Учебное пособие 800594

Схема с АЦП показана на рис. 4.

Рис. 4. Спроектированная схема аналоговой части газоанализатора окиси азота в САПР Orcad Capture PSPICE 17.2 Professional

Чтобы убедиться в работоспособности схемы, сопротивление резистора Rx варьировалось. Влияние изменения сопротивления на выходной сигнал представлено в таблице.

Влияние сопротивления Rx на цифровой (выходной) сигнал

1. Dobkin B. Analog Circuit Design [Текст] / B. Dobkin, J. Williams. - Newnes, 2011. - 960 c.

2. Картер Б. Операционные усилители для всех [Текст] / Б. Картер, Р. Манчини. - М: Додэка-XXI, 2011. - 530 с.

Воронежский государственный технический университет

10

УДК 538.975

М.А. Белых

ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА ОТ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ВРЕМЕНИ ТЕРМООБРАБОТКИ

Работа посвящена исследованию влияния времени термообработки пленок оксида цинка с различным содержанием алюминия на электрические свойства пленок.

Оксид цинка (ZnO) представляет собой широкозонный полупроводниковый материал с прямой шириной запрещенной зоны 3,36 эВ при комнатной температуре и энергией связи экситонов 60 мэВ. Он имеет кристаллическую структуру типа вюрцита и элементарную ячейку с постоянными а = 3,24 Å и с = 5,19 Å.

Электропроводность ZnO напрямую связана с числом свободных электронов. Электроны, образующиеся в результате ионизации междоузельного атома цинка и кислородных вакансий, влияют на электропроводность кристаллов ZnO [1]. Легирование ZnO различными элементами, с целью получения требуемых электрических и оптических свойств пленок исследовано работах [2 – 4]. Множество исследований, сфокусированных на легированном ZnO, были посвящены изучению элементов третьей группы Al, Ga и In [5 – 8].

Целью работы является исследование влияние концентрации примеси Al в пленке ZnO и времени термической обработки на электрические параметры и процессы кристаллизации пленок.

Необходимые для исследования образцы пленок были получены золь-гель методом. Золь-гель процесс представляет собой процесс, при низкой температуре, в котором используют неорганические или органические металлические предшественники для получения молекул оксида металла в форме раствора. При создании соответствующих условий в растворе образуется оксид металла с контролируемой микроструктурой, включая форму, морфологию и размер частиц. Для сохранения стабильного состояния и получения

11

прозрачного раствора в гель добавляются стабилизаторы такие как моноэтанол, диэтаноламин, дваметаксиэтанол и др.

В качестве прекурсора в данном эксперименте использовали цинк уксуснокислый двухводный (Zn(СН3СО)2∙2Н2О), который растворяли в 2-пропаноле, концентрацию ионов цинка в растворе поддерживали на уровне 0,1 М. Для стабилизации и получения прозрачного раствора в него добавляли, по каплям, диэтиламин до получения прозрачного раствора. Соотношение Zn:ДЭА в растворе составляло 1 : 1. Легирование оксида цинка алюминием проводили добавлением в раствор алюминия азотнокислого шестиводного, содержание ионов которого по отношению к цинку изменялось от 0 до 2 %. Перемешивание осуществлялось на магнитной мешалке в течение 1 ч до получения прозрачной раствора.

Пленки наносили на стекла, закрепленные на центрифуге, вращающейся со скоростью 2500 об/мин в течение 20 с. Растворитель, в котором происходит золь-гель процесс, в конечном итоге должен быть удален и остается только желаемый продукт оксида металла, это может быть достигнуто с помощью процесса сушки. Сушка значительно влияет на качество пленки, а, следовательно, и характеристики конечного продукта. Сушка проводилась на воздухе в течение 15 мин при температуре 120 ºС. Таким образом процесс нанесения повторялся 10 – 20 раз. В зависимости от толщины и сопротивления образцов.

Для поликонденсации и кристаллизации полученной пленки производится ее отжиг. Рост зерна при повышенных температурах может привести к уменьшению плотности границ зерен, что способствует как оптической прозрачности, так и электропроводности за счет уменьшения рассеяния на границах зерен. Эти процессы могут изменять физические характеристики осажденной пленки, улучшать структурную стабильность, а также улучшать механические, оптические и электрические свойства [9].

Перед тем, как приступить к измерениям поверхностного сопротивления пленок, нам необходимо убедиться в правильности полученного вещества. Для этого был произведен РФА анализ пленок для 20-слойных образцов отожженных при 550 30 мин, результаты которого представлены на рис. 1 и в табл. 1.

Из картины рентгеновской дифракции видно, что полученная пленка содержит вещество ZnO:Al. Следовательно, мы получи-

12

ли ожидаемый состав пленок. Присутствие шумов на спектре рентгеновской дифракции, говорит нам о том, что пленка недостаточно кристаллизовалась.

Рис. 1. Дифракция рентгеновских лучей на пленках ZnO : Al, T = 550 , t = 30 мин (20 слоев)

Размер кристаллитов был оценен по формуле Шеррера:

,

13

где d – размер зерна, K – безразмерный коэффициент формы частиц ,λ – длина волны используемого рентгеновского излучения, β

– полная ширина на половине максимума (FWHM) дифракционного пика, а θ – брэгговский угол дифракции пика XRD. Расчет проводился с помощью компьютерной программы.

Результаты оценки размеров кристаллов по формуле Шеррера приведены в табл. 1.

Размеры зерна составили от 189,9 – 222,9 Å.

Для эксперимента при помощи золь-гель метода были изготовлены образцы пленок с содержанием алюминия 0,75 %, 1 % и 2 %, прошедшие циклический отжиг при температуре 550 ºС с различным временем выдержки. С промежуточным измерением поверхностного сопротивления. Поверхностное сопротивление образцов измерялось четырехзондовым методом [10]. Результаты измерений представлены в табл. 2 и на графике на рис. 2.

Таблица 2

Поверхностное сопротивление образцов при различном времени отжига

Материалы, полученные с использованием низкотемпературных процессов, могут находиться в неравновесном состоянии, т.е. легирование Al в тетраэдрических структурах Zn может быть просто результатом кинетического удобства. При высокотемпературном отжиге снижается растворимость Al в ZnO стимулирующая

14

миграцию ионов Al к областям формирования поверхности низкоэнергетических композиций [11].

Рис. 2. Зависимость изменения сопротивления образцов пленки с различным содержанием алюминия от времени отжига

Из полученных данных видно, что при различном времени отжига наименьшим сопротивлением обладает образец с содержанием Al 1 %. Увеличение времени отжига привело к увеличению сопротивления образцов.

Литература

1.Lee J.H. Electrical and optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method [Текст] / J.H. Lee, K.H. Ko, B.O. Park // Journal of Crystal Growth. – 2003. – V. 247. – № 1 – 2. – P. 119 – 125.

2.Agarwal Lily Bhattacharyya A.B. Electrical characteristics of lithium-doped ZnO films [Текст] / A.B. Agarwal Lily Bhattacharyya,

15

J.K. Srivastava // Journal of the Electrochemical Society. – 1989. –

V.136. - № 11. – P. 3414 – 3417.

3.Minami T.. Highly conductive and transparent aluminum doped zinc oxide thin films prepared by RF magnetron sputtering [Текст] / T. Minami , H. Nanto, S. Takata // Japanese Journal of Applied Physics.

– 1984. – V. 23 - № 1. – P. 280 – 282.

4.Garcia F.J. A ZnOCuSe2 thin film solar cell prepared entirely by spray pyrolysis [Текст] / F.J. Garcia, M.S. Tomar // Thin Solid Films.

– 1982. – V. 90. – № 4. – P. 419 – 423.

5.Segawa Y. Gallium concentration dependence of roomtemperature near-band-edge luminescence in n-type ZnO:Ga [Текст] /

Y. Segawa, S. Yoshida, A. Tsukazaki et al. // Applied Physics Letters. – 2004. – V. 85. – № 5. – P. 759 – 761.

6.Owen J. Organic photovoltaic devices with Ga-doped ZnO electrode [Текст] / J. Owen, M. S. Son, K.-H. Yoo et al. // Applied Physics Letters. – 2007. – V. 90. – № 3. – Р. – 517 – 519.

7.Ilican S. Influence of dopant concentration on the optical properties of ZnO: In films by sol-gel method [Текст] / S. Ilican, Y. Caglar, M. Caglar // Thin Solid Films. – 2009. – V. 517. – № 17. – P. 5023 – 5028.

8.Lira-Cantu M. Vertically-aligned nanostructures of ZnO for

excitonic solar cells: A review [Текст] / M. Lira-Cantu, I. GonzalezValls // Energy and Environmental Science. – 2009. – V. 2. – № 1. –

P.19 – 34.

9.Habibi M. H. Structure and morphology of nanostructured zinc oxide thin films prepared by Dip-vs. spin-coating methods [Текст] / M.H. Habibi, M.K. Sardashti // Journal of the Iranian Chemical Society. – 2008. – V. 5. – №. 4. – P. 603 – 609.

10.Рембеза С.И. Физические методы исследования материалов твердотельной электроники: монография [Текст] / С.И. Рембеза, Б.М. Синельников, Е.С. Рембеза, Н.И. Каргин. - Ставрополь: Сев.- Кав. ГТУ, 2002. - 429 с.

11.Serier H. Al-doped ZnO powdered materials: Al solubility limit and IR absorption properties [Текст] / H. Serier, M. Gaudon, M. Mntrier // Solid State Sciences. – 2009. – V. 11. – № 7. – P. 1192 – 1197.

Воронежский государственный технический университет

16

УДК 534.242

В.И. Митрохин, А.Д. Анисимов, А.В. Чаплыгин*, С.В. Железный**

МЕМБРАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕЗОНАТОР КАК СЕЛЕКТИВНЫЙ ПРИЕМНИК МОДУЛИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В работе приведены экспериментальные результаты исследований полосы пропускания селективного по частоте модуляции оптического сигнала мембранного фотоакустического резонатора. Мембрана была сформирована на пластине высокоомного арсенида галлия методом селективного травления.

Входным элементом приемников оптических сигналов чаще всего является полупроводниковый фотодиод или фототранзистор, от свойств которого во многом зависят характеристики устройства. Фотодиоды и фототранзисторы, как известно, не обладают избирательными свойствами по частоте модуляции оптического сигнала и являются уязвимыми с точки зрения помехозащищенности. Полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор на основе арсенида галлия сочетает в себе свойства чувствительного приемника оптических сигналов инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов и высокоизбирательного пьезоэлектрического фильтра [1 - 5]. В нем оптический сигнал отделяется от помех на этапе преобразования световых импульсов в электрический сигнал. Это обеспечивает высокую помехозащищенность и улучшение отношения сигнал/шум.

В данной работе приведены результаты исследований воздействия модулированных оптических сигналов ИК диапазона на фотопьезоэлектрический мембранный резонатор на объемных акустических волнах. Мембрана резонатора была сформирована на подложке арсенида галлия толщиной 0,5 мм и диаметром 50 мм с ориентацией плоскости {100} методом селективного травления. Эскиз исследуемого резонатора в разрезе показан на рис. 1.

17

К выводным электродам подключались регистрирующие приборы. Схема показана на рис. 2.

Рис. 2. Электрическая схема экспериментов:

GEN – высокочастотный генератор; F – цифровой измеритель частоты; LED – светодиод L-7113SF6C; R – нагрузка;

С– проходная емкость; V –измеритель переменного напряжения;

О– осциллоскоп; Q – куметр

Исследования проводились следующим образом. К выходу генератора был подключен инфракрасный светодиод типа L-7113SF6C, излучение которого направлялось на мембрану резонатора FPR. В генераторе предусмотрена возможность модуляции высокочастотного сигнала внешним низкочастотным модулирующим сигналом. Путем изменения частоты низкочастотного сигнала контролировался спектральный состав выходного модулированного оптического сигнала. Амплитуда выходного сигнала определялась по показаниям милливольтметра переменного тока, а величина низкочастотного сигнала регистрировалась по осциллограмме. Таким образом, был зарегистрирован спектр принимаемых модулирующих частот, и вычислена полоса пропускания резонатора. На рис. 3 показана спектральная кривая принятого сигнала резонаторного.

Следует отметить, что высокая добротность резонатора (примерно 103) дает возможность обеспечить высокую частотную избирательность, однако не позволяет осуществлять прием реальных оптических сигналов с широкой полосой. Эта проблема решается при использовании сложной комбинации связанных фильтров на основе исследуемого резонатора.

19