Khảo sát các đặc trưng quang học của quang trở cds và ứng dụng của nó luận văn thạc sỹ vật lý

Nhờ việc phân biệt được cường độ ánh sáng khi chiếu vào nó đã giúp cho ngành chế tạo cảm biến phát triểnmạnh, rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánh sáng, nhờnhững cảm bi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Chúng tôi xin được cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Đinh Xuân Khoa(Hiệu trưởng trường Đại học Vinh, Chủ nhiệm chuyên ngành quang học), TS.Đoàn Hoài Sơn (Chủ nhiệm khoa Vật lý), và quý thầy cô giáo trong khoa Vật

lý, khoa sau đại học, phòng quản lý NCKH trường Đại Học Vinh về những ýkiến đóng góp khoa học bổ ích cho nội dung luận văn, tạo điều kiện tốt nhấttrong thời gian chúng tôi học tập tại trường

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân,những đồng nghiệp và tập thể anh, chị em học viên cao học khóa 17 đã dànhtình cảm, động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luậnvăn

Vinh, tháng 11 năm 2011

Học viên

Đỗ Văn Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính bản thân thực hiện dưới sựhướng dẫn của TS Nguyễn Mạnh An Kết quả công trình được thực hiệnhoàn toàn độc lập thông qua việc nghiên cứu tài liệu và làm thực nghiệm tạitrường Đại Học Hồng Đức Hiện tại chưa có công trình nào công bố kết quảtương tự như luận văn của tôi

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Hải

MỤC LỤC

- Trang phụ bìa

- Lời cảm ơn

- Lời cam đoan

- Mục lục

Trang

Mở đầu 01

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ QUANG TRỞ 1.1 Hiệu ứng quang dẫn 03

1.2 Tế bào quang dẫn 06

1.2.1 Vật liệu chế tạo 06

1.2.2 Các đặc trưng của tế bào quang dẫn 07

1.2.2.1 Điện trở 07

1.2.2.2 Độ nhạy 08

1.2.3 Độ tuyến tính 13

1.2.4 Sai số và độ chính xác 15

1.2.5 Đặc điểm và ứng dụng của tế bào quang dẫn 16

Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU MỘT SÔ ĐẶC TRƯNG CỦA QUANG TRỞ CdS 2.1 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào độ rọi 18

2.2 Độ nhạy 22

Kết luận chương 2 25

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA QUANG TRỞ TRONG TỐI THIỂU HÓA NĂNG LƯỢNG CHIẾU SÁNG BẰNG ĐIỆN 3.1 Xây dựng mô hình 26

3.1.1 Xây dựng các điểm làm việc 27

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý 28

3.1.3 Tính toán cho các thông số mạch điện 29

3.2 Sơ đồ kết quả lắp ráp mô hình 36

3.3 Kết quả và thảo luận 38

Kết luận chương 3 39

Kết luận chung 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

MỞ ĐẦU

Vào đầu những năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử rađời, nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai trò quyếtđịnh trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theotrong tương lai Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹthuật như truyền tin, đo lường, điều khiển tự động,…Trong các linh kiện đó,quang trở là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học vàcông nghệ cũng như trong đời sống thực tiễn Nhờ việc phân biệt được cường

độ ánh sáng khi chiếu vào nó đã giúp cho ngành chế tạo cảm biến phát triểnmạnh, rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánh sáng, nhờnhững cảm biến ánh sáng mà các thiết bị hoạt động trở nên thông minh và tiếtkiệm điện hơn

Nhờ tính chất điện của quang trở phụ thuộc vào cường độ ánh sángchiếu tới nó mà quang trở được sử dụng khá nhiều trong các mạnh đo, điềukhiển tự động Một trong những ứng dụng đơn giản nhưng hết sức có ý nghĩanhất là các mạnh đóng ngắt đèn khi trời tối Nó làm giảm thiểu công lao độngcũng như giúp cắt giảm năng lượng chiếu sáng không cần thiết Tuy nhiên cácmạnh đóng ngắt đèn điện chỉ thực hiện ở hai chế độ hoặc tắt, hoặc mở màchưa tính đến việc cung cấp điện năng vừa đủ để chiếu sáng hợp lý Điều nàyrất có triển vọng ứng dụng cho các phòng làm việc, văn phòng, phòng học, Trước đây [8] đã quan tâm về vấn đề này nhưng còn một số hạn chế nhưchưa khảo sát đầy đủ các loại nguồn sáng, chưa khảo sát độ nhạy để lựachọn mạch điện tử phù hợp, chưa tính toán các tham số của mạch để cóhiệu quả lớn nhất (độ nhạy và độ ổn định của mạch chưa cao) Với luận vănnày chúng tôi đã khắc phục được những nhược điểm đó và đó cũng là điểmđóng góp chính của luận văn Chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tôi

lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Khảo sát các đặc trưng quang học của quang

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ QUANG TRỞ

1.1 Hiệu ứng quang dẫn

Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện trong) làhiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn ) trong vật liệu dưới tácdụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân Để giải phóngđiện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng lượng tối thiểu bằngnăng lượng liên kết Wlk Khi điện tử được giải phóng khởi nguyên tử, sẽ tạothành hạt dẫn mới trong vật liệu

Hạt dẫn được giải phóng do chiếu sáng không những phụ thuộc vàobản chất của vật liệu bị chiếu sáng mà còn phụ thuộc vào cường độ sángcũng như bước sóng ánh sáng chiếu tới Đối với các chất bán dẫn tinh

khiết, các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống (hình 1.1) Đối với trường hợpbán dẫn pha tạp, các hạt dẫn được giải phóng là điện tử nếu pha tạp chấtdono hoặc là lỗ trống nếu pha tạp chất acepto

Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng có thể tích V pha tạp loại N có

khoảng bằng Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong bóng tối nồng

độ no của các dono bị ion hoá do nhiệt là nhỏ (hình 1.2)

Khi ở trong tối, nồng độ điện tử tỉ lệ với nồng độ các tạp chất chưa

bi ion hoá và bằng a(Nd – no), với hệ số a được xác định theo công thức:

Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vịthời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hóa no và nồng độ điện tử cũngchính bằng no và bằng 2

or.n , trong đó r là hệ số tái hợp

Phương trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự dotrong khối vật liệu có dạng [1]:

Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhưng do sự tăng mật độđiện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hưởng của nó lànhân tố quyết định đối với độ dẫn.

Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử dono, giảiphóng ra các điện tử Tuy nhiên không phải tất các photon đập tới bề mặtvật liệu đều giải phóng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bịhấp thụ và chuyển năng lượng cho điện tử dưới dạng nhiệt năng, chỉ phầncòn lại mới tham gia vào giải phóng điện tử Do vậy, số điện tử (g) đượcgiải phóng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vậtliệu, được xác định bởi công thức [1]:

G - số điện tử được giải phóng trong thể tích V trong thời gian một giây

V = A.L, với A,L là diện tích mặt cạnh và chiều rộng tấm bán dẫn (hình1.2)

 - hiệu suất lượng tử ( số điện tử hoặc lỗ trống trung bình được giải phóngkhi một photon bị hấp thụ )

Trong điều kiện trên rút ra phương trình động học cho mật độ điện tử ởđiều kiện cân bằng dưới tác dụng chiếu sáng:

1/ 2

g n r

Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình (1.3)

1.2.2 Các đặc trưng của tế bào quang dẫn.

1.2.2.1 Điện trở

Giá trị điện trở tối Rco của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vàohình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chếtạo Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn ( từ 104  - 109  ở 25o

C ), trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe có điện trở tối tương đối nhỏ ( 10 

- 103  ở 25o C ) Điện trở Rc của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tănglên Trên hình 1.4 là một ví dụ về sự thay đổi của cảm biến theo độ rọisáng

Tế bào quang dẫn có thể coi như một mạch tương đương gồm haiđiện trở Rco, và Rcp mắc song song:

c co cp

R R R



 (1.7)Trong đó:

CdTePbS

PbSePbTeGe

Si

GeCuSnIn

AsIn

CdHg

Hình 1.3- Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn [Theo 1,3,5]

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

 - hệ số có giá trị từ 0,5 – 1

Thông thường Rcp << Rco nên có thể coi Rc = Rcp Công thức (1.7)cho thấy sự phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông lượngánh sáng là không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hoá bằng cách sửdụng một điện trở 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 độnhạy nhiệt càng nhỏ

Hình 1.4 Sự phụ thuộc của điện trở vào sự rọi sáng [6]

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biếnxung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên scủa đại lượng đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầuvào quanh giá trị đó:

i

m m

s S

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó

b 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 nàyđạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến.Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảmbiến ở chế độ tĩnh

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.9) chính là

độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét Như vậy, nếu đặctrưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộcvào điểm làm việc

Đại lượng ri xác định bởi tỉ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ởđầu vào được gọi là tỉ số chuyển đổi tĩnh:

Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng:

s t   s o  s cos 1  t   (1.12)Trong đó:

- so là giá trị không đổi tương ứng với mo xác định điểm làm việc Qo 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

-  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 tỉ sốgiữa biến thiên của biến thiên đầu ra s1 và biên độ biến thiên đầu vào m1ứng với điểm làm việc Qo theo công thức:

1

1 Q

s S m

sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể

d Độ nhạy của quang trở

Theo sơ đồ tương đương của tế bào quang dẫn là tổng độ dẫn trongtối và độ dẫn khi chiếu sáng:

Gc = Gco + Gcp (1.13)Trong đó:

Trong điều kiện sử dụng thông thường Io << Ip, do đó dòng quang điện của

tế bào quang dẫn xác định bởi biểu thức:

p

V I a



  (1.14)Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh:

I Va 1

 (1.16)

Từ hai biểu thức (1.15) và (1.16) có thể thấy:

- Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khibức xạ tăng ( trừ khi  = 1)

- Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bàoquang dẫn Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫnđến độ nhạy giảm (hình 1.5)

Trường hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, Ip phụ thuộc vào , độ nhạyphổ của tế bào quang dẫn xác định nhờ đường cong biểu diễn sự phụ thuộccủa hồi đáp vào bước sóng ( hình 1.6a )

Hình 1.5 Ảnh hưởng của độ nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang phổ

Khi bức xạ không phải là đơn sắc, dòng Ip do đó độ nhạy toàn phần phụthuộc phổ bức xạ hình (1.6a)

Hình 1.6 Độ nhạy của tế bào quang dẫn [Theo 2,6]

a) Đường cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của

độ nhạy của chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông sốquyết định sự hồi đáp( như tần số riêng fo của dao động không tắt, hệ số tắtdẫn  cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo)

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết

bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi củatín hiệu quang thu được ở đầu vào Sự hiệu chỉnh đó gọi là sự tuyến tínhhóa

* Đường thẳng tốt nhất:

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 không nằm trênmột đường thẳng

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thưc nghiệm saocho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi làđường thẳng tốt nhất Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lậpbằng phương pháp bình phương bé nhất Giả sử khi cần chuẩn cảm biến với

N điểm đo, phương trình có dạng:

S = am + bTrong đó

1.2.4 Sai số và độ chính xác:

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đạilượng cần đo còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai

số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi X là độlệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tươngđối của bộ cảm biến được tính bằng:

 

.100 %

X X

Sai số của 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 cảmbiến, người ta thường phân làm hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫunhiên

- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, giá trị khôngthay đổi hay thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệchkhông đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sựthiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra Các nguyênnhân gây ra sai 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 nhiênnhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó Những nguyên nhângây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu ngẫu nhiên

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

Chúng ta có thể giảm sai số ngẫu nhiên bằng một phương pháp thựcnghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tựđộng điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vậnhành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê

1.2.5 Đặc điểm và ứng dụng của tế bào quang dẫn.

Đặc điểm chung của các tế bào quang dẫn:

- Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao

- Độ nhạy cao

- Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng

- Thời gian hồi đáp lớn

- Các đặc trưng không ổn định do già hoá

- Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ

- Một số loại đòi hỏi làm nguội

Trong thực tế, tế bào quang dẫn được sử dụng trong hai trường hợp:

- Điều khiển rơle: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điệntrở của nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, được sử dụng trựctiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle (hình 1.7)

- Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quangthành xung điện Các xung ánh sáng ngắt quảng được thể hiện qua xungđiện, trên cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay củađĩa

Hình 1.7 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle

a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại

- Dùng làm các cảm biến đo ánh sáng

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong chương này chúng tôi đã trình bày tổng quan về các vấn đề:khái niệm hiệu ứng quang dẫn, tế bào quang dẫn Đối với tế bào quang dẫnchúng ta tìm hiểu về các vấn đề: vật liệu chế tạo, các đặc trưng của tế bàoquang dẫn (điện trở, độ nhạy), đặc điểm và ứng dụng Đây là lý thuyết quantrọng và cũng là cơ sở để chúng tôi tiến hành nghiên cứu cụ thể các đặctrưng như điện trở và độ nhạy của quang trở đối với các nguồn sáng khácnhau, thông qua đó ứng dụng để thiết kế mạch điện nhằm điều khiển độ rọi