Cảm biến quang và ứng dụng trong điều khiển độ sáng

Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn Khi có một photon hay một chùm photon được chiếu vào bề mặt bándẫn, phụ thuộc vào năng lượng của photon, nó có thể được hấp thụ làm phátsinh ra một c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN KHẮC BÌNH

CẢM BIẾN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Vinh, 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN KHẮC BÌNH

CẢM BIẾN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG

1.1.3 Vật liệu chế tạo các cảm biến quang 111.2 Một số đặc trưng của các cảm biến quang 121.2.1 Tỉ số tín hiệu nhiễu và độ phân giải 12

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đến nay ai cũng biết rõ các linh kiện điện tử nói chung và các linh kiệnquang điện tử nói riêng là nền tảng tạo nên các mạch vi điện tử hiện đại Nó làcác tế bào tạo nên các thiết bị điện tử Còn các mạch vi điện tử tích hợp caovới tốc độ lớn, các mạch vi điện tử thông minh trên cơ sở các sensor, cácmạch vi điện tử quang (OEIC) đã và đang trở thành các “tế bào não” hoặc “bộnão” của các thế hệ máy tính, thiết bị điện tử hiện đại và người máy Sự pháttriển của công ngiệp điện tử truyền thống hiện nay và trong tương lai có lẽvẫn dựa trên vật liệu bán dẫn đơn chất silic là chủ yếu, công nghệ này đã vàđang phát triển mạnh mẽ, hoàn thiện và đang tiến tới kích thước giới hạn nhỏnhất

Có hai họ các linh kiện quang điện tử cơ bản là họ các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang(sensor quang) và họ các linh kiện bán dẫn phát quang.

Hai họ này đều có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của khoa học công nghệ, chúng luôn đi liền nhau và cùng phát triển song song với nhau.Việc nghiên cứu các quá trình trong các linh kiện quang điện tử khi hấp thụphôtôn sẽ hoàn thiện thêm cho ta kho tri thức về sự tương tác quang – vậtchất, từ đó làm nền tảng cho việc sáng tạo, thiết kế những thiết bị ứng dụngcho sản xuất và sinh hoạt Điều này là thực sự cần thiết cho nền kinh tế củanước ta hiện nay, một nền kinh tế nông nghiệp đang tiến tới công nghiệp hiệnđại và tự động hóa Trong phạm vi một luận văn Thạc sĩ, chúng tôi lựa chọn

-đề tài nghiên cứu:”Cảm biến quang và ứng dụng trong điều khiển độ sáng”.

Đây là một dề tài mang tính khởi đầu, đặt nền móng cho các đề tài nghiên cứu

về vật lý ứng dụng sau này, đồng thời cũng góp thêm một phần tư liệu chocác ứng dụng của vật lý trong sinh hoạt và sản xuất

2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính chất quang của vật liệu bán dẫn

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số cảm biến quang

- Thiết kế và lắp ráp một mạch ứng dụng có sử dụng cảm biến quang

3 Đối tượng nghiên cứu

- Quang trở

- Photođiot

- Phototranzito

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết thông qua giáo trình, tài liệu và các bài giảng điện tửtrên web, internet

- Nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát sự phụ thuộc của điện trở linh kiện theocường độ sáng

- Thiết kế và lắp mạch thực nghiệm

5 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có hai chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về linh kiện thu quang Những kết quả gầnđây về các đặc trưng của họ linh kiện thu quang và cảm biến quang, các quátrình diễn ra do sự trương tác giữa photon và bán dẫn Nghiên cứu một số loạicảm biến quang quan trọng – quang trở, photodiot, phototranzito, về cấu tạo,nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng của chúng

Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng của cảm biến quang trong điều khiển độsáng Tiến hành khảo sát thực nghiệm về sự phụ thuộc của điện trở cảm biến

và cường độ ánh sáng chiếu tới, vận dụng để thiết kế và lắp ráp mạch điệnứng dụng Khảo sát sự hoạt động của mạch và so sánh kết quả thực nghiệmvới lý thuyết

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN THU QUANG

Trong chương này chúng tôi trình bày về những các đặc trưng của quátrình diễn ra khi có sự tương tác giữa photon và chất bán dẫn, dựa trên cáchiệu ứng này để từ đó chúng tôi đi sâu vào nghiên cứu về các ứng dụng củamột số linh kiện bán dẫn

1.1 Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn

Khi có một photon (hay một chùm photon) được chiếu vào bề mặt bándẫn, phụ thuộc vào năng lượng của photon, nó có thể được hấp thụ làm phátsinh ra một cặp điện tử - lỗ trống trong bán bẫn Điện tử có thể nhảy từ vùnghóa trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hóa trị một lỗ trống Quá trình này gọi

là quá trình hấp thụ một photon Để cho một điện tử có trong vùng hóa trịnhảy lên được vùng dẫn thì năng lượng photon ít nhất phải bằng với nănglượng vùng cấm Đây là hấp thụ vùng – vùng Còn có một số khả năng hấpthụ khác nữa, ví dụ như khi điện tử không nhảy lên vùng dẫn mà nhảy lên mộtmức năng lượng của tạp chất có trong vùng cấm (ở bán dẫn pha tạp) hay trongcác giếng lượng tử điện tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượngcao ở trong vùng Trong các quá trình này năng lượng photon không cần caohơn năng lượng vùng cấm

1.1.1 Hệ số hấp thụ

Quá trình hấp thụ photon là mạnh nhất khi photon có khả năng tác độngmột cách trực tiếp để một điện tử nhảy thẳng hay nhảy trực tiếp lên vùng dẫn.Quá trình dịch chuyển như thế này có thể thực hiện tại gần mép vùng cấm cócấu trúc thẳng của bán dẫn Hệ số hấp thụ đối với bán dẫn có vùng cấm thẳng

có biểu thức:

cm m

r

m là khối lượng hiệu dụng của e-h,   là năng lượng của photon,

E g là độ rộng vùng cấm, m o là khối lượng của điện tử.

Khi bán dẫn có vùng cấm không thẳng, nghĩa là cực đại của vùng hóa trị

và cực tiểu của vùng dẫn không nằm tại cùng hệ số sóng k, khi đó sự dịchchuyển theo chiều thẳng đứng k không thể xẩ ra và các điện tử cũng có khảnăng hấp thụ chỉ một photon nếu có thêm một phonon tham gia vào quá trìnhhấp thụ

(1.1)

(1.2)

Hình 1.1 Sự hấp thụ photon trong bán dẫn

trong đó K 0 là hằng số và K 1 (T) là thừa số phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt

độ tăng thì K 1 (T) sẽ tăng và hệ số hấp thụ tăng vì lúc này mạng dao động mạnh K 0 và K 1 (T) có giá trị sao cho giá trị của hệ số hấp thụ của bán dẫn

không thẳng nhỏ hơn cỡ 100 lần so với bán dẫn thẳng tại cùng một giá trị

năng lượng photon với độ lớn tối thiểu bằng giá trị vùng cấm (ћω > Eω > E g)

Từ phương trình (1.2) ta thấy rằng hệ số hập thụ quang sẽ bằng 0 khi nănglượng của photon bằng năng lượng vùng cấm và bước sóng photon khi hệ sốhấp thụ bằng 0 gọi là bước sóng cắt (λC) Từ đó có thể suy ra tần số cắt nhưsau:

1, 24 ( ) ( )

Trong thiết kế chế tạo detector rất cần biết độ xuyên sâu của photon để

từ đó có thể tính toán thiết kế độ dày của các lớp bán dẫn Hình 1.3 mô tả chitiết độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn tại hai nhiệt độ 78K và300K Ví dụ tại bước sóng λ = 0,9 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m độ xuyên sâu của photon là khoảng 20

μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m tại 300K, còn tại 78K thì độ xuyên sâu khá lớn

(1.3)

CdS (0,51 Μm)m)

Bước sóng λ (μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

α - Si (0,82

μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

Si (1,1 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

GaAs (0,87 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

Trong các photodetector không thuần, vật liệu bán dẫn được pha bởi một

số tạp chất đặc biệt, có mức tâm nông để đảm bảo cho các mức năng lượng cóthể tồn tại rtong vùng cấm Khi các điện tử bị kích thích bởi các photon cónăng lượng nhỏ hơn vùng cấm, chúng có thể nhảy lên các mức năng lượng cótrong vùng cấm này Với quá trình này vật liệu bán dẫn cũng hấp thụ photon

có năng lượng nhỏ và dựa trên cơ sở này người ta chế tạo ra các detectorkhông thuần Các photodetector không thuần này tạo thành một nhómdetector quan trọng đối với quá trình thu bức xạ sóng dài Năng lượng ức xạ

có khả năng nhỏ hơn nhiều so với vùng cấm Trong thực tế detector khôngthuần có thể hoạt động đến tận bước sóng 120 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m tại nhiệt độ thấp khi vậtliệu được pha một số nguyên tử tạp chất vào Si và Ge

0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15

10000 1000 100 10 1 0.1

Bước sóng, λ (μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

Hình 1.3 Độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán

dẫn Si dùng trong thiết kế detector[2]

1.1.2 Hiệu suất lượng tử

Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là xác suất để một photon rơi vào bềmặt linh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một cặp điện tử - lỗ trống góp phần vàodòng điện mạch ngoài Khi có rất nhiều photon đến bề mặt bán dẫn thì hiệusuất lượng tử là tỉ số của thông lượng các cặp điện tử - lỗ trống sinh ra gópphần tạo ra dòng quang điện mạch ngoài trên thông lượng của photon tới.Như vậy mọi linh kiện thu quang bán dẫn không khuếch đại có dòng quangđiện là IL tỉ lệ với công suất bức xạ là ФL.Hiệu suất lượng tử η, là tỉ số giữa sốelectron ne chạy ở trong mạch và số photon nph rơi trên bề mặt đầu thu trongcùng một thời gian:

/ /

lỗ trống tham gia vào dòng quang điện, α là hệ số hấp thụ photon của vật liệu,

d là chiều dày của photodetector Thành phần thứ ba trong móc vuông thểhiện tỉ phần thông lượng phôtôn bị hấp thụ trong lòng detector, như vậydetector càng có kích thước dày thì thành phần thứ ba này càng lớn

* Sự phụ thuộc của hiệu suất lượng tử vào bước sóng

Tại bước sóng λ nào đấy, trong một đơn vị thời gian, số phôtôn nph sẽ là:

,

e, t ph

n hf

I n q

trong đó I L,λ là dòng điện ở mạch ngoài, q là điện tích của điện tử Như vậyhiệu suất lượng tử tại một bước sóng sẽ là:

( )

là G Hệ số khuếch đại G là số trung bình của các điện tử có trong mạch ngoàichia cho số cặp hạt tải quang điện đã được sinh ra Hệ số khuếch đại đượcđịnh nghĩa như sau:

*

*

q G e



Hệ số khuếch đại này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1 đơn vị Đến đâychúng ta có đưa ra biểu thức tổng quát hơn về dòng quang điện và độ nhạyđược viết ở dưới dạng dưới đây:

ở đây thứ nguyên của G là [ A/W], λ 0 là [μm]m].

Độ nhạy phổ tuyệt đối khi hiệu suất bằng 1 và hiệu suất lượng tử tươngđối tại một bước sóng được viết như sau:

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(1.11)(1.12)

số vật liệu bán dẫn theo bước sóng Từ hình vẽ có thể nhận thấy rất ít vật liệubán dẫn có hiệu suất lượng tử gần bằng 1 Riêng đối với linh kiện thu quangchế tạo từ vật liệu bán dẫn Si thì hiệu suất lượng tử có giá trị cao chủ yếu ởvùng bước sóng hồng ngoại gần, khoảng 0,8 đến 0,95 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m như trên hình 1.6 vàphụ thuộc vào nhiệt độ Đường hiệu suất lượng tử lí tưởng biến đổi gần nhưtuyến tính cho đến tần số cắt cỡ 1,2 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m sau đó trở về 0 Còn đường hiệu suấtlượng tử thực tế ở mọi bước song đều nhỏ hơn đường lí thuyết, đặc biệt vùng

tử ngoại và vùng gần bước sóng cắt, hiệu suất lượng tử suy giảm rất mạnh docác hạt tải sinh ra ở các vùng này bị tái hợp mặt hoặc không thể khuếch tán vềphía bên kia của tiếp giáp để góp phần vào dòng quang điện ở mạch ngoài

(1.13)(1.14)

Hinh1.4 Hiệu suất lượng tử tương đối và độ nhạy phổ của một số vật liệu [2]

1.1.3 Vật liệu chế tạo các cảm biến quang

Các cảm biến quang được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhấthoặc đơn tinh thể , bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp

- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe

- Dơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In

SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe

Hình 1.5.Một số vật liệu dùng trong chế tạo Photođiot và các

vùng nhậy quang của chúng biểu thị theo độ lớn của độ nhạy [2]

λ(μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20m)

1.2 Một số đặc trưng của các cảm biến quang

1.2.1 Tỉ số tín hiệu nhiễu và độ phân giải

Tỉ số tín hiệu nhiễu, được kí hiệu bằng S/N, được biểu diễn bằng tỉ sốcông suất tín hiệu trên công suất nhiễu ở đầu ra trên tỉ số đó có ở đầu vào vàđược viết như sau:



 trong đó ω là tần số sóng ánh sáng, B là độ linh động băng tần, η là hiệu suấtlượng tử Đối với các linh kiện thu quang, đặc biệt là linh kiện thu tín hiệuquang vùng hồng ngoại, một thông số khác được sử dụng đó là khả năng táchtín hiệu (D* - detectivity) Nó tỉ lệ nghịch với NEP và tỉ lệ thuận với căn bậchai diện tích tích cực của linh kiện thu quang A và độ rộng băng tần B:

1/ 2

* ( )A B D

1.2.2 Thời gian đáp ứng

Ta đã biết rằng, khi một photon rơi vào bề mặt vật liệu thì có khả nănglàm sinh ra hai loại hạt dẫn là điện tử và lỗ trống Hai loại hạt này có khốilượng không giống nhau, và do đó độ linh động của chúng là không nhưnhau, nên thời gian chạy ra mạch ngoài của điện tử và lỗ trống là khác nhautùy theo cấu trúc và đặc điểm của vật liệu bán dẫn làm linh kiện thu quang

Cụ thể là các điện tử thì chạy nhanh, có thể đi về cực dương một cách nhanhchóng, còn các lỗ trống thì chạy chậm hơn về điện cực âm Từng loại hạt tảichạy qua mặt ngoài đều cần có một khoảng thời gian Thời gian này được gọi

là thời gian lan truyền trung chuyển trong linh kiện Đây là một thừa số giớihạn quan trọng đối với tốc độ hoạt động của tất cả các linh kiện thu quang bándẫn

Ta gọi thời gian đáp ứng Tr của linh kiện thu quang giới hạn chủ yếu bởi điện dung và trở kháng của linh kiện thu như trong công thức sau:

ε

trong đó ε là hằng số điện môi, còn W là độ rộng lớp nghèo của chuyển tiếp,

A là diện tích của linh kiện Điện dung có thể có giá trị nhỏ nhờ pha tạp một

(1.18)

lượng nhỏ vào vật liệu hoặc bởi tăng thế hiệu phân cực ngược đặt vào linhkiện để cho lớp nghèoW có độ rộng tăng lên Tuy nhiên khi lớp nghèo tănglên có thể làm gia tăng đáng kể quá trình phát sinh tái hợp trong lớp nghèogây nên ảnh hưởng tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu theo chiều hướng không cólợi Từ công thức trên ta cũng dễ nhận thấy hằng số điện môi ε nhỏ sẽ có giátrị điện dung nhỏ.

1.2.3 Độ nhạy của cảm biến

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiênđầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính:

∆s = S ∆m

Đại lượng S xác định bởi biểu thức S= Δss

Δsm được gọi là độ nhạy của cảmbiến

* Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ratương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạtđến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Mộtđiểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ởchế độ tĩnh

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S được xác định bằng biểu thức:

i

m=m

ΔssS=

Ở đầu ra cảm biến, hồi đáp s có dạng:

s(t) = s0 + s1 cos(ωt+φ))Trong đó:

- s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trênđường cong chuẩn ở chế độ tĩnh

- s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đogây nên

- φ) là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra

Trong chế độ động, độ nhạy s của cảm biến được xác định bởi tỷ sốgiữa biên độ của biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứngvới điểm làm việc Q0, theo công thức:

(1.23)

(1.24)

(1.25)

1

s S=

đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độnhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thong số quyết định

sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũngkhông phụ thuộc vào đại lượng đo

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bịhiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi củatín hiệu quang thu được ở đầu vào Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tínhhóa

* Đường thẳng tốt nhất

(1.26)

Từ kết quả thực nghiệm chúng ta sẽ nhận được một loạt điểm tươngứng (si, mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đốivới các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuynhiên do sai số khi đo, các điểm chuẩn (si, mi) nhận được bằng thực nghiệmthường không nằm trên một đường thẳng.

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm saocho sai số là bé nhất biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đườngthẳng tốt nhất Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằngphương pháp bình phương bé nhất Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hànhvới N điểm đo, phương trình có dạng:

N s m - s m a=

s m - m s m b=

(1.27)

(1.28)

Δsx δ= 100

x (%)Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biếtchính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến,người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫunhiên

- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khôngđổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và them vào một độ lệch không đổigiữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểubiết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra Các nguyên nhân gây rasai số hệ thống có thể là:

Do nguyên lý của cảm biến

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

+ Do đặc tính của bộ cảm biến

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng

+ Do xử lý kết quả đo

- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định

Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưngkhông thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó Những nguyên nhân gây ra sai

số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

(1.29)

Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện phápthực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu,

Tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số,vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê

1.2.6 Vùng phổ làm việc

Việc thu ánh áng và phân tích ánh sáng là thực sự cần thiết trong hầuhết các ngành khoa học và công nghệ Đặc biệt là các nghành công nghệ caonhư truyền dẫn thông tin, y học hay thám hiểm vũ trụ Do vậy mà cần phải tạo

ra các loại sensor khác nhau thu những dải bước sóng khác nhau, phù hợp vớimục đích sử dụng mà thực tiễn yêu cầu Ngày nay công nghệ planar cho phépchúng ta tìm và tạo ra được các vật liệu có có phổ độ nhạy tương thích vớitừng dải sóng nhất định, bằng cách pha trộn các tạp chất vào trong bán dẫn,làm cho năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn tăng lên hay giảm xuống.Một số vật liệu thường dùng trong chế tạo sensor là các bán dẫn đa tinh thểđồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp

- Đa tinh thể: CdS, CdSe CdTe

PbS, PbSe, PbTe

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

SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe

CdTe PbS

PbSe PbTe Ge

Si

GeCu SnIn

AsIn

CdHg

1.3 Một số loại cảm biến quang

1.3.1 Quang trở

Quang trở là một tế bào quang dẫn có giá trị điện trở RC0 có thể thayđổi được khi có ánh sáng kích thích chiếu tới nó Các chất PbS, CdS, CdSe cóđiện trở rất lớn ( từ 104 Ω - 109 Ω ở nhiệt độ 25oC) Điện trở RC của cảm biếngiảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên Hình vẽ 2.1 mô tả về sự thay đổi của điệntrở cảm biến theo độ rọi sáng

Hình 1.6 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quan trọng[2]

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của điện trở vào sự rọi [10]

Tế bào quang dẫn có thể coi như một mạch tương đương gồm hai điện trở RC0

và RCp mắc song song:

Do đó ta có:

0 0

C

R R R



 Trong đó:

RC0 là điện trở trong tối

RCp là điện trở khi được chiếu sáng: RCp = aΦ-γ

a - là hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ

γ – là hệ số có giá trị từ 0,5 – 1

Thông thường RCp << RC0, nên có thể coi RC = RCp Công thức (2.1) chothấy sự phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông lượng ánhsáng là không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụngmột điện trở khác mắc song song với tế bào quang dẫn Mặt khác, độ nhạynhiệt của tế bào quang dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi độ rọi càng lớn thì độnhạy nhiệt càng nhỏ

Theo sơ đồ tương đương của tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bàoquang dẫn là tổng độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng:

G = GC0 + GCp

Trong đó:

- GC0 là độ dẫn trong tối: GC0 = 1/RC0

- GCp là độ dẫn khi chiếu sáng: GC0 = 1/RCp = Φγ/a

Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch sẽ là:

I = VGC0 + VGCp = I0 + Ip Trong điều kiện sử dụng thông thường I0 << Ip, do đó dòng quang điệncủa tế bào quang dẫn xác định bởi biểu thức:

(1.30)

(1.31)

(1.32)(1.32)

γ p

V

I = Φ aĐối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỷ lệ chuyển đổi tĩnh sẽ là:

Từ hai biểu thức (2.5) và (2.6) có thể thấy

+ Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức

I S( ) ( )

Tế bào quang dẫn có các đặc điểm:

- Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao

- Độ nhạy cao

- Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng

- Thời gian hồi đáp lớn

(1.33)

(1.34)

(1.35)

(1.36)