Biến tử quang điện và một số ứng dụng

Hiện nay, những thiết bị quang - điện tử, những linh kiện bán dẫn mới với các tính năng, công dụng khác nhau đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.. Phép biến đổi đo Phép biến đổi đo l

trờng đại học vinh

khoá luận tốt nghiệp đại học

chuyên ngành: điện tử viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng nhanh của công nghệ thông tin cũng như các lĩnh vực khoa học khác nhau, kỹ thuật quang - điện tử đã có những bước tiến nhảy vọt và đạt được nhiều thành tựu nổi bật Hiện nay, những thiết bị quang - điện tử, những linh kiện bán dẫn mới với các tính năng, công dụng khác nhau đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Trong một số các thiết bị điện tử đang được sử dụng hiện nay thường có các linh kiện như: quang trở, photodiode, phototranzito, tế bào quang điện…hay còn gọi là các biến tử quang điện Việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chúng nhằm mục đích hướng tới thiết kế, chế tạo các hệ mạch dùng trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, tự động hoá, đặc biệt là trong đo lường…đã tạo tiền đề

để phát triển cho các ngành khoa học công nghệ khác nhau

Đây chính là lý do tôi chọn đề tài "Biến tử quang điện và một số ứng dụng" làm khoá luận này

Nội dung của khoá luận gồm 4 chương:

Chương I : Những khái niệm cơ bản về kĩ thuật đo lường.

Chương II : Biến tử quang điện.

Chương III : Ứng dụng của biến tử quang điện.

Chương IV : Thực hành thí nghiệm.

Tôi rất mong nhận được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của quý thầy

cô và các bạn sinh viên

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày tháng năm

NGUYỄN THỊ VIỆT HÀ

2

CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ

KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.1 Đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để

có kết quả bằng số so với đơn vị đo

* Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng:

o X A X o X

X

A = ⇒ =

Trong đó : X - đại lượng đo

Xo - đơn vị đo

A - con số kết quả đo

1.1.2 Phép biến đổi đo

Phép biến đổi đo là phương pháp cho ta nhận được ánh xạ của một giá trị của một đại lượng vật lý bằng một giá trị của một đại lượng vật lý khác

có phụ thuộc hàm số với nó

* Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đại

lượng đầu ra:

Y = f (X)Trong đó : X - đại lượng đầu vào (không mang bản chất điện)

Y - đại lượng đầu ra (mang bản chất điện)

1.1.3 Biến tử đo (cảm biến)

Biến tử đo là một thiết bị kỹ thuật xây dựng dựa trên một nguyên tắc vật lý xác định (tức là dựa trên một hiệu ứng vật lý xác định) để thực hiện một phần phép biến đổi đo một cách trung thực, chính xác thông tin cần đo

Mỗi biến tử đo được cấu tạo sao cho nó chỉ nhạy cảm với một đại lượng vật lý trong số nhiều đại lượng vật lý tác dụng vào nó, đại lượng này

1.1.4 Bộ cảm biến (đầu đo - sensor)

Bộ cảm biến là một tập hợp cấu trúc gồm một hoặc nhiều biến tử đo, đặt trực tiếp gần đối tượng đo

* Cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực hoạt động như một máy phát dựa trên các hiệu ứng vật lý để biến đổi một dạng năng lượng nào đó (cơ, nhiệt, quang, bức xạ) thành dạng năng lượng điện; trong đó đại lượng đầu vào là điện tích q, hiệu điện thế U hay dòng điện I

* Cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo; trong đó đại lượng đầu vào là điện trở R, điện cảm L, điện dung C

Trở kháng Z phụ thuộc vào:

- Kích thước hình học của mẫu

- Tính chất điện của vật liệu: điện trở suất ρ , độ từ thẩm μ, hằng số điện môiε

1.2 PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP ĐO - THIẾT BỊ ĐO

1.2.1 Phân loại phương pháp đo

a, Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi

Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi (BĐ, A/D) và biến đổi thành con số Nx Đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi

4

Hình 1: Quá trình đo biến đổi thẳng

thành N0 Sau đó, đại lượng đo và đơn vị đo được so sánh với nhau qua bộ so

sánh (SS) Quá trình được thực hiện bằng một phép chia

o N x N

.Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng:

o

X o N x N

X = ⋅

Quá trình đo như vậy được gọi là quá trình biến đổi thẳng Thiết bị

đo thực hiện quá trình này được gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng

b, Phương pháp đo kiểu so sánh

Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi

Tín hiệu đo X được so sánh với một tín hiệu Xk tỷ lệ với đại lượng mẫu X0 Qua bộ so sánh ta có:

ΔX k X

X − =

Quá trình đo như vậy được gọi là quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị

đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay thiết bị bù)

Tuỳ thuộc vào cách so sánh mà ta có các phương pháp sau:

* So sánh không đồng thời

Là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng

Xk Các giá trị X và Xk được đưa vào thiết bị không cùng một thời gian Thông thường, Xk được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ

để xác định giá trị của đại lượng đo

* So sánh đồng thời

Là phương pháp so sánh các giá trị X và Xk cùng một lúc Khi X và

Xk trùng nhau thì qua Xk ta sẽ xác định được giá trị đại lượng X

1.2.2 Thiết bị đo

Là sự thể hiện phương pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể Do

đó, thiết bị đo thường được chia thành 3 loại:

a, Mẫu

Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định Đây là thiết bị đo đơn giản nhất nhưng có độ chính xác rất cao từ 0,001% ÷ 0,1%

tuỳ theo từng cấp, từng loại

b, Dụng cụ đo lường điện

Là dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường

và thể hiện kết quả đó dưới dạng con số, đồ thị hoặc bẳng số

Tuỳ theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành 2 loại:

* Dụng cụ đo tương tự (analog)

Là dụng cụ đo mà kết quả đo là một hàm liên tục của đại lượng đo

* Dụng cụ đo chỉ thị số (digital)

Là dụng cụ đo mà đại lượng đo liên tục được biến đổi thành rời rạc

và kết quả đo được thể hiện bằng số

c, Chuyển đổi đo lường

Là thiết bị dùng để biến đổi tín hiệu đo ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi hơn để biến đổi tiếp theo, hoặc truyền đạt, gia công, lưu trữ nhưng không quan sát được

6

Có 2 loại chuyển đổi:

 Chuyển đổi các đại lượng điện thành các đại lượng không điện: A/D, D/A

 Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện: đó là các bộ biến đổi sơ cấp và là bộ phận chính của đầu đo hoặc biến tử

d, Hệ thống thông tin đo lường

Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập

số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển

Hệ thống thông tin được chia thành nhiều nhóm: hệ thống đo lường,

hệ thống kiểm tra tự động, hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật, hệ thống nhận dạng,

hệ thống tổ hợp đo lường tính toán

1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA DỤNG CỤ ĐO

1.3.1 Giới hạn biến đổi và ngưỡng nhạy

* Giới hạn biến đổi

Là giá trị cực đại của đại lượng vào mà một biến tử nhận được không gây méo phi tuyến hoặc làm hỏng biến tử

i x x Δx

Δy S

1.3.3 Độ nhanh - Thời gian hồi đáp

* Độ nhanh

Là một đặc trưng của cảm biến, cho phép đánh giá đại lượng đầu ra

Y có theo kịp đầu vào X hay không

* Thời gian hồi đáp

Là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

Đối với dụng cụ tương tự, thời gian này là 4s Còn đối với dụng cụ

số, có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong 1s

1.3.4 Độ tin cậy

Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Độ tin cậy của các linh kiên sử dụng.

- Kết cấu của dụng cụ không quá phức tạp.

- Điều kiện làm việc.

Độ tin cậy được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định không Đây là một đặc tính quan trọng của dụng cụ đo

1.4 SAI SỐ VÀ PHÂN LOẠI SAI SỐ

1.4.1 Sai số của phép đo

Sai số của phép đo là sự chênh lệch giữa kết quả đo với giá trị thực của đại lượng đo Giá trị thực là giá trị xác dịnh đầy đủ về lượng cũng như về

8

chất của đại lượng đo Giá trị đó không bao giờ nhận được mà chỉ tiệm cận với giá trị thực.

Để đánh giá phép đo, người ta đánh giá qua sai số Để đánh giá được sai số, trong thực tế phải thay thế giá trị thực bằng một giá trị gần đúng với giá trị thực gọi là giá trị thực tế

1.4.2 Phân loại sai số

a, Căn cứ theo phương pháp biểu diễn

* Sai số tuyệt đối

Là hiệu số giữa đại lượng cần đo X và giá trị thực Xth của đại lượng cần đo:

ΔX = X - Xth.Sai số tuyệt đối có thứ nguyên của đại lượng cần đo và có thể âm hoặc dương

* Sai số tương đối

Được tính bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực của đại lượng cần đo:

100%

X

ΔX 100%

th X

ΔX x

Sai số tương đối không có thứ nguyên, và đặc trưng cho chất lượng của từng phép đo

* Sai số quy đổi

Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối với giá trị lớn nhất của thang đo đang

sử dụng:

( )% max X

ΔX

β = ±

* Độ chính xác của phép đo được định nghĩa như là một đại lượng

nghịch đảo của modul sai số tuyệt đối:

x γ

1 ΔX th X

ε = =

b, Căn cứ theo nguyên nhân gây ra sai số

* Sai số hệ thống

Là sai số mắc phải khi thực hiện phép đo nhiều lần trong điều kiện

đo như nhau mà sai số của phép đo không thay đổi hoặc thay đổi theo quy luật

Nguyên nhân:

 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

 Do điều kiện và chế độ sử dụng

 Do xử lý kết quả đo

* Sai số ngẫu nhiên

Là sai số mắc phải khi thực hiện một phép đo nhiều lần trong điều kiện đo như nhau mà kết quả thay đổi không theo quy luật nào

Nguyên nhân:

 Do tính không xác định của đặc trưng thiết bị, tính linh động của thiết bị

 Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

 Do các đại lượng ảnh hưởng

* Sai số thô (sai sót)

Là loại sai số mắc phải do kết quả đo lệch khỏi giá trị cần đo không thể chấp nhận được, ta phải phát hiện và loại trừ

CHƯƠNG II: BIẾN TỬ QUANG ĐIỆN

2.1 KHÁI NIỆM - PHÂN LOẠI - CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BIẾN TỬ QUANG ĐIỆN

2.1.1 Khái niệm

10

Biến tử quang được sử dụng để chuyển đổi những thông tin từ ánh sáng (hồng ngoại, tử ngoại, nhìn thấy) thành tín hiệu điện dựa trên các hiệu ứng quang điện.

b, Đặc trưng phổ

Biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng chiếu sáng

( )λΦf

d, Đặc trưng Vol - Ampe

Biểu diễn sự phụ thuộc của dòng quang điện vào điện áp đặt vào biến tử

( )u f Φ

Dạng sóng của ánh sáng chính là sóng điện từ được phát ra khi có sự chuyển điện tử - lỗ trống giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng.

* Vận tốc ánh sáng, và quan hệ giữa tần số và bước sóng:

•Trong chân không: c = 299792 km/s (c≈ 3.108m/s), λ =γc

•Trong môi trường: , λ vγ

* Khi ánh sáng chiếu vào vật chất thì các hạt photon sẽ đập vào nó

và cung cấp cho các điện tử liên kết trong nguyên tử của vật chất một năng lượng phụ thuộc duy nhất vào tần số:

hγ Φ

W =

Trong đó: h = 6,6256.10-34 J.s: hằng số Plank

Các điện tử liên kết trong nguyên tử của vật chất luôn có xu hướng muốn được giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do Để giải phóng các điện tử khỏi nguyên tử thì cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng liên kết giữa các điện tử trong nguyên tử Wl

Khi một photon được hấp thụ thì sẽ có một điện tử được giải phóng nếu: WΦ ≥Wl.

Hay:

l W

hc λ h

l

W

γ ≥ ⇒ ≤ : Đây chính là điều kiện để có hiện tượng quang điện

Ngưỡng bước sóng (hay bước sóng lớn nhất) để có hiện tượng quang điện:

( ) ( )

eV l W

1,237 μm

s

λ l W

hc s

λ = ⇒ = (2.1)Như vậy, hiệu ứng quang điện đã gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu và đây chính là nguyên lý cơ bản của các biến tử quang điện

* Loại điện tích được giải phóng khi chiếu sáng phụ thuộc vào bản

chất vật chất bị chiếu sáng:

- Chiếu ánh sáng vào điện môi và bán dẫn tinh khiết thì các

điện tích được giải phóng là các cặp điện tử - lỗ trống

- Chiếu ánh sáng vào bán dẫn pha tạp Donor (loại n) thì các

điện tích được giải phóng là điện tử

- Chiếu ánh sáng vào bán dẫn pha tạp Axepto (loại p) thì các

điện tích được giải phóng là lỗ trống

- Chiếu ánh sáng vào kim loại thì các điện tích được giải phóng

là điện tử

* Dưới tác dụng của ánh sáng, hiệu ứng quang điện tỷ lệ thuận với

số lượng hạt dẫn được giải phóng trong một đơn vị thời gian Nhưng không phải tất cả các photon chiếu vào vật liệu đều tham gia vào quá trình giải

- điện tử

+ lỗ trống

+

- điện tửTạp Donor

- Tạp Axepto+ lỗ trống

Hình 4: Hiệu ứng quang điện

phóng hạt dẫn mà có một số photon sẽ bị phản xạ lại từ bề mặt, một số khác

sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng dao động nhiệt

Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất Φ với số photon chiếu tới trong một giây:

hc

λΦ hγ

Φ i

n = = (2.2)thì số photon bị hấp thụ trong một giây:

( 1 R ) ni ( 1 R )λΦhc

a = − = − (2.3)Khi đó, số điện tử hoặc lỗ trống được giải phóng trong 1 giây là:

( )

hc

λΦ R 1 η a η

G = ⋅ = − (2.4)Trong đó: η - hiệu suất lượng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình được giải phóng khi một photon được hấp thụ)

2.2.2 Các đơn vị đo quang

d, Độ chói năng lượng (L)

Là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và hình chiếu của của dA theo hướng đó

n dA

dI

L =

Trong đó: dAn= dAcosθ, θ - góc giữa P và mặt phẳng chứa dA

e, Độ rọi năng lượng (E)

14

Là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và yếu tố diện tích của phần tử đó

dA

dΦ

E =

Bảng 1: Các đơn vị đo quang cơ bản

Đơn vị thị giác Đơn vị năng lượng

Cường độ sáng I Candela (Cd) Oat/streradian (W/sr)

Độ chói năng lượng L Cadenla/m2 (Cd/m2) Oat/sr.m2 (W/sr.m2)

Độ rọi E Lumen/m2 (Lm/m2) Oat/m2 (W/m2)

2.2.2 Các loại nguồn sáng

Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ Vì vậy, việc sử dụng biến tử quang điện chỉ có hiệu quả khi nó có được nguồn sáng phù hợp về phổ, thông lượng và tần số

Một số nguồn sáng thường được sử dụng:

a, Đèn sợi đốt Wolfram

* Cấu tạo

Gồm một sợi dây Wolfram đặt trong một bóng bằng thuỷ tinh hoặc thạch anh có chứa khí hiếm hoặc halogen (I2) để giảm sự bay hơi của sợi đốt Nhiệt độ của sợi đốt giống như nhiệt độ của vật đen tuyệt đối, có đường cong phổ phát xạ nằm trong vùng phổ nhìn thấy

Diode phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ trống ở vùng chuyển tiếp P-N của diode sẽ làm phát sinh các photon.

* Đặc điểm

•Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns nên có thể điều biến chế được ở tần số cao bằng nguồn nuôi

•Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định

•Độ tin cậy cao, độ bền cơ học cao

•Kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp

•Thời gian sử dụng dài (tới 100000 giờ)

* Tế bào quang dẫn là một loại linh kiện bán dẫn thụ động, không

có lớp chuyển tiếp P-N và là một trong các biến tử quang điện có độ nhạy cao, quán tính khá lớn

16

A-

hν

Φ

I

Mặt AL

+

* Chúng thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng

nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp

- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbTe

- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

* Tế bào quang dẫn hoạt động dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả

của hiệu ứng quang điện nội

Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào vật liệu thì các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà chúng chỉ thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử để trở thành điện tử tự do Các phần tử tải điện này sẽ chuyển động ngược chiều nhau dưới tác dụng của điện trường làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu vật liệu

Nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm) thì các điện tử sẽ dịch chuyển từ vùng hoá trị lên vùg dẫn; dẫn đến sự thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn làm cho chất bán dẫn có khả năng dẫn điện Hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu được gọi là hiện tượng quang dẫn

* Hiện tượng quang dẫn:

Giả sử ta có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại n, với nồng độ các nguyên tử Donor là Nd có mức năng lượng nằm dưới đáy vùng dẫn một khoảng bằng Wd

 Giả sử năng lượng ion hoá nguyên tử Donor Wd đủ lớn để khi ở trong tối và với nhiệt độ trong phòng (tức là các nguyên tử chưa được chiếu sáng), nồng độ n0 của các Donor bị ion hoá do nhiệt là nhỏ

Nồng độ điện tử được giải phóng trong một đơn vị thời gian do kích thích nhiệt từ các nguyên tử Donor là:

a = exp(-qWd / kT) (2.5)Nồng độ của các điện tử này sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ của các tạp chất chưa bị ion hoá a(Nd - n0)

Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với nồng độ các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và với nồng

độ điện tử cũng là n0; nghĩa là tỷ lệ với r.n2 trong đó r là hệ số tái hợp

Phương trình động học của quá trình tái hợp biểu diễn sự thay đổi của mật độ điện tử tự do có dạng:

o

r o d N a dt o dn

aN 2 4r

2 a 2r

a o n 0 dt o

q - giá trị tuyệt đối của điện tích điện tử.

Khi nhiệt độ tăng thì độ linh động μ giảm nhưng mật độ n0 tăng vì

sự kích thích nhiệt lớn và ảnh hưởng đến độ dẫn của vật liệu

 Khi chất bán dẫn bị chiếu sáng, các photon ánh sáng có năng lượng

1 AL

G V

G

g= = = − (2.6) Các điện tử này sẽ bổ sung thêm vào số điện tử giải phóng do kích thích nhiệt

Khi này, phương trình động học của quá trình tái hợp sẽ có dạng:

( n) g r 2 d

N a dt

dn

− +

Điện trở khi chiếu sáng RΦc phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng Φ

, bước sóng λ , nhiệt độ; và được biểu diễn bằng biểu thức:

γ aΦ Φc

Trong đó: a - hệ số phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ

γ - hệ số có giá trị 0,5÷1

Các tính chất của một tế bào quang dẫn có thể được biểu diễn bằng một mạch tương đương gồm hai điện trở RT và RΦc mắc song song.

Khi đó, điện trở quang dẫn:

Φc R T Φc R T R Φ R

1 T

G =

Độ dẫn quang: GΦc =RΦc1

Độ dẫn tổng cộng: GΦ =GT +GΦc ≈GΦc Khi đặt điện áp U vào tế bào thì sẽ xuất hiện dòng IΦ chạy qua:

Hình 7: Mạch tương đương của quang trở

Hình 8: Sự phụ thuộc của RΦvào độ rọi sáng E

U Φc G U T G U Φ G Φ

Φc I o I Φ

⇒

Trong đó: I0 = GT.U - dòng tối

U Φc G Φc

I = ⋅ - dòng quang điện

Trong điều kiện bình thường: Io <<IΦc nên

Φc R

U Φc I Φ

I ≈ =

Khi đó, dòng quang điện của tế bào:

γ Φ a

U Φ

I = (2.8) Vậy, nếu γ ≠ 1 thì dòng điện IΦ là hàm không tuyến tính của thông lượng ánh sáng Do đó, đặc trưng chiếu sáng của tế bào quang dẫn có độ tuyến tính phụ thuộc vào điện trở tải: điện trở tải càng nhỏ thì độ tuyến tính càng cao

* Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỷ số chuyển đổi tĩnh:

1 γ Φ a

U Φ Φ

Độ nhạy:

1 γ Φ a

U γ dΦ Φ dI

S= = ⋅ − (2.9)

 Từ hai biểu thức này, ta có thể nhận thấy:

• Nếu γ =1 thì tỷ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy có cùng độ lớn

3Ω 2000Ω

• Với γ ≠ 1: tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức xạ tăng.

• Độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp của tế bào quang dẫn Điều này chỉ đúng khi điện áp đặt vào đủ nhỏ để hiệu ứng Joule không làm thay đổi nhiệt độ (vì nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ nhạy)

2.4 PHOTODIODE (DIODE QUANG ĐIỆN)

2.4.1 Vật liệu chế tạo

• Vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần: Si, Ge

• Vùng hồng ngoại: GaAs, InAs, InSb, HgCdTe

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

* Photodiode có độ nhạy lớn hơn rất nhiều lần so với độ nhạy của

quang trở, có quán tính khá lớn; và hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài

Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào vật liệu thì các điện tử được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu từ katot tạo thành dòng và được thu lại dưới tác dụng điện trường

22

S(%) 100

-200 -150 -100 -50 0 -50 T(0C)

Hình 10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn

-+++

Khi cho hai bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau, do nồng độ lỗ trống trong bán dẫn P rất lớn hơn so với bán dẫn N còn nồng độ điện tử trong bán dẫn N lại rất lớn hơn so với bán dẫn P; nên ở lân cận mặt tiếp xúc, hạt dẫn đa

số của bán dẫn này được khuếch tán sang bán dẫn kia hay lỗ trống từ bán dẫn

P sang bán dẫn N và điện tử từ bán dẫn N sang bán dẫn P

Khi di chuyển qua mặt tiếp xúc, chúng để lại các ion âm của acxepto

và ion dương của dono nên lân cận mặt tiếp xúc mất sự trung hoà về điện tích khiến bán dẫn N được tích điện dương, còn bán dẫn P tích điện âm Vì vậy, hình thành điện trường tiếp xúc có chiều từ N đến P ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số đi qua mặt tiếp xúc, nhưng lại tăng tốc cho các hạt dẫn thiểu số đi qua mặt tiếp xúc Đến một thời điểm nào đó, số hạt dẫn đa số qua mặt tiếp xúc bằng số hạt dẫn thiểu số thì khi này ở gần vùng tiếp xúc chỉ có ion âm của acxepto và ion dương của dono; nên vùng này được gọi là vùng nghèo

Khi chiếu ánh sáng có thông lượng Φ vào lớp tiếp xúc P-N thì lớp ngăn này trở thành một nguồn điện Nếu mạch kín thìsẽ tồn tại dòng IΦ trên mạch

* Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên chuyển tiếp (Ungoài = 0)

+ + +

- -

+

-+ + +

-

Dòng điện đi qua chuyển tiếp chính là dòng tổng cộng của hai dòng bằng nhau và ngược chiều:

I = IKT + Ic = 0Trong đó: IKT - dòng khuếch tán của những hạt dẫn cơ bản sinh ra do ion hoá tạp chất (lỗ trống từ bán dẫn P sang bán dẫn N, và điện tử từ bán dẫn N sang bán dẫn P) Năng lượng nhiệt của các hạt dẫn này đủ lớn để có thể vượt qua hàng rào thế

Ic - dòng cuốn của các hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt các cặp điện tử - lỗ trống (điện trường tiếp xúc cuốn điện tử từ bán dẫn

P sang bán dẫn N, lỗ trống từ bán dẫn N sang bán dẫn P)

* Khi có điện thế bên ngoài đặt lên chuyển tiếp (Ungoài = Ud ≠ 0)

Khi đó, chiều cao hàng rào thế sẽ thay đổi, làm cho độ rộng vùng nghèo và dòng hạt dẫn cơ bản cũng thay đổi Điện áp Ud đặt lên chuyển tiếp

sẽ xác định dòng điện I:

o

I kT d qU exp o I

Nếu điện áp ngược đủ lớn Ud >>kTq = 26mV ở 300K thì chiều cao hàng rào thế đủ lớn đến mức dòng khuếch tán hạt dẫn cơ bản IKT rất nhỏ có thể bỏ qua

Khi này: I ≡ Ic = Ingược = I0

Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng (λ < λs) thì sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống Để các hạt dẫn này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng I thì cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của chúng, tức phải nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Điều này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và

sự chuyển dời của các điện tích đó (cùng hướng với hướng chuyển dời của các hạt dẫn không cơ bản) làm tăng dòng ngược Ingược

24

Điều quan trọng là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua một bề dày đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không nhiều Càng đi sâu vào chất bán dẫn thì thông lượng Φ càng giảm:

( ) e αx o Φ x

Φ = − (2.11)Trong đó: α ≈ 105cm-1 tương ứng với sự giảm 63% thông lượng khi đi qua

bề dày bằng 103 Ao

Trên thực tế, phiến bán dẫn được làm rất mỏng để sử dụng ánh sáng tới một cách hữu hiệu nhất, đồng thời vùng nghèo cũng phải đủ rộng để sự hấp thụ ánh sáng tới là cực đại

Hình 13: Hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo của diode quang điện

Dòng quang điện được hình thành khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo.

o Φ hc λ R 1 η q Φ

I = − (2.12)Trong đó: α - hệ số hấp thụ

o

Φ - công suất chiếu sáng tại bề mặt lớp tiếp xúc

Dòng ngược chạy qua diode:

Ingược = IΦ

o I kT d qU exp o

−   (2.13)

Khi điện áp ngược Ud đủ lớn thì 0

kT d qU exp  →

E +

* Đặc trưng V-A

26

102030405060

-40 -30 (-Es) -20 -10 -5 0 0,25

μW

50

μW 100

μW 150

Hình 14: Sơ đồ nguyên lý diode quang điện trong chế độ quang dẫn

Hình 15: Đặc trưng V-A ứng với những thông lượng khác nhau