Luận văn nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn insb trong dải sóng hồng ngoại

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
■ * • TRƯỜNG ĐAI HOC sư PHAM HÀ NÔI 2
• • • •
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 2
• • • •
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
Tôi xin dành những lời đầu tiên trong bài luận văn của mình để được bày tỏ
lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của tôi tới các thày cô giáo, những người
đã dìu dắt, dạy dỗ tôi trong suốt thòi gian qua.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi ttong 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 được hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Học viên
Л
Cao Thị Minh Hiên
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 chưa
được công bố ttong bất kỳ công trình nào khác.
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn
Cao Thi Minh Hiền
s
LỜI CẢM ƠN
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 do chọn đề tài
Vào đàu những năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử ra
đòi, nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai ttò quyết
định trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theo

ttong tương lai. Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ
thuật như truyền tin, đo lường, 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 như ừong đòi sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt được
cường 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 tượng hấp thụ, khí quyển ừái đất chỉ cho sóng ánh sáng (là
một dạng sóng điện từ) truyền qua ở một số vùng phổ nhất định được gọi là
vùng cửa sổ khí quyển (atmosphere window). Đối với mỗi vùng người ta
phải chế tạo ra những loại cảm biến riêng và vật liệu truyền qua thích hợp.
Cụ thể:
- Vùng nhìn thấy có bước sóng X = 0,4 đến 0,75 |xm sử dụng các cảm
biến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt tròi và các ống
kính từ thủy tinh quang học thông thường.
- Vùng hồng ngoại gần (X, = 0,8 đến l,8^im) 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, saphừe
- Vùng hồng ngoại (À- từ 3 đến 6jj,m) có vai trò rất quan trọng trong
khoa học và kỹ thuật YÌ tất cả các đông cơ của máy móc, ô tô, tàu
thủy và cơ thể con người đều phát xạ ra các bước sóng này. Cảm biến
7
sử dụng ở đây là các quang trở và ma trận ảnh CCD làm từ vật liệu
bán dẫn vùng cấm hẹp như InSb, GaSb, AlSb hoạt động ở nhiệt độ
ni-tơ lỏng (-196°C).
Chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu hiệu úng 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 ttong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb
dải sóng hồng ngoại(À, từ 0,35 đến 0,85um) ở nhiệt độ -196°c.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về linh kiện quang trở.
- Nghiên cứu phương 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 (À, từ 3 đến 6 um) ở nhiệt độ -196°c.
4. Đổi tượng, phạm vỉ nghiên cứu
- Vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb có làm lạnh ở nhiệt độ ni-tơ
lỏng (-196°C).
- Công nghệ:
+ Bốc bay trong 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 mới
8
Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn, tiếp theo để triển khai xây dựng hệ
đo D* và hướng chế tạo linh kiện quang dẫn nhạy vùng hồng ngoại (k từ 3
đến 6fim) ở nhiệt độ -196°c đưa vào ứng dụng ttong kỹ thuật.
Luận án tốt nghiệp bao gồm các phần chính sau:
NỘI DUNG
Chương 1. Tồng quan về cảm biến hồng ngoại
Chương 2.Nghiên cứu cơ chế quang dẫn trong bán dẫn vùng cấm hẹp
InSb vùng hồng ngoại (Ắ từ 3 đến 6 um)
Chương 3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb Chương 4.
Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ đo D*, kết quả đo KẾT LUẬN

■
NỘI DUNG
Chương 1
TỔNG QUAN VÈ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
1.1Vùng 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, bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn Hình
1.1 Chỉ ra vùng bước sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại
có bước sóng
1. 2 đến 0.35|Ш1 qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76|Ш1 cho đến vùng
hồng ngoại gần và xa 100|Ш1. Con mắt người chỉ cảm nhận được
hình ảnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 đến 0,76
|Ш1. Đây là một vùng rất hẹp của toàn bộ dải sóng điện từ đặc biệt
vùng hồng ngoại trung được phát ra từ mô-tơ, động cơ đang hoạt
9
động, và vùng hồng ngoại xa bức xạ từ thân thể động vật và người
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 bước sóng nằm trong khoảng từ
1, 75 |Ш1 tới 100 Jj,m(ứng với năng lượng tương đương từ l,65eV đến
1.2meV). Bức xạ hồng ngoại được 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 lượng 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 lượng photon phát ra p được
biểu diễn qua các công thức phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen theo
định luật Plane:
2 /1^ Vtf* ^

щ
Л
'
Т ) =
_я^с_
[(а
р(^)-1] (1.1)
w,r) = ^rЧехр^Н]
1
(1.2)
ở đây:
- w có đơn vị là w/cm
2
|j,m và p có đơn vị là photon/scm
2
Ịim;
- X : bước sóng,
- T : nhiệt độ;
- h: hằng số Plane;
- с: tốc độ ánh sáng
- k: hằng số Bolzman.
1
0
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 |Ш1.

- Cơ thể người và động vật phát ra một phổ có đỉnh ở bước sóng gần
Hình 1.2. Sự ữuyền qua khỉ quyển của các phổ bức xạ
1.1.3. Vùng cửa sỗ khí quyển (atmosphere window)
1
1
0.2 (UTI 0.5 1 a 5 10 20 100(Jinr 0.1cm I.Dcm 1.0 m
Human vision Wavelength (not to scale) Imaging radar
■* * Thermal IR scanners Ka-Band
_ . ._______ *____________________> X-Band
Photographic cameras Q Band
L-Band
Electro-optical sensors P-Band
< *———>
10 ịim.
- Xe tăng, máy bay (800K), động cơ sẽ phát phổ cực đại ở vùng 3-5 |xm.
Khi truyền qua khí quyển, năng lượng của phổ bị suy yếu do quá
trình tán xạ và hấp thụ gây ra bởi nguyên tử khí nhỏ, khói, hơi nước
Thực tế chỉ có một số vùng có độ hấp thụ nhỏ nhất và cho phép phàn
lớn bức xạ hồng ngoại đi qua. Chứng được gọi là cửa sổ khí quyển.
Tương ứng với từng vùng của sổ này, người ta đã nghiên cứu phát minh
ra các chủng loại đầu thu hồng ngoại sau đây:
2. Vùng cận hồng ngoại (NIR) có bước sóng từ 0,78 đến 1 ụ,m: các đầu
thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh
3. Vùng hồng ngoại ngắn SWIR có bước sóng từ 1 đến 3fim: đầu thu PbS,
PbSe
4. Vùng hồng ngoại trung MWIR có bước sóng từ 3 đến 6|j,m. Đầu thu sử
dụng ở đây là linh kiện quang dẫn InSb hoặc ma trận cảm biến ảnh
InSb được làm lạnh ở nhiệt độ N
2
lỏng 77K. Vùng này có độ tương

phản cao, thích họp với điều kiện môi trường khí quyển nhiều ánh
sáng và không khí ẩm ướt như
1
2
ở vùng nhiệt đới.
5. Vùng hồng ngoại dài LWIR có bước sóng 6-15|j,m. Đầu thu sử dụng ở
đây là photodiode hoặc ma trận cảm biến ảnh HgCdTe được làm lạnh
ở nhiệt độ N2 lỏng 77K hoặc các đàu 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 trước không khí nhiễm
khói bụi hoặc không khí có sương mù và băng tuyết lạnh nhử ở nhiều
nước châu Âu và Bắc Mỹ. Ngoài ra ảnh thu được có độ ổn định cao
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 quyển là MWIR bước sóng 3-6|xm và vùng LWIR
bước sóng 8-14 fim giữ một vai trò quan trọng đặc biệt đối với quốc phòng
an ninh, bởi vì hầu hết các vũ khí, khí tài đều được thiết kế chế tạo hoạt
động dựa trên đó.
1.2Cơ sở ỉý 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 được sử dụng ừong mọi lĩnh vực của cuộc sống con

người. Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau:
1
3
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

1
4
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 lượng tử
1.2.1.2. Phân loại theo chức năng hoạt động
Cụ thể
- Đầuthu năng lượng
- 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 như: 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 truyền sang tín hiệu video .nên ở đây
còn có thể phân loại theo những tiêu chí sau:
* Mạch lai ghép hybrid như ừong CCD
*Mạch đơn chip monolithic(tất cả trên cùng 1 chip) như 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.
1940 1950 1980 1970 1980 1990
Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các đầu thu hồng ngoại
1
5
Uì 5.
< O-
ù_ LL
c
Z
ặ
«
dỉ
I £
Ọ
>>
CỌ
CL
Q
Q
u
Q
o
o
if) CL
* -ọ
o
(/>
Ỗ

É
cọ cọ
Ịá Ịá
CL O.
200
0
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 lượng nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất vật liệu. Qua đó
chúng được chuyển đổi thành tín hiệu điện có tỉ lệ tương 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 được 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 được chỉ thị bằng một mạch
điện khuếch đại bên ngoài.
Bảng 1.1: So sánh các loại vật liệu đầu thu
Loai đâu •
thu
Ưu điểm Khuyết điểm
Nhiệt điện
Gọn nhẹ, chăc chăn, độ tin
cậy cao, giá thảnh rẻ, không
cần làm lạnh
Năng suât phát hiện thâp ở tân số
cao, thời gian đáp ứng chậm (cỡ
ừên ms)
Quang điện

Vật liệu thuần
Aiv- Byi
Sử dụng các loại vật liệu
vùng cấm thấp thông dụng,
công nghệ chế tạo đã hoàn
chỉnh
Độ bên cơ học kém)
Vật liệu thuần
A
n
- Bvi
Sử dụng các loại vật liệu dê
điều chinh vùng cấm, công
nghệ chế tạo đã hoàn chỉnh,
Không đông nhât cho diện tích
lớn, giá thành nuôi cấy và gia
công thành linh kiện vi điện tử
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. Công nghệ này đã cho ra các
ảnh hồng ngoại chất lượng rất cao. Tuy hiện tại còn kém các đầu thu quang
điện nhưng những tiến bộ về công nghệ sẽ bảo đảm đạt được một chất lượng
ảnh tương đương trong một thời gian không xa nữa. Ưu điểm của các đàu thu
loại này là có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, không càn làm lạnh hoặc hút
chân không. Kết quả là sẽ giảm được giá thành một cách đáng kể (dưới 10.000
USD so với hàng chục đến vài trăm nghìn USD như loại cần
đâu thu đa phô cao
Vật liệu thuần

A
m
- Bv
Vật liệu có độ nhạy cao, dê
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 bước
sóng dài, công nghệ chế tọa
tương đối đơn giản
Làm việc ở chê độ làm lạnh ở
nhiệt độ rất thấp (càn đến He
lỏng)
Hạt tải tự do
Giá thành rẻ, dê tạo thành
trường 2D
Hiệu suât lượng tử thâp. Cân làm
lạnh ở nhiệt độ N2 lỏng
Giếng lượng
tử
Nuôi cây tinh thê đơn giản,
có độ đồng nhất cao trên
diện tích lớn, đàu thu đa
màu Tỉ lệ tái họp thấp, dễ
điều chinh độ nhạy phổ
Hiệu suât lượng tử thâp. Thiêt kế

và công nghệ chế tạo phức tạp.
Nhạy với các chỗ chuyển tiếp
1.2.2.3 Đâu thu thermistor và micro-bolometer
làm lạnh).
1.2.2.4 Đầu thu mỉcrocantilever
Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng cặp nhiệt điện, ở đây các cặp
nhiệt siêu nhỏ cantilever (được 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 tương 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 úng quang điện trong chất bán dẫn
Loại này cần làm lạnh bằng Nitrogen hoặc He. Thí dụ như dựa trên các
chất bán dẫn như PbS, PbSe, hoặc bán dẫn vùng cấm hẹp như 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 được 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 photonâể 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 trốngâể 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 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 lượng dòng photon ánh sáng chiếu vào nhờ đo dòng điện chạy

qua. Lúc đầu, khi chưa chiếu sáng thì không có dòng điện chỉ thị (độ dẫn
=0). Khi
tăng cường độ chiếu sáng dòng điện sẽ tăng lên. Tuy nhiên việc tăng cường độ
chiếu sáng đến một ngưỡng nào đó sẽ bị bão hòa (dòng điện sẽ không tăng lên
nữa).
1.2.3.2 Hiệu ứng quang điện
Cũng tương tự như trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo ra các
hạt tải tự do là điện tử và lỗ ừống ừong vật liệu bán dẫn. Tuy nhiên số hạt tải
này không dàn khắp phiến bán dẫn như 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 ưu 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 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 ở vùng điện
áp ngược (reverse -bias) của diode; điều đó cho phép giảm cường 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
m
B
v
như GaAs, InSb; A
n
Byi như 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
m
By mà điển hình là GaAs và AlGaAs xếp xen kẽ
nhau. Đầu thu QWIPs có nhiều ưu điểm như: có trở kháng và thời gian đáp ứng
cao, tiêu thụ ít năng lượng, dễ dàng sản xuất các ma trận kích thước lớn. Nhờ
cấu tạo từ các vật liệu chất lượng cao làm việc ở nhiệt độ thấp sâu nên
QWIP rất thích hợp cho các vùng phổ hồng ngoại có bước sóng cực dài. Hình
1.4giới thiệu 2 cấu hình được sử dụng ừong việc chế tạo ra các ma trận cảm
biến QWIP.
Bound state (b)
Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn mức các mức năng lượng trong cẩu 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 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
giếng lượng tử được pha tạp sẽ được tải đến vùng năng lượng cực tiểu
-Miniband
1
I
cho đến khi được tích lũy và bị một giếng khác bẫy lại. Loại QWIP này
có độ khuếch đại thấp hơn loại đầu thu QWIP ở ừên bởi vì các điện tử

sau khi phải đi xuyên qua nhiều rào chắn mỏng sẽ mất đi độ linh động.
1.2.4. Các thông sổ đặc trưng của đầu thu hồng ngoại
Có rất nhiều thông số để đánh giá chất lượng 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, 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 thu photon
càn 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 được.
1.2.4.2. Năng suất phát hiện riêng D* và thông lượng nền
Đại lượng 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 được biểu diễn qua công thức sau:
D* = — = SNRcm^fHz/W (1.3)
Trong đó: SNR là tỉ sổ tín hiệu ừên tạp, A là diện tích mặt nhạy quang, AX
là độ rộng băng tần quan sát, NEP (noise equivalent power) công suất nhiễu tương
đương ồn và bằng Vn/R với Vn là trung bình bình phương điện thế nhiễu và R
là hiệu suất tín hiệu điện áp ra trên năng lượng photon đến.
Như vậy D* đặc trưng 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 trường, nhiệt độ nền, tấn
số điều chế. Rõ ràng D* càng cao thì phẩm chất đầu thu càng tốt.
Hình 1.5 minh họa tham số D* của một số vật liệu chế tạo đầu thu. Qua đó ta
thấy ừong vùng 3-5 |im các đầu thu InAs, InSb và PbS có chất lượng tốt nhất
nhiệt độ 77K; trong vùng 8-12 fim thì vật liệu HCT là tốt nhất.
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
Wavelength (|im)
Có 2 phương pháp chế tạo mạch tích họp 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 phương pháp monolithic ma trận các
đầu thu hồng ngoại và mạch đọc tích họp được cấy ngay trên cùng một chip bán
dẫn (phương pháp epỉtaxĩ). Trong phương pháp lai ghép, mạch ma trận đàu thu
và mạch đọc được cấy trên các chip khác nhau. Sau đó chúngđược nối ghép với
nhau. Chúng có ưu 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
Nhưng năm gần đây, trên cơ sở công nghệ MEMS một số hãng của Mỹ,
Nhật và Đức đã đưa ra thị trường các camera sử dụng đầu thu theo nguyên lý
micro-bolometer, pyroelectric hoặc ferroelectric không cần làm lạnh. Chất
lượng ảnh của các camera loại này thấp hơn các camera được làm lạnh. Tuy
nhiên vẫn thích hợp trong việc quan sát các mục tiêu ở cự ly gần (dưới 5 km).
Lợi thế của loại đầu thu MEM này là có giá thành rẻ hơn hệ làm lạnh ít nhất 5
làn. Chính vì vậy mà các camera nhiệt không cần làm lạnh này được tiêu thụ
ngày càng tăng không chỉ trong quân sự mà còn trong nhiều ứng dụng dân sự.
Hình l.ó.Mạch đầu thu bolometer Đơn giá thấp
nhất của các camera dùng đàu thu microbolometer, pyroelectric và ferroelectric
là 15.000$. Độ phân giải nhiệt NETD đạt tối thiểu khoảng lOOmK. Bảng 2.1
trên liệt kê thông số các đầu thu đã được các hãng lớn nhất ừên thế giới chế tạo.
Sau đây là cấu tạo và tính năng của các loại đàu thu này:
L3.1 Microbolometer

Các đầu thu bolometer thường được chế tạo theo hai cấu hình mạch được
minh họa trên Hình 1.6. Trong mạch cầu (hình trái) phải dùng 2 đầu thu: 1 để
chuẩn và 1 để đo. Khỉ 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 microboỉometer của hãng Honeywell Các
đầu thu bolometer đầu tiên được chế tạo dựa ttên vật liệu Platín. 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
được biển diễn trong hình 1.6. Diện tích thu nhận là màng mỏng từ vật liệu
SÌ3N4 dầy 0,5 ụm được phủ 1 lớp nhạy tia hồng ngoại bằng yật liệu VOx. Lá
này được tựa ưên tấm đế bán dẫn Si bằng các chân (vật liệu SÌ304) có phủ lớp
kim loại dẫn điện. Trên mặt phiến Si được phủ một lớp màng mỏng phản xạ để
cho các photon nhiệt xuyên qua sẽ phản xạ ngược lại và được hấp thụ ở lớp
VOx. Qua đó làm tăng hiệu suất háp thụ. Khe hở giữa lá và tấm đế bằng 2,5
ỊLLĨĨ1 = 1/4 bước sóng tía tới 10 ỊLim. Vật liệu hấp thụ nhiệt chuẩn là VOx tuy nhiên