễu 1/f. Hãng Mitshubishi lựa chọn vật liệu là Ti hoặc bán dẫn p-n.
Các hãng sản xuất thƣờng là các tổ hợp hàng không vũ trụ và quân sự
của Mỹ nhƣ:
- Honeywell, Raytheon, Boeing: ma trận đầuthu 240320 phần tử với
kích thƣớc mỗi pixel là 5050 m đã đƣợc sản xuất trên đế (wafer đƣờng
kính 4 in) theo chuẩn công nghiệp. Mạch đọc đƣợc tích hợp bên dƣới Si.
- Lockheed Martin: ma trận 640480 với kích thƣớc pixel 2828 m và
NETD là 60 mK.
- Hãng Radford đã tạo ra mảng 240320 pixel với các pixel VO2 vuông
50 m 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 vật liệu truyền thống nhƣ các hãng của Mỹ mà là các chất bán
dẫn p-n diode. Tuy chƣa thể so sánh đƣợc với các hãng của Mỹ nhƣng các
vật liệu tiến tiến này cũng hƣa hẹn những triển vọng ứng dụng to lớn trong
dân sự.
1.3.2 Pyroelectric
Đầu thu pryroelectric hoạt động dựa trên sự thay đổi trạng thái phân cực
của vật liệu điện môi khi nhiệt độ thay đổi. Đầu thu loại này thƣờng đƣợc chế
tạo nhƣ một tụ điện, cơ chế đọc tín hiệu ra đƣợc minh họa qua Hình1.8.

Hình 1.8. Mạch tương đương của đầu thu pyroelectric và bộ khuếch đại