Laser ghi và đọc tín hiệu quang học

gọi là độ rộng vùng cấm hay năng lượng vùng cấm ωg là tần số ngưỡng hấp thụ quang học – hấp thụ photon để tạo ra một điện tử ở vùng dẫn Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài Khi c

Giới thiệu chung

Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên

tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như hình dưới

Chất bán dẫn tinh khiết

Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic Thông thường Gecmani và Silic được dùng làm chất chính, còn các chất như Bo, Indi (nhóm 3), Photpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho các vật liệu bán dẫn chính Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt

độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm tạp chất

Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor.

Chất bán dẫn P

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Vùng năng lượng của chất bán dẫn gồm ba vùng: vùng dẫn, vùng hóa trị, vùng cấm Vùng dẫn là vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử linh động như các điện tử tự do và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử trên vùng này

Ec là mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn

mc là khối lượng điện tử

Vùng hóa trị là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng điện tử liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

gọi là độ rộng vùng cấm hay năng lượng vùng cấm

ωg là tần số ngưỡng hấp thụ quang học – hấp thụ photon để tạo ra một điện tử ở vùng dẫn

Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài

Khi cho hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau, giữa hai khối bán dẫn hình thành một mặt tiếp xúc P-N

do sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn giữa hai khối sẽ xảy ra sự khuyếch tán Các lỗ trống

ở khối P sẽ khuyếch tán sang khối N và các điện tử từ khối N sẽ khuyếch tán sang khối P.Kết quả làm cho bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối P nghèo đi về điện tích dương và giàu lên về điện tích âm Bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối N mất điện tích âm và nhận thêm

lỗ trống nên tích điện dương Nếu sự chênh lệch về nồng độ các loại hạt mang điện ở hai khối này càng lớn thì sự khuếch tán diễn ra càng mạnh

Kết quả: Hai bên mặt tiếp giáp hình thành nên điện trường vùng tiếp xúc Etx có chiều hướng từ khối N sang khối P Điện trường tiếp xúc này cản trở sự khuyếch tán của các hạt

mang điện đa số từ khối này sang khối kia Khi Etx cân bằng với lực khuyếch tán thì trạng thái cân bằng động xảy ra Khi đó vùng điện tích không gian không tăng nữa, vùng này gọi là vùng nghèo kiệt (vùng thiếu vắng hạt dẫn điện) đó là chuyển tiếp P-N bao gồm các ion không di chuyển được Khi cân bằng động, có bao nhiêu hạt dẫn điện khuyếch tán từ khối này sang khối kia thì cũng bấy nhiêu hạt dẫn được chuyển trở lại qua mặt tiếp xúc, chúng bằng nhau về trị số nhưng ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu nhau, kết quả dòng điện qua tiếp xúc P-N bằng 0.

Kết luận: Không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp P – N khi chưa có điện trường ngoài

Tiếp giáp P- N khi có điện trường ngoài

Trường hợp phân cực thuận

Đặt điện áp một chiều vào tiếp giáp P-N sao cho cực dương nối vào khối P, cực âm nối vào khối N Điện áp này tạo ra một điện trường ngoài Eng có chiều hướng từ khối P sang khối N Khi đó điện trường ngoài Eng có chiều ngược với điện trường vùng tiếp xúc Etx nên điện trường tổng ở vùng tiếp xúc giảm

E= Etx – Eng giảm Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm làm cho sự khuyếch tán diễn ra dễ dàng Các hạt mang điện đa số dễ dàng khuyếch tán từ khối này sang khối kia Do mật độ hạt mang điện đa số lớn nên dòng khuyếch tán Ikt lớn, dòng điện này gọi làdòng điện thuận Ith Ta nói tiếp giáp P-N thông Do số lượng hạt dẫn thiểu số ít, nên dòng điện trôi dạt Itr rất nhỏ Điện trở tiếp giáp P- N trong trường hợp này gọi là điện trở thuận Rth có giá trị nhỏ.

Trường hợp phân cực ngược

Đặt cực dương vào khối N, cực âm vào khối P Khi đó Eng cùng chiều với Etx nên điện trường tổng ở vùng tiếp xúc tăng, do đó bề rộng vùng nghèo tăng, nó ngăn cản các hạt dẫn đa số khuếch tán từ khối này sang khối kia, do vậy dòng khuếch tán coi Ikt = 0 Dòng điện trôi có giá trị nhỏ do số hạt dẫn thiểu số rất ít nên dòng điện qua tiếp giáp P-N khi phân cực ngược có giá trị bằng 0 Ta nói tiếp giáp P-N bị khoá, trong trường hợp này tiếp giáp P-N coi như một điện trở có giá trị vô cùng lớn gọi là điện trở ngược Rng Tiếp giáp P-N chỉ có tác dụng dẫn điện theo một chiều (từ khối P sang khối N) khi được phân cực thuận

Ứng dụng ghi đọc CD.

Sơ lược về đĩa quang

Cấu tạo và thông số

Đĩa quang có nhiều loại khác nhau (CD, DVD, ), ghi dữ liệu một mặt đĩa hoặc ghi cả ở hai mặt dĩa, do đó chúng có cấu tạo rất khác nhau Ở các loại đĩa quang khác nhau, xem

cụ thể cấu tạo của chúng tại từng bài cụ thể

Một cách chung nhất, đĩa quang có cấu tạo gồm:

• Lớp nhãn đĩa (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

• Lớp phủ chống xước (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt).

• Lớp bảo vệ tia tử ngoại

• Lớp chứa dữ liệu

• Lớp polycarbonat trong suốt (phía bề mặt làm việc)

Đối với loại đĩa quang ghi dữ liệu ở cả hai mặt, các lớp được bố trí đối xứng nhau để đảm bảo ghi dữ liệu ở cả hai mặt đĩa

Tuỳ từng loại đĩa quang khác nhau mà chúng có các kích thước khác nhau (xem từng bài riêng biệt theo bảng) Chúng thường được chia thành các loại chính sau:

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Đĩa quang, theo đúng như tên gọi của nó, đã sử dụng tính chất quang học để lưu trữ dữ liệu Khi làm việc với ánh sáng thì chúng không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đầu đọc dữ liệu và bề mặt đĩa, do đó đĩa quang thường là bền nếu như chúng không bị tác động bởi yếu tố môi trường

Có một nguyên lý về ánh sáng như sau nếu như chúng chiếu vào bề mặt của một vật nào đó: có thể bị hấp thụ hoặc phản xạ lại (một phần hoặc toàn phần đối với cả hai trường hợp) Nếu như có một vật chuyển động thay đổi trạng thái hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng qua một nguồn phát ánh sáng cố định thì chúng ta sẽ đọc được trạng thái phản xạ lại ánh sáng hoặc không phản xạ lại ánh sáng theo đúng tình trạng của vật chuyển động đó Đĩa quang vận dụng tính chất phản xạ ánh sáng nêu trên để chứa các dữ liệu tại bề mặt đĩa thông qua sự phản xạ/không phản xạ

Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn chôn ốc từ trong ra ngoài theo các track Trên các track này là các rãnh (land) và các pit mà chúng có thể gây phản xạ lại theo hướng vuông góc với chùm tia tới hoặc phản xạ ít theo phương vuông góc với chùm tia này Do

hệ thống chiếu tia là duy nhất trong một hệ quang học nên các loại ổ đĩa quang (hoặc máy phát đĩa quang) chỉ quan tâm đến hướng vuông góc đối với chùm tia chiếu tới, đây là những tính chất quan trọng trong sự hoạt động của các đĩa quang

Khi đọc dữ liệu trên đĩa quang, một tia tia laser (có công suất thấp) chiếu vào các điểm sáng và tối của chúng để nhận lại ánh sáng phản xạ Ánh sáng phản xạ này sẽ quay ngược lại nguồn phát ra chúng và bị đổi hướng bởi một hệ lăng kính đến phần đầu đọc để cho kết quả các tín hiệu nhị phân Như vậy thì hệ thống thiết bị đọc đĩa quang sẽ là một hệ quang học phức tạp nhằm tạo ra tia laser chiếu vào bề mặt đĩa và thu lại tia phản xạ theo phương mà tia laser chiếu đến.

Tại thiết bị cảm nhận tia laser phản xạ lại, một điốt cảm quang sẽ tiếp nhận những ánh sáng rời rạc để biến chúng thành tín hiệu nhị phân, tức là tín hiệu có dạng 1000101001, chúng chứa âm thanh/video hoặc dữ liệu phần mềm máy tính Xin lưu ý rằng đây là những lý giải đơn giản để bạn hiểu được nguyên lý làm việc của chúng một cách dễ hiểu, trên thực tế thì cơ chế chuyển hoá dữ liệu nhị phân của chúng thì phức tạp hơn bởi sự sửa chữa lỗi phát sinh trong quá trình đọc dữ liệu

Đó là cấu tạo và nguyên lý hoạt động một cách đơn giản nhất của các đĩa quang, tuy nhiên đối với những loại đĩa quang khác nhau thì chúng đã thay đổi các thông số khác nhau mà sẽ trình bày ở phần riêng biệt phía dưới đây

Đĩa CD (tiếng Anh: Compact Disc) là một trong các loại đĩa quang, chúng thường chế tạo bằng chất dẻo, đường kính 4,75 inch, dùng phương pháp ghi quang học để lưu trữ khoảng

80 phút âm thanh hoặc 700 MB dữ liệu máy tính đã được mã hóa theo kỹ thuật số (WIKI)

Không giống như các đĩa cứng được ghi dữ liệu lên bề mặt bằng từ, đĩa quang (theo đúng như ý nghĩa của tên gọi) sử dụng các tính chất quang học để lưu trữ dữ liệu Khái niệm track trên đĩa quang cũng giống như ổ đĩa cứng, mỗi track là một vòng tròn, tuy nhiên ở đĩa quang các track là các vòng tròn hở nối tiếp nhau

Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn trôn ốc từ trong ra ngoài (không giống như các track đồng tâm ở ổ đĩa cứng) chứa các "hố" thuật ngữ tiếng anh gọi là "pit" và bề mặt gọi là "land", tia laser đọc các pit và land và chuyển sang tín hiệu nhị phân.Các pit này được chia làm 9 loại,có kí hiệu từ t3 đến t11.

Tín hiệu sau khi nhận được cần phải xử lí rất phức tạp.Các phần tử pit và land kể trên không phải đại diện cho các bit nhị phân.Các bit nhị phân trong hệ này được tạo nên bởi kênh nhị phân (channel bit) hay là một xung thời gian có độ dài(1/4.321.800 phần của giây) Các kênh nhị phân này quy định khoảng thời gian mà một bit có ý nghĩa Các bit

"0" và "1" được quy định như sau, nếu như tia laser quét vào vùng land, mỗi kênh nhị phân sẽ bằng một bit "0" và chia đều vùng land này, khi tia laser chiếu vào phần viền, giữa vùng land và một hố pit, kênh nhị phân ở giai đoạn chuyển giao này sẽ bằng bit

"1".Sau đó các kênh nhị phân (thời gian) tiếp tục chia đều hố pit đó và khoảng thời gian

giữa pit đó,tức là khi tia laser quét vẫn ở trong pit đó thì nó chiếm một khoảng thời gian

"x" có đơn vị là 1 channel bit, mỗi đơn vị đó có giá trị "0" như khi quét qua land Các dữ liệu nhị phân này không phải là dữ liệu đầu vào có thể đọc được.Tuy nhiên đó chỉ là trên mô hình,để hệ thống thu và phát hoạt động tốt,người ta khi ghi đĩa phải dùng thuật toán efm để giảm thiểu sai sót bằng cách thêm các bit nhị phân vào

dữ liệu thô thu được trên mô hình chuẩn trước khi ghi các bit vào đĩa.[1]

Đĩa quangĐĩa CDĐĩa DVDĐĩa laze

Đĩa Laser là những thế hệ đầu tiên của đĩa quang Được hãng Philips giới thiệu ra thị trường vào năm 1978 tại Alantic Những năm sau đó thì tại Hoa Kỳ và Nhật Bản cũng được khá nhiều người sử dụng chúng mặc dù đĩa CD với kích thước nhỏ hơn đã ra đời sau nó khoảng 4 năm

Một đặc điểm đáng lưu ý ở đĩa Laser là những phiên bản đầu tiên của chúng thì hoàn toàn chứa các tín hiệu dạng tương tự, do đó chất lượng của âm thanh/video trên đĩa lasze có chất lượng cao hơn so với một số loại đĩa ra đời sau nó

Ở thị trường Việt Nam thì đĩa laze cũng không phải là hiếm trong thời gian trước đây, những người nghe đã có mua các máy phát đĩa lazetừ Nhật Bản với các loại đĩa được xuất bản tại Hoa Kỳ Đến năm 2006 thì trên thế giới vẫn còn bán những loại máy phát đĩa laze chỉ dành cho người có thú vui sưu tập các loại đĩa laze cổ và có nhiều tiền

Đĩa Laser đã kết thúc cuộc đời của mình vào năm 2001 tại Nhật Bản, khi này chúng đã hoàn toàn bị thay thế dần dần bởi loại đĩa có kích thước nhỏ hơn: CD và DVD ra đời trước đó

ĐĨA CD

Đĩa CD đã được chuẩn hoá thông dụng trong thời gian qua trên hầu hết các máy tính cá nhân, hầu hết các máy tính đều có một ổ đọc đĩa CD-ROM, chúng được dùng cho việc

cài đặt các phần mềm, sửa chữa hệ điều hành và các mục đích khác như giải trí số trên máy tính cá nhân.

Có hai loại đĩa CD-ROM với dung lượng khác nhau: Ban đầu thì dung lượng của chúng

là 650 MB, sau đó được cải tiến lên ghi dữ liệu với 700 MB, không những thế thì một số phần mềm hoặc các ứng dụng còn cho phép ghi dung lượng vượt qua ngưỡng 700 MB.Đĩa CD dược biết đến đầu tiên là các loại đĩa CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) có nghĩa là đĩa CD chỉ đọc dữ liệu, những phiên bản đầu tiên là CD-DA (digital audio) dùng để chứa âm thanh Sau này thì đĩa CD được mở rộng ra với các khả năng có thể ghi được dữ liệu một lần CD-R (CD-recordable) hoặc đĩa CD được ghi lại nhiều lần CD-RW (CD-rewritable)

Như đã biết về loại đĩa Laser đã được hãng Philips giới thiệu, thương mại vào năm 1978 thì hai hãng Philips và Sony bắt đầu bắt tay vào cùng nghiên cứu phát triển loại đĩa CD-

DA (digital audio) dùng cho việc ghi âm thanh vào năm 1979 Hai hãng này đóng góp các kỹ thuật của mình: Philips với công nghệ đã biết đối với đĩa Laser và các điểm phản

xạ (pit), Sony có các công nghệ về bản mạch thuật toán xử lý lỗi và các mạch chuyển đổi số-tương tự

Đến năm 1980 thì chuẩn đĩa CD-DA ra đời, chúng được chuẩn hoá với Định dạng Sách

đỏ (Red Book) (chúng có tên như vậy bởi vì toàn bộ các tài liệu liên quan được chứa trong một cuốn sách có bìa màu đỏ) Sự chuẩn hoá này đã được thống nhất chung về tất

cả các tài liệu kỹ thuật liên quan để có thể sử dụng cho các hãng sản xuất tương thích và phù hợp các sản phẩm với nhau Có một sự khá lý thú trong quá trình lựa chọn độ dài của dung lượng đĩa CD trong thời gian này: Khi chuyển đổi kích thước lớn từ đĩa Laser có kích thước 30 cm xuống loại đĩa CD-DA thì hai hãng đã thống nhất lấy độ dài của đĩa âm thanh này là khoảng 70 phút để có thể chứa bản Giao hưởng Số 9 của Beethoven mà không làm gián đoạn khi phát lại âm thanh ^^

Sau khi đưa ra định dạng chung thì cả hai hãng bắt đầu cuộc đua về sản xuất các loại máy phát đĩa CD để thương mại ra thị trường, Sony đã chiến thắng trước một tháng so với Philips khi cho ra mắt đầu đĩa CDP-101 vào tháng 10 năm 1982 Những máy phát đĩa này

được bán đầu tiên ở Nhật Bản, sau đó đến Châu Âu và muộn hơn ở Hoa Kỳ vào năm 1983.

Sony và Philips tiếp tục hợp tác để đưa ra các chuẩn đĩa chung, và vào năm 1983 thì đã đưa ra Định dạng Sách vàng để phù hợp hơn với dữ liệu trên máy tính Sách vàng cho phép chứa các dữ liệu thông thường (không phải audio) một cách an toàn hơn Điều này

là cần thiết bởi vì các đĩa chứa âm thanh (audio) hoặc video thì có thể chấp nhận sự lỗi khi đọc dữ liệu (tạo ra tiếng sạn hoặc giảm chất lượng hình trong thời điểm ngắn), nhưng các dữ liệu của phần mềm máy tính thì không cho phép lỗi đọc dữ liệu Do ứng dụng của

nó mà Sách vàng đã được chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO / IEC 10149)

Ở phần cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại đĩa quang đã trình bày phía trên thì thấy rằng các đĩa quang bao gồm các đường chứa dữ liệu nhấp nhô để phản xạ đối với các loại ánh sáng chiếu tới với tiêu cự nhất định Ở đây chúng ta sẽ thấy các phần chi tiết của cấu tạo của một đĩa CD, mở rộng ra thì các loại tên gọi về kích thước này cũng đúng đối với đĩa DVD nhưng với thông số cụ thể khác đi mà thôi

Ở đĩa CD, các rãnh dữ liệu chứa các pit có độ rộng 0,6 micro, khoảng cách giữa hai rãnh liền kề tính từ tâm là 1,6 micro, các thông số này sẽ có ý nghĩa nếu như ta so sánh với đĩa DVD ở phần tiếp theo

Một số kích thước của đĩa CD được trình bày theo hình dưới đây Đa phần các loại đĩa theo các chuẩn đều sử dụng kích thước này, tuy nhiên có một vài trường hợp các kích thước bị thay đổi một chút so với chuẩn chung bởi sự ghi dữ liệu quá mức

Trong hình minh hoạ này về các vùng của đĩa thì:

• Hub clamping area: Vùng được sử dụng định vị đĩa trong ổ đĩa, tại vùng này thì tất nhiên là không chứa dữ liệu

• Power calibration area (PCA).Vùng này chỉ xuất hiện trên các đĩa R hoặc

CD-RW, chúng dùng để xác định tốc độ ghi lớn nhất có thể (ở bao nhiêu X), từ đó ổ ghi sẽ tính toán công suất tia laser cho phù hợp