Cảm biến quang_chương 2
Như chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng.
Ch−¬ng II
C¶m biÕn quang
2.1. TÝnh chÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸nh s¸ng
2.1.1. TÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng
Nh− chóng ta ®· biÕt, ¸nh s¸ng võa cã tÝnh chÊt sãng võa cã tÝnh chÊt h¹t.
¸nh s¸ng lµ mét d¹ng cña sãng ®iÖn tõ, vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy cã b−íc sãng
tõ 0,4 - 0,75 µm. Trªn h×nh 2.1 biÓu diÔn phæ ¸nh s¸ng vµ sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i
mµu cña phæ.
0,490
0,575
0,590
0,750
0,395
0,455
0,650
vµng
cùc tÝm tÝm lam lôc da cam ®á hång ngo¹i
λ(µm)
0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100
tr«ng thÊy
h.n.ng¾n
cùc tÝm hång ngo¹i h. ngo¹i xa
H×nh 2.1 Phæ ¸nh s¸ng
VËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng c = 299.792 km/s, trong m«i tr−êng
vËt chÊt vËn tèc truyÒn sãng gi¶m, ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
c
v=
n
n - chiÕt suÊt cña m«i tr−êng.
Mèi quan hÖ gi÷a tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña ¸nh s¸ng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
c
- Khi m«i tr−êng lµ ch©n kh«ng : λ=
ν
v
- Khi m«i tr−êng lµ vËt chÊt : λ = .
ν
Trong ®ã ν lµ tÇn sè ¸nh s¸ng.
TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng thÓ hiÖn qua sù t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi vËt chÊt.
¸nh s¸ng gåm c¸c h¹t nhá gäi lµ photon, mçi h¹t mang mét n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh,
n¨ng l−îng nµy chØ phô thuéc tÇn sè ν cña ¸nh s¸ng:
- 24 -
Wφ = hν (2.1)
Trong ®ã h lµ h»ng sè Planck (h = 6,6256.10-34J.s).
B−íc sãng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng cµng dµi th× tÝnh chÊt sãng thÓ hiÖn cµng râ,
ng−îc l¹i khi b−íc sãng cµng ng¾n th× tÝnh chÊt h¹t thÓ hiÖn cµng râ.
2.1.2. C¸c ®¬n vÞ ®o quang
a) §¬n vÞ ®o n¨ng l−îng
- N¨ng l−îng bøc x¹ (Q): lµ n¨ng l−îng lan truyÒn hoÆc hÊp thô d−íi d¹ng bøc x¹ ®o
b»ng Jun (J).
- Th«ng l−îng ¸nh s¸ng (Φ): lµ c«ng suÊt ph¸t x¹, lan truyÒn hoÆc hÊp thô ®o b»ng
oat (W):
dQ
Φ= (2.2)
dt
- C−êng ®é ¸nh s¸ng (I): lµ luång n¨ng l−îng ph¸t ra theo mét h−íng cho tr−íc øng
víi mét ®¬n vÞ gãc khèi, tÝnh b»ng oat/steriadian.
dΦ
I= (2.3)
dΩ
- §é chãi n¨ng l−îng (L): lµ tØ sè gi÷a c−êng ®é ¸nh s¸ng ph¸t ra bëi mét phÇn tö bÒ
mÆt cã diÖn tÝch dA theo mét h−íng x¸c ®Þnh vµ diÖn tÝch h×nh chiÕu dAn cña phÇn
tö nµy trªn mÆt ph¼ng P vu«ng gãc víi h−íng ®ã.
dI
L= (2.4)
dA n
Trong ®ã dAn = dA.cosθ, víi θ lµ gãc gi÷a P vµ mÆt ph¼ng chøa dA.
§é chãi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/Steriadian.m2.
- §é räi n¨ng l−îng (E): lµ tØ sè gi÷a luång n¨ng l−îng thu ®−îc bëi mét phÇn tö
bÒ mÆt vµ diÖn tÝch cña phÇn tö ®ã.
dΦ
E= (2.5)
dA
§é räi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/m2.
b) §¬n vÞ ®o thÞ gi¸c
§é nh¹y cña m¾t ng−êi ®èi víi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau lµ kh¸c nhau.
H×nh 2.2 biÓu diÔn ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t V(λ) vµo b−íc sãng. C¸c ®¹i l−îng
thÞ gi¸c nhËn ®−îc tõ ®¹i l−îng n¨ng l−îng t−¬ng øng th«ng qua hÖ sè tØ lÖ K.V(λ).
- 25 -
V(λ)
1
0,5
0 λ (µm)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
λmax
H×nh 2.2 §−êng cong ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t
Theo quy −íc, mét luång ¸nh s¸nh cã n¨ng l−îng 1W øng víi b−íc sãng λmax
t−¬ng øng víi luång ¸nh s¸ng b»ng 680 lumen, do ®ã K=680.
Do vËy luång ¸nh s¸ng ®¬n s¾c tÝnh theo ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c:
Φ V (λ ) = 680V(λ )Φ (λ ) lumen
§èi víi ¸nh s¸ng phæ liªn tôc:
λ2
dΦ ( λ )
Φ V = 680 ∫ V(λ ) dλ lumen
λ1 dλ
T−¬ng tù nh− vËy ta cã thÓ chuyÓn ®æi t−¬ng øng c¸c ®¬n vÞ ®o n¨ng l−îng
vµ ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c.
B¶ng 2.1 liÖt kª c¸c ®¬n vÞ ®o quang c¬ b¶n.
B¶ng 2.1
§¹i l−îng ®o §¬n vÞ thÞ gi¸c §¬n vÞ n¨ng l−îng
Luång (th«ng l−îng) lumen(lm) oat(W)
C−êng ®é cadela(cd) oat/sr(W/sr)
§é chãi cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2)
§é räi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2)
N¨ng l−îng lumen.s (lm.s) jun (j)
2.2. C¶m biÕn quang dÉn
2.2.1. HiÖu øng quang dÉn
HiÖu øng quang dÉn (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng
gi¶i phãng nh÷ng h¹t t¶i ®iÖn (h¹t dÉn) trong vËt liÖu d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng
lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu.
- 26 -
Trong chÊt b¸n dÉn, c¸c ®iÖn tö liªn kÕt víi h¹t nh©n, ®Ó gi¶i phãng ®iÖn tö
khái nguyªn tö cÇn cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng tèi thiÓu b»ng n¨ng l−îng liªn
kÕt Wlk. Khi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái nguyªn tö, sÏ t¹o thµnh h¹t dÉn míi trong
vËt liÖu.
- ®iÖn tö - ®iÖn tö
hν
+
hν -
hν
+ læ trèng + læ trèng
H×nh 2.3. ¶nh h−ëng cña b¶n chÊt vËt liÖu ®Õn h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng
H¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ
chiÕu s¸ng. §èi víi c¸c chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt c¸c h¹t dÉn lµ cÆp ®iÖn tö - lç trèng.
§èi víi tr−êng hîp b¸n dÉn pha t¹p, h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng lµ ®iÖn tö nÕu lµ pha
t¹p dono hoÆc lµ lç trèng nÕu lµ pha t¹p acxepto.
Gi¶ sö cã mét tÊm b¸n dÉn ph¼ng thÓ tÝch V pha t¹p lo¹i N cã nång ®é c¸c
donor Nd, cã møc n¨ng l−îng n»m d−íi vïng dÉn mét kho¶ng b»ng Wd ®ñ lín ®Ó ë
nhiÖt ®é phßng vµ khi ë trong tèi nång ®é n0 cña c¸c donor bÞ ion ho¸ do nhiÖt lµ
nhá.
chiÕu s¸ng
V
A
L
hν hν
Vïng dÉn
Wd
+ + + + + + +
Vïng ho¸ trÞ
H×nh 2.4. TÕ bµo quang dÉn vµ sù chuyÓn møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö
Khi ë trong tèi, nång ®é ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ
lÖ víi nång ®é c¸c t¹p chÊt ch−a bÞ ion ho¸ vµ b»ng a(Nd -no), víi hÖ sè a x¸c ®Þnh
theo c«ng thøc:
- 27 -
⎛ qWd ⎞
a = exp⎜ − ⎟ (2.6)
⎝ kT ⎠
Trong ®ã q lµ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn tö, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña
khèi vËt liÖu, k lµ h»ng sè.
Sè ®iÖn tö t¸i hîp víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ
lÖ víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ n0 vµ nång ®é ®iÖn tö còng chÝnh b»ng n0 vµ b»ng
2
r. n 0 , trong ®ã r lµ hÖ sè t¸i hîp.
Ph−¬ng tr×nh ®éng häc biÓu diÔn sù thay ®æi nång ®é ®iÖn tö tù do trong khèi
vËt liÖu cã d¹ng:
= a (N d − n 0 ) − r.n 0
dn 0 2
dt
dn 0
ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ta cã : =0
dt
1/ 2
a ⎛ a 2 a.N d ⎞
Suy ra: n0 = +⎜ + ⎟ (2.7)
2. r ⎜ 4 r 2
⎝ r ⎟
⎠
§é dÉn trong tèi ®−îc biÓu diÔn bëi hÖ thøc:
σ 0 = qµn 0 (2.8)
Trong ®ã µ lµ ®é linh ®éng cña ®iÖn tö.
Khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é linh ®éng cña ®iÖn tö gi¶m, nh−ng sù t¨ng mËt ®é ®iÖn tö
tù do do sù kÝch thÝch nhiÖt lín h¬n nhiÒu nªn ¶nh h−ëng cña nã lµ nh©n tè quyÕt
®Þnh ®èi víi ®é dÉn.
Khi chiÕu s¸ng, c¸c photon sÏ ion ho¸ c¸c nguyªn tö donor, gi¶i phãng ra c¸c
®iÖn tö. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c photon ®Ëp tíi bÒ mÆt vËt liÖu ®Òu gi¶i
phãng ®iÖn tö, mét sè bÞ ph¶n x¹ ngay ë bÒ mÆt, mét sè bÞ hÊp thô vµ chuyÓn n¨ng
l−îng cho ®iÖn tö d−íi d¹ng nhiÖt n¨ng, chØ phÇn cßn l¹i míi tham gia vµo gi¶i
phãng ®iÖn tö. Do vËy, sè ®iÖn tö (g) ®−îc gi¶i phãng do bÞ chiÕu s¸ng trong mét
gi©y øng víi mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vËt liÖu, x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
G 1 η(1 − R )
g= = . Φ (2.9)
V A.L hν
Trong ®ã:
G - sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong thÓ tÝch V trong thêi gian mét gi©y.
V=A.L, víi A, L lµ diÖn tÝch mÆt c¹nh vµ chiÒu réng tÊm b¸n dÉn (h×nh 2.4).
- 28 -
η - hiÖu suÊt l−îng tö (sè ®iÖn tö hoÆc lç trèng trung b×nh ®−îc gi¶i phãng khi
mét photon bÞ hÊp thô).
R - lµ hÖ sè ph¶n x¹ cña bÒ mÆt vËt liÖu.
λ - b−íc sãng ¸nh s¸ng.
Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng.
h - h»ng sè Planck.
Ph−¬ng tr×nh ®éng häc cña t¸i hîp trong tr−êng hîp nµy cã d¹ng:
= a (N d − n ) + g − r.n 2
dn
dt
Th«ng th−êng bøc x¹ chiÕu tíi ®ñ lín ®Ó sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng lín h¬n
rÊt nhiÒu so víi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng do nhiÖt:
g >> a (N d − n ) vµ n>>n0
Trong ®iÒu kiÖn trªn, rót ra ph−¬ng tr×nh ®éng häc cho mËt ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn
c©n b»ng d−íi t¸c dông chiÕu s¸ng:
1/ 2
⎛g⎞
n=⎜ ⎟ (2.10)
⎝r⎠
§é dÉn t−¬ng øng víi nång ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng:
σ = qµn . (2.11)
Tõ c«ng thøc (2.9), (2.10) vµ (2.11) ta nhËn thÊy ®é dÉn lµ hµm kh«ng tuyÕn
tÝnh cña th«ng l−îng ¸nh s¸ng, nã tØ lÖ víi Φ1/2. Thùc nghiÖm cho thÊy sè mò cña
hµm Φ n»m trong kho¶ng 0,5 - 1.
2.2.2. TÕ bµo quang dÉn
a) VËt liÖu chÕ t¹o
TÕ bµo quang dÉn ®−îc chÕ t¹o c¸c b¸n dÉn ®a tinh thÓ ®ång nhÊt hoÆc ®¬n tinh
thÓ, b¸n dÉn riªng hoÆc b¸n dÉn pha t¹p.
- §a tinh thÓ: CdS, CdSe, CdTe.
PbS, PbSe, PbTe.
- §¬n tinh thÓ: Ge, Si tinh khiÕt hoÆc pha t¹p Au, Cu, Sb, In.
SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe.
Vïng phæ lµm viÖc cña c¸c vËt liÖu nµy biÓu diÔn trªn h×nh 2.5
- 29 -
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeCu
SnIn
AsIn
CdHg
0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
λ, µm
H×nh 2.5. Vïng phæ lµm viÖc cña mét sè vËt liÖu quang dÉn
b) C¸c ®Æc tr−ng
- §iÖn trë : Gi¸ trÞ ®iÖn trë tèi RC0 cña c¸c quang ®iÖn trë phô thuéc rÊt lín vµo h×nh
d¹ng h×nh häc, kÝch th−íc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt ho¸ lý cña vËt liÖu chÕ t¹o. C¸c chÊt
PbS, CdS, CdSe cã ®iÖn trë tèi rÊt lín ( tõ 104 Ω - 109 Ω ë 25oC), trong khi ®ã SbIn,
SbAs, CdHgTe cã ®iÖn trë tèi t−¬ng ®èi nhá ( tõ 10 Ω - 103 Ω ë 25oC). §iÖn trë Rc
cña c¶m biÕn gi¶m rÊt nhanh khi ®é räi t¨ng lªn. Trªn h×nh 2.6 lµ mét vÝ dô vÒ sù
thay ®æi cña ®iÖn trë c¶m biÕn theo ®é räi s¸ng.
§iÖn trë (Ω)
106
106
104
102
0,1 1 10 100 1000
§é räi s¸ng (lx)
H×nh 2.6. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo ®é räi s¸ng
TÕ bµo quang dÉn cã thÓ coi nh− mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm hai ®iÖn trë Rc0
vµ Rcp m¾c song song:
- 30 -
R co R cp
Rc = (2.12)
R co + R cp
Trong ®ã:
Rco - ®iÖn trë trong tèi.
Rcp - ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: R cp = aΦ − γ .
a - hÖ sè phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu, nhiÖt ®é, phæ bøc x¹.
γ - hÖ sè cã gi¸ trÞ tõ 0,5 - 1.
Th«ng th−êng Rcp - TÕ bµo quang dÉn lµ mét c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ®é nh¹y gi¶m khi bøc
x¹ t¨ng (trõ khi γ =1).
- Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®ñ nhá, ®é nh¹y tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p ®Æt vµo tÕ bµo
quang dÉn. Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo lín, hiÖu øng Joule lµm t¨ng nhiÖt ®é, dÉn ®Õn ®é
nh¹y gi¶m (h×nh 2.7).
Tr−êng hîp bøc x¹ ¸nh s¸ng lµ ®¬n s¾c, Ip phô thuéc vµo λ, ®é nh¹y phæ cña tÕ
bµo quang dÉn x¸c ®Þnh nhê ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña håi ®¸p vµo
b−íc sãng (h×nh 2.8a)
10
§é nh¹y t−¬ng ®èi
5
1
0,5
0,1
-150 -100 -50 0 50
NhiÖt ®é (oC)
H×nh 2.7 ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn
®é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn
§é nh¹y t−¬ng ®èi (%)
100 10
5
§é nh¹y t−¬ng ®èi
50
30
1
10 10-1
5
3 10-2
1 10-3
1 2 3 300 400 500
B−íc sãng (µm) NhiÖt ®é vËt ®en tuyÖt ®èi (K)
a) b)
H×nh 2.8 §é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn
a) §−êng cong phæ håi ®¸p b) Sù thay ®æi cña ®é nh¹y theo nhiÖt ®é
∆I
S (λ ) = (2.28)
∆Φ(λ )
- 32 -
§é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang dÉn lµ hµm phô thuéc nhiÖt ®é nguån s¸ng,
khi nhiÖt ®é t¨ng ®é nh¹y phæ t¨ng.
Khi bøc x¹ kh«ng ph¶i lµ ®¬n s¾c, dßng Ip vµ do ®ã ®é nh¹y toµn phÇn phô
thuéc phæ bøc x¹ (h×nh 2.8b).
c) §Æc ®iÓm vµ øng dông
§Æc ®iÓn chung cña c¸c tÕ bµo quang dÉn:
- Tû lÖ chuyÓn ®æi tÜnh cao.
- §é nh¹y cao.
- Håi ®¸p phô thuéc kh«ng tuyÕn tÝnh vµo th«ng l−îng.
- Thêi gian håi ®¸p lín.
- C¸c ®Æc tr−ng kh«ng æn ®Þnh do giµ ho¸.
- §é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é.
- Mét sè lo¹i ®ßi hái lµm nguéi.
Trong thùc tÕ, tÕ bµo quang dÉn ®−îc dïng trong hai tr−êng hîp:
- §iÒu khiÓn r¬ le: khi cã bøc x¹ ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë
cña nã gi¶m ®¸ng kÓ, cho dßng ®iÖn ch¹y qua ®ñ lín, ®−îc sö dông trùc tiÕp hoÆc
qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le (h×nh 2.9).
- Thu tÝn hiÖu quang: dïng tÕ bµo quang dÉn ®Ó thu vµ biÕn tÝn hiÖu quang
thµnh xung ®iÖn. C¸c xung ¸nh s¸ng ng¾t qu¶ng ®−îc thÓ hiÖn qua xung ®iÖn, trªn
c¬ së ®ã cã thÓ lËp c¸c m¹ch ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa.
+ +
H×nh 2.9 Dïng tÕ bµo quang dÉn ®iÒu khiÓn r¬le
a) §iÒu khiÓn trùc tiÕp b) §iÒu khiÓn th«ng qua tranzito khuÕch ®¹i
2.2.3. Photo®iot
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
XÐt hai tÊm b¸n dÉn, mét thuéc lo¹i N vµ mét thuéc lo¹i P, ghÐp tiÕp xóc nhau.
T¹i mÆt tiÕp xóc h×nh thµnh mét vïng nghÌo h¹t dÉn v× t¹i vïng nµy tån t¹i mét ®iÖn
tr−êng vµ h×nh thµnh hµng rµo thÕ Vb.
- 33 -
Khi kh«ng cã ®iÖn thÕ ë ngoµi ®Æt lªn chuyÓn tiÕp (V=0), dßmg ®iÖn ch¹y qua
chuyÓn tiÕp i = 0, thùc tÕ dßng I chÝnh lµ dßng tæng céng cña hai dßng ®iÖn b»ng
nhau vµ ng−îc chiÒu:
- Dßng khuÕch t¸n c¸c h¹t c¬ b¶n sinh ra khi ion ho¸ c¸c t¹p chÊt (lç trong
trong b¸n dÉn lo¹i P, ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i N) do n¨ng l−îng nhiÖt cña c¸c h¹t
dÉn c¬ b¶n ®ñ lín ®Ó v−ît qua hµng rµo thÕ.
- Dßng h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n sinh ra do kÝch thÝch nhiÖt (®iÖn tö trong b¸n dÉn
P, lç trèng trong b¸n dÉn N) chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng E trong
vïng nghÌo.
Vïng nghÌo
Vïng chuyÓn tiÕp Ir
hν
P
P N −+ Vïng nghÌo −
E +
N
Vb
H×nh 2.10 S¬ ®å chuyÓn tiÕp P - N vµ hiÖu øng quang ®iÖn trong vïng nghÌo
Khi cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®i«t, hµng rµo thÕ thay ®æi kÐo theo sù thay ®æi dßng h¹t
c¬ b¶n vµ bÒ réng vïng nghÌo. Dßng ®iÖn qua chuyÓn tiÕp:
⎡ qV ⎤
I = I 0 exp ⎢ d ⎥ − I 0
⎣ kT ⎦
kT
Khi ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín (Vd Sè h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®¹t tíi vïng
nghÌo vµ kh¶ n¨ng hÊp thô cña vïng nµy. Th«ng l−îng ¸nh s¸ng chiÕu tíi vïng
nghÌo phô thuéc ®¸ng kÓ vµo chiÒu dµy líp vËt liÖu mµ nã ®i qua:
Φ = Φ 0 e − αx
Trong ®ã hÖ sè α ≈ 105 cm-1. §Ó t¨ng th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®Õn vïng nghÌo
ng−êi ta chÕ t¹o ®i«t víi phiÕn b¸n dÉn chiÒu dµy rÊt bÐ.
Kh¶ n¨ng hÊp thô bøc x¹ phô thuéc rÊt lín vµo bÒ réng vïng nghÌo. §Ó t¨ng kh¶
n¨ng më réng vïng nghÌo ng−êi ta dïng ®i«t PIN, líp b¸n dÉn riªng I kÑp gi÷a hai
líp b¸n dÉn P vµ N, víi lo¹i ®i«t nµy chØ cÇn ®iÖn ¸p ng−îc vµi v«n cã thÓ më réng
vïng nghÌo ra toµn bé líp b¸n dÉn I.
Φ
P
−
I
+
N
H×nh 2.11 CÊu t¹o ®i«t lo¹i PIN
b) ChÕ ®é ho¹t ®éng
- ChÕ ®é quang dÉn:
S¬ ®å nguyªn lý (h×nh 2.12a) gåm mét nguån Es ph©n cùc ng−îc ®i«t vµ mét
®iÖn trë Rm ®Ó ®o tÝn hiÖu.
Ir -40 -30 -20 -10 0
ES
Th«ng l−îng
Vd 50µW 20
+ ES Rm VR 100µW 40
− 150µW
60
200µW
Ir
a) b)
H×nh 2.12 S¬ ®å nguyªn lý vµ chÕ ®é lµm viÖc
Dßng ng−îc qua ®i«t:
⎡ qV ⎤
I r = −I 0 exp ⎢ d ⎥ + I 0 + I p (2.40)
⎣ kT ⎦
- 35 -
Trong ®ã Ip lµ dßng quang ®iÖn:
qη(1 − R )λ
Ip = Φ 0 exp(− αX ) (2.41)
hc
⎡ qV ⎤
Khi ®iÖn ¸p ng−îc Vd ®ñ lín, thµnh phÇn exp ⎢ d ⎥ → 0, ta cã:
⎣ kT ⎦
IR = I0 + IP
Th«ng th−êng I0 Khi chiÕu s¸ng yÕu IP I0 vµ ta cã:
kT I
VOC = log P
q I0
Trong tr−êng hîp nµy VOC cã gi¸ trÞ t−¬ng ®èi lín (cì 0,1 - 0,6 V) nh−ng phô thuéc
vµo th«ng l−îng theo hµm logarit.
VOC, V
0,4
0,2
0
0,1 1 10 100
Th«ng lu−îng, mW
H×nh 2.13 Sù phô thuéc cña thÕ hë m¹ch vµo th«ng l−îng
§o dßng ng¾n m¹ch: Khi nèi ng¾n m¹ch hai ®Çu ®i«t b»ng mét ®iÖn trë nhá h¬n
rd nµo ®ã, dßng ®o¶n m¹ch ISC chÝnh b»ng IP vµ tØ lÖ víi th«ng l−îng (h×nh 2.14):
I SC = I P
ISC,µV
20
10
0 0,1 0,2
Th«ng l−îng, mW
H×nh 2.14 Sù phô thuéc cña dßng ng¾n
m¹ch vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng
- 37 -
§Æc ®iÓm quan träng cña chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi, nhê vËy cã thÓ
gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o ®−îc th«ng l−îng nhá.
c) §é nh¹y
§èi víi bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, dßng quang ®iÖn IP tØ lÖ tuyÕn tÝnh víi th«ng
l−îng trong mét kho¶ng t−¬ng ®èi réng, cì 5 - 6 decad. §é nh¹y phæ x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc:
∆I P qη(1 − R )exp(− αX )
S (λ ) = = λ
∆Φ hc
Víi λ ≤ λs.
§é nh¹y phæ phô thuéc vµo λ, hiÖu suÊt l−îng tö η, hÖ sè ph¶n x¹ R vµ hÖ sè
hÊp thô α.
S(λ) 1,0
S(λP)
0,6
0,4
0,2
0,1
0,04
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
λP λ (µm)
H×nh 2.15 Phæ ®é nh¹y cña photodiot
Ng−êi sö dông cÇn ph¶i biÕt ®é nh¹y phæ dùa trªn ®−êng cong phæ håi ®¸p
S(λ)/S(λP) vµ gi¸ trÞ cña b−íc sãng λP øng víi ®é nh¹y cùc ®¹i. Th«ng th−êng S(λP)
n»m trong kho¶ng 0,1 - 1,0 A/W.
S (µA/µW)
0,4
T2
0,3
T1
0,2
0,1
T2>T1
0
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
λ (µm)
H×nh 2.16 Sù phô thuéc cña ®é nh¹y vµo nhiÖt ®é
- 38 -
Khi nhiÖt ®é t¨ng, cùc ®¹i λP cña ®−êng cong phæ dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc
1 dI P
sãng dµi. HÖ sè nhiÖt cña dßng quang dÉn . cã gi¸ trÞ kho¶ng0,1%/oC.
I P dT
d) S¬ ®å øng dông photodiot
- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang dÉn:
§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang dÉn:
+§é tuyÕn tÝnh cao.
+ Thêi gian håi ®¸p ng¾n.
+ D¶i th«ng lín.
H×nh 2.16 tr×nh bµy s¬ ®å ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn.
S¬ ®å c¬ së (h×nh 2.17a):
⎡ R ⎤
V0 = R m ⎢1 + 2 ⎥ I r
⎣ R1 ⎦
ES CP1
R2
R1 R2
+ −
− Rm
+
Rm
− R1+R2 C2 V0
V0
Ir + ES
R1
a) b)
H×nh 2.17 S¬ ®å m¹ch ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn
Khi t¨ng ®iÖn trë Rm sÏ lµm gi¶m nhiÔu. Tæng trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i
ph¶i lín ®Ó tr¸nh lµm gi¶m ®iÖn trë t¶i hiÖu dông cña ®i«t.
S¬ ®å t¸c ®éng nhanh (h×nh 2.17b):
V0 = (R 1 + R 2 )I r
R1 + R 2
®iÖn trë cña ®iot nhá vµ b»ng trong ®ã K lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm
K
viÖc. Tô C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh h−ëng cña tô kÝ sinh Cpl víi ®iÒu kiÖn
R 1C pl = R 2 C 2 . Bé khuÕch ®¹i ë ®©y ph¶i cã dßng vµo rÊt nhá vµ sù suy gi¶m do nhiÖt
còng ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ.
- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang thÕ:
§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang thÕ:
+ Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh hoÆc logarit tuú thuéc vµo t¶i.
- 39 -
+ Ýt nhiÔu.
+ Thêi gian håi ®¸p lín.
+ D¶i th«ng nhá.
+ Nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é ë chÕ ®é logarit.
S¬ ®å tuyÕn tÝnh (h×nh 2.18a): ®o dßng ng¾n m¹ch Isc.
Trong chÕ ®é nµy:
V0 = R m .I sc
S¬ ®å logarit (h×nh 2.18b): ®o ®iÖn ¸p hë m¹ch Voc.
⎡ R ⎤
V0 = ⎢1 + 2 ⎥ Voc
⎣ R1 ⎦
R2
Rm
_ +
IOC _
+ Vco
R1 V0
V0
R1=Rm
a) b)
H×nh 2.18 S¬ ®å m¹ch ®o ë chÕ ®é quang ¸p
2.2.4. Phototranzito
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
Phototranzito lµ c¸c tranzito mµ vïng baz¬ cã thÓ ®−îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã
®iÖn ¸p ®Æt lªn baz¬, chØ cã ®iÖn ¸p trªn C, ®ång thêi chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc
ng−îc.
§iÖn thÕ
C
| B
+
E
a) b) c)
H×nh 2.19 Phototranzito
a) S¬ ®å m¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng
c) T¸ch cÆp ®iÖn tö lç trèng khi chiÕu s¸ng baz¬
- 40 -
§iÖn ¸p ®Æt vµo tËp trung hÇu nh− toµn bé trªn chuyÓn tiÕp B-C (ph©n cùc
ng−îc) trong khi ®ã chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a E vµ B thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ (VBE ≈
0,6-0,7 V). Khi chuyÓn tiÕp B-C ®−îc chiÕu s¸ng, nã ho¹t ®éng gièng nh− photo®iot
ë chÕ ®é quang thÕ víi dßng ng−îc:
I r = I0 + I P
Trong ®ã I0 lµ dßng ng−îc trong tèi, IP lµ dßng quang ®iÖn d−íi t¸c dông cña th«ng
l−îng Φ0 chiÕu qua bÒ dµy X cña baz¬ (b−íc sãng λ < λS):
qη(1 − R )exp(−αX )
IP = λΦ 0
hc
Dßng Ir ®ãng vai trß dßng baz¬, nã g©y nªn dßng colect¬ Ic:
I c = (β + 1)I r = (β + 1)I 0 + (β + 1)I p
β - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña tranzito khi ®Êu chung emit¬.
Cã thÓ coi phototranzito nh− tæ hîp cña mét photodiot vµ mét tranzito (h×nh 2.19b).
Phodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i baz¬, cßn tranzito cho hiÖu øng khÕch ®¹i β.
C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng baz¬ (d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ
ph©n chia d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng trªn chuyÓn tiÕp B - C.
Trong tr−êng hîp tranzito NPN, c¸c ®iÖn tö bÞ kÐo vÒ phÝa colect¬ trong khi lç
trèng bÞ gi÷ l¹i trong vïng baz¬ (h×nh 2.19c) t¹o thµnh dßng ®iÖn tö tõ E qua B ®Õn
C. HiÖn t−îng xÈy ra t−¬ng tù nh− vËy nÕu nh− lç trèng phun vµo baz¬ tõ mét nguån
bªn ngoµi: ®iÖn thÕ baz¬ t¨ng lªn lµm gi¶m hµng rµo thÕ gi÷a E vµ B, ®iÒu nµy g©y
nªn dßng ®iÖn tö IE ch¹y tõ E ®Õn B vµ khuÕch t¸n tiÕp tõ B vÒ phÝa C.
b) §é nh¹y
Khi nhËn ®−îc th«ng l−îng Φ0, ®iot baz¬-colect¬ sinh ra dßng quang ®iÖn Ip,
dßng nµy g©y nªn trong phototranzito mét dßng I cp = (β + 1)I p , trong ®ã gi¸ trÞ cña
Icp ®−îc rót ra tõ c«ng thøc cña Ip:
I cp =
(β + 1)qη(1 − R )exp(− αX ) λΦ
0
hc
§èi víi mét th«ng l−îng Φ0 cho tr−íc, ®−êng cong phæ håi ®¸p x¸c ®Þnh bëi
b¶n chÊt cña ®iot B-C: vËt liÖu chÕ t¹o (th−êng lµ Si) vµ lo¹i pha t¹p (h×nh 2.20). §èi
víi mét b−íc sãng cho tr−íc, dßng colect¬ Ic kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña
- 41 -
th«ng l−îng hoÆc ®é chiÕu s¸ng bëi v× hÖ sè khuÕch ®¹i β phô thuéc vµo dßng Ic (tøc
∆I c
lµ còng phô thuéc th«ng l−îng), nghÜa lµ phô thuéc vµo Φ0.
∆Φ 0
S(λ) 100
S(λp)
(%) 80
60
40
20
0,4 0,6 0,8 1,0
λ (µm)
H×nh 2.20 §−êng cong phæ håi ®¸p cña photodiot
§é nh¹y phæ S(λp) ë b−íc sãng t−¬ng øng víi ®iÓm cùc ®¹i cã gi¸ trÞ n»m
trong kho¶ng 1 - 100A/W.
c) S¬ ®å dïng phototranzito
Phototranzito cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch, hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ë
chÕ ®é chuyÓn m¹ch nã cã −u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp sö dông mét c¸ch
trùc tiÕp dßng ch¹y qua t−¬ng ®èi lín. Ng−îc l¹i, ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, mÆc dï cho
®é khuÕch ®¹i nh−ng ng−êi ta thÝch dïng photo®iot v× nã cã ®é tuyÕn tÝnh tèt h¬n.
- Phototranzito chuyÓn m¹ch:
Trong tr−êng hîp nµy sö dông th«ng tin d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc
x¹, hoÆc ¸nh s¸ng nhá h¬n hay lín h¬n ng−ìng. Tranzito chÆn hoÆc b¶o hoµ cho
phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp (hoÆc sau khi khuÕch ®¹i) nh− mét r¬le, ®iÒu khiÓn mét
cæng logic hoÆc mét thyristo (h×nh 2.21).
+
+
+ + +
H×nh 2.21 Photodiotzito trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch
a) R¬le b) R¬le sau khÕch ®¹i c) Cæng logic d) Thyristo
- 42 -
- Phototranzito trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh:
Cã hai c¸ch sö dông trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh.
- Tr−êng hîp thø nhÊt: ®o ¸nh s¸ng kh«ng ®æi (gièng nh− mét luxmet).
- Tr−êng hîp thø hai: thu nhËn tÝn hiÖu thay ®æi d¹ng:
Φ (t ) = Φ 0 + Φ 1 (t )
+
Trong ®ã Φ1(t) lµ thµnh phÇn
thay ®æi víi biªn ®é nhá ®Ó sao cho
kh«ng dÉn tíi phototranzito bÞ chÆn
hoÆc b¶o hoµ vµ cã thÓ coi ®é hh¹y
kh«ng ®æi. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, dßng
colect¬ cã d¹ng: H×nh 2.22 S¬ ®å nguyªn lý luxmet
I c (t ) = I c Φ 0 + S.Φ1 (t )
2.2.5. Phototranzito hiÖu øng tr−êng
Phototranzito hiÖu øng tr−êng (photoFET) cã s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng nh− h×nh
2.23.
+
G
D
S D
G S
-
a) b)
H×nh 2.23 Phototranzito hiÖu øng tr−êng
a) S¬ ®å cÊu t¹o b) S¬ ®å m¹ch
Trong phototranzito hiÖu øng tr−êng, ¸nh s¸ng ®−îc sö dông ®Ó lµm thay ®æi
®iÖn trë kªnh. ViÖc ®iÒu khiÓn dßng m¸ng ID ®−îc thùc hiÖn th«ng qua sù thay ®æi
®iÖn ¸p VGS gi÷a cæng vµ nguån. Trong chÕ ®é ph©n cùc ng−îc chuyÓn tiÕp P-N gi÷a
cæng vµ kªnh, ®iÖn ¸p nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é réng cña kªnh vµ do ®ã dßng m¸ng cã
d¹ng:
2
⎛ V ⎞
I D = I DSS ⎜1 + GS
⎜ ⎟
⎟
⎝ VP ⎠
Víi IDS - dßng m¸ng khi VGS = 0.
- 43 -
