TỔNG QUAN: Các linh kiẹân bán dẫn quang chia thành các loại sau: - Linh kiện bán dẫn quang – điện : là những linh kiện biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện.. Nguyên lý làm vi
Trang 1CHƯƠNG 8 : CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN QUANG
I TỔNG QUAN:
Các linh kiẹân bán dẫn quang chia thành các loại sau:
- Linh kiện bán dẫn quang – điện : là những linh kiện biến đổi tín hiệu ánh sáng thành
tín hiệu điện Nguyên lý làm việc của linh kiện bán dẫn quang điện dựa trên cơ sở của hiệu ứng quang dẫn (quang trở) và hiệu ứng quang áp (diode quang, trans quang, tế bào quang điện)
- Linh kiện bán dẫn điện – quang : là những linh kiện biến đổi năng lượng điện thành
ánh sáng Ví dụ : Led phát quang, lazer bán dẫn…
- Kết hợp của 2 loại hiệu ứng trên ta có bộ ngẫu hợp quang điện
II LINH KIỆN BÁN DẪN QUANG – ĐIỆN :
1 Hiệu ứng quang dẫn và quang trở :
- Hiệu ứng quang dẫn : là sự thay đổi độ dẫn suất của chất bán dẫn khi chiếu lên nó một
chùm tia sáng ở một nhiệt độ nhất định
- Quang trở : là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi tùy thuộc vào chế độ ánh sáng chiếu
lên nó Ký hiệu, cấu tạo và hình dạng của quang trở như hình 8-1
Cấu tạo quang trở : để chế tạo quang trở người ta dùng chất cách điện dày, rồi rãi (trong chân không) một lớp bán dẫn nhạy sáng mỏng (có độ dẫn suất thay đổi rõ rệt khi có ánh sáng chiếu vào) Hai đầu mạ kim loại để hàn điện cực dẫn ra ngoài Toàn bộ phiến bán dẫn được bọc trong vỏ kim loại hoặc chất dẻo, có cử a sổ trong suốt để ánh sáng có thể chiếu vào phiến bán dẫn
Cực Kim loại
Chất cách điện Chất bán dẫn
Hình 8-1b: Cấu tạo Hình 8-1c: Hình dạng Hình 8-1a: Ký hiệu
Trang 2Mặt nhận ánh sáng
2 Hiệu ứng quang áp và diode quang :
a Hiệu ứng quang áp : là hiện tượng xuất hiện thế điẹân động trên hai cực của mối nối
P– N khi có ánh sáng chiếu vào
Ký hiệu và hình dạng như hình vẽ
Diode quang có cấu tạo giống diode thường, nhưng vỏ bọc cách điện có cấu trúc sao cho ánh sáng dễ dàng chiếu trực tiếp lên bề mặt phiến bán dẫn
Nguyên lý hoạt động: Khi phân cực nghịch diode quang có dòng điện ngược Iosat rất bé
đi qua Nhưng khi có tác dụng của ánh sáng có bước sóng phù hợp chiếu vào, thì sẽ có thêm dòng điện sáng Io (tạo ra bởi các hạt dẫn nhờ năng lượng photon) chạy cùng chiều với dòng điện ngược Dòng điện này biến đổi tỉ lệ với cường độ ánh sáng
Dựa vào các chuyển tiếp P –N khác nhau : chuyển tiếp PN có nội trường và tạo ra diode quang có nội trường ; chuyển tiếp PIN tạo ra diode PIN; chuyển tiếp tiếp xúc kim loại – bán dẫn tạo ra diode quang Schottky
c Tế bào quang điện (pin mặt trời): Ký hiệu như hình vẽ
Khi mối nối PN được chiếu sáng thì có khả năng xuất hiện một suất điện động VΦtrên hai cực của nó Người ta sử dụng hiệu ứng này để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, cung cấp cho các thiết bị điện Linh kiện này được gọi là tế bào quang điện (pin quang điện)
Khi chế tạo nhiều tế bào quang điện cỡ lớn ghép với nhau trên diện tích rộng để tiếp nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả, cung cấp suất điện động quang có khả năng cấp dòng cho tải lớn thì linh kiện này được gọi là pin mặt trời
PHOTO CELL
Hình 8-2: Ký hiệu và hình dạng diode quang
Trang 3PHOTO NPN
d Transistor quang : Ký hiệu như hình vẽ
Trans quang có cấu tạo 3 miền PNP hoặc NPN như các BJT thường trong đó cực bền B hở
- Hình dạng bên ngoài khác BJT thông thường ở chỗ trên vỏ có cửa sổ trong suốt cho ánh sáng chiếu qua Aùnh sáng qua cử a sổ này chiếu lên cực B trong BJT
- Nguyên lý hoạt động : Người ta thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào cực để điều khiển dòng collector của BJT
- Khi sử dụng Transistor quang được mắc tương tự như BJT mắc CE Đặc tuyến ra tương tự nhưng chỉ khác ở đây quang thông không đóng vai trò thông số điều khiển (thay vì dòng IB)
III LINH KIỆN BÁN DẪN ĐIỆN - QUANG :
Chất bán dẫn hợp chất GaAs là vật liệu chủ yếu chế tạo các dụng cụ linh kiện bán dẫn phát quang
1 Diode phát quang LED (Light emitting diode):
Ký hiệu:
Diode phát quang được làm từ GaAs phát ra ánh sáng hồng ngoại Để mắt thường có thể nhìn thấy được, người ta phải cho ánh sáng hồng ngoại d0 diode phát ra đập vào chất phát quang
Nếu thêm vào GaAs photpho (P) để tạo ra chất bán dẫn Ba thành phần GaAs thì có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy (đỏ hoặc vàng)
Hiện nay còn một số những bán dẫn hợp chất khác cũng được dùng để chế tạo các diode phát quang Ví dụ : GaP, tùy loại tạp chất pha vào chất bán dẫn này mà diode phát ra ánh sáng màu xanh hoặc đỏ
Nguyên lý hoạt động : Khi led được phân cực thuận sẽ có dòng đi qua làm led phát sáng với Vγ đỏ = 1,4 đến 1,8 V
Vγ vàng = 2 đến 2,5 V
LED
Trang 4Vγ xanh lá = 2 đến 2,8 V
Iled = 5 đến 20mA
LED 7 đoạn :
Diode phát quang không phải chỉ được chế tạo riêng lẻ từng chiếc mà thường còn được chế tạo thành từng bộ ghép có thể tạo thành chữ, số hoặc dấu hiện khác Hình thước ghép đơn giản là bộ hiển thị số, được gọi là Led 7 đoạn Có hai loại Anode chung và Catode chung Các số từ 0 → 9 đều có thể hiển thị được bằng cách cho dòng qua các led thích hợp
Dòng thuận là 20 mA, điện thế thuận = 1,2 V cho mỗi led
Tuy nhiên nó có nhược điểm khá lớn là dòng thiêu tụ lớn Vì thế để khắc phục người ta dùng bộ hiển thị tinh thể lỏng
3 Bộ hiển thị tinh thể lỏng :
- Tinh thể lỏng bình thường các phần tử được định hướng một cách ngẫu nhiên Nhưng các phần tử được định hướng theo một mẫu tinh thể nhất định Khi đặt một điện trường vào tinh thể lỏng thì những phân tử có dạng elip sẽ sắp xếp theo chiều vuông góc với điện trường như hình vẽ (a)
- Khi có dòng điện chảy qua tinh thể này, các hạt dẫn điện đập vào các phân tử trên, tạo
ra sự sắp xếp trong tinh thể lỏng như hình (b)
- Khi chiếu ánh sáng vào tinh thể lỏng nhưng chưa có dòng chảy qua, ánh sáng sẽ đi qua tinh thể làm mắt ta không thể nhìn thấy được gì Nhưng khi có dòng đi qua tinh thể, ánh sáng sẽ bị tán xạ trên các phân tử của tinh thể lỏng (gọi là tán xạ dòng) làm cho phân tử tinh thể lỏng có dòng đi qua ánh sáng chói lên
- Vật liệu làm tinh thể lỏng hiện nay chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có tính quang học của một vật rắn khi vẫn còn đang ở thể dung dịch
- Để biến các vật liệu tinh thể lỏng thành các dụng cụ hiểnt hị thường người ta kẹp vật liệu tinh thể lỏng vào giữa hai kim loại trong suốt dùng làm điện cực
• Nếu hai điện cực đều là trong suốt thì được gọi là kiểu phát xạ
• Nếu một điện cực trong suốt, điện cực kia phủ một lớp phản xạ thì được gọi là kiểu phản xạ
Trang 5Nguyên lý làm việc :
- Khi chưa làm việc, ánh sáng truyền qua tinh thể lỏng phát xạ theo đường thẳng → không phát sáng
- Khi làm việc ánh sáng truyền qua tinh thể lỏng bị tán xạ theo mọi hướng → do đó phát sáng.(4a)
- Đối với kiểu phản xạ : khi chưa làm việc do nguồn sáng để phía trước ánh sáng sẽ phản xạ trên bề mặt tinh thể như quy luật phản xạ bình thường Khi làm việc, ánh sáng chiếu vào sẽ bị tán xạ trên các phần tử của tinh thể nên làm tinh thể sáng chói lên, ngay cả ở điều kiện ánh sáng bên ngoài có cường độ tương đối mạnh cũng có thể phân biệt được Vậy : Bản thân tinh thể lỏng không phát ra ánh sáng mà nó chỉ truyền hoặc phản xạ ánh sáng từ nguồn sáng bên ngoài, vì vậy nó chỉ cần một năng lượng cung cấp rất nhỏ đủ để làm xuất hiện hiệu ứng tán xạ trên tinh thể
Tương tự led, tinh thể lỏng thường được ghép với nhau để tạo thành các bộ hiển thị số, chữ hoặc dấu Phổ biến nhất nó thường được ghép thành bộ bảy đoạn để hiển thị các số từ 0→
9
Ví dụ : Bộ hiển thị tinh thể lỏng ghép kiểu 7 đoạn TA 8054 nguồn cung cấp cực đại 30V , dòng hoạt động 125 µA, nếu so với led cùng loại hiển thị cần khoảng 500mA
IV BỘ NGẪU HỢP QUANG ĐIỆN (OPTRON, OPTOCOUPLER)
Bộ ngẫu hợp quang điện gồm một diode phát quang và một transistor quang được ghép
chung trong cùng một vỏ Môi trường hẹp xen kẽ giữa 2 linh kiện này là môi trường truyền ánh sáng
Nguyên lý hoạt động : Khi có dòng chạy qua diode phát quang phát sáng Aùnh sáng này truyền qua môi trường tác dụng lên cực B của transistor quang làm transistor dẫn : dòng collector thay đổi theo sự tăng giảm của cường độ ánh sáng
Đặc điểm của optron là hoàn toàn cách ly giữa đầu vào và ra nên nó hoàn toàn cách ly về phương diện điện, nên không có sự nối tiếp dòng và áp giữa vào và ra
