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 -
Copyright by webtailieu.net