Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương II: Cảm biến quang

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương II: Cảm biến quang

1. Ch−ơng II Cảm biến quang 2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 2.1.1. Tính chất của ánh sáng Nh− 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 b−ớc sóng từ 0,4 - 0,75 àm. Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ. 0,490 0,490 0,575 0,590 0,750 0,395 0,395 0,455 0,650 cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại vàng λ(àm) 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 cực tím hồng ngoại h. ngoại xa h.n.ngắn h.n.ngắn thấy trông Hình 2.1 Phổ ánh sáng Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi tr−ờng vật chất vận tốc truyền sóng giảm, đ−ợc xác định theo công thức: c v = n n - chiết suất của môi tr−ờng. Mối quan hệ giữa tần số ν và b−ớc sóng λ của ánh sáng xác định bởi biểu thức: c - Khi môi tr−ờng là chân không : λ = ν v - Khi môi tr−ờng là vật chất : λ = . ν Trong đó ν là tần số ánh sáng. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự t−ơng tác của ánh sáng với vật chất. ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng l−ợng nhất định, năng l−ợng này chỉ phụ thuộc tần số ν của ánh sáng: -24-
2. Wφ = hν (2.1) Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s). B−ớc sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, ng−ợc lại khi b−ớc sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. 2.1.2. Các đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng l−ợng - Năng l−ợng bức xạ (Q): là năng l−ợng lan truyền hoặc hấp thụ d−ới dạng bức xạ đo bằng Jun (J). - Thông l−ợng ánh sáng (Φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng oat (W): dQ Φ = (2.2) dt - C−ờng độ ánh sáng (I): là luồng năng l−ợng phát ra theo một h−ớng cho tr−ớc ứng với một đơn vị góc khối, tính bằng oat/steriadian. dΦ I= (2.3) dΩ - Độ chói năng l−ợng (L): là tỉ số giữa c−ờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một h−ớng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với h−ớng đó. dI L = (2.4) dA n Trong đó dAn = dA.cosθ, với θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA. Độ chói năng l−ợng đo bằng oat/Steriadian.m2. - Độ rọi năng l−ợng (E): là tỉ số giữa luồng năng l−ợng thu đ−ợc bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. dΦ E = (2.5) dA Độ rọi năng l−ợng đo bằng oat/m2. b) Đơn vị đo thị giác Độ nhạy của mắt ng−ời đối với ánh sáng có b−ớc sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy t−ơng đối của mắt V(λ) vào b−ớc sóng. Các đại l−ợng thị giác nhận đ−ợc từ đại l−ợng năng l−ợng t−ơng ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ). -25-
3. V(λ) 1 0,5 0 λ (àm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 λmax Hình 2.2 Đ−ờng cong độ nhạy t−ơng đối của mắt Theo quy −ớc, một luồng ánh sánh có năng l−ợng 1W ứng với b−ớc sóng λmax t−ơng ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680. Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: Φ V ()λ = 680V(λ)Φ(λ) lumen Đối với ánh sáng phổ liên tục: λ2 dΦ(λ) Φ V = 680 ∫ V(λ) dλ lumen λ1 dλ T−ơng tự nh− vậy ta có thể chuyển đổi t−ơng ứng các đơn vị đo năng l−ợng và đơn vị đo thị giác. Bảng 2.1 liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản. Bảng 2.1 Đại l−ợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng l−ợng Luồng (thông l−ợng) lumen(lm) oat(W) C−ờng độ cadela(cd) oat/sr(W/sr) Độ chói cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2) Độ rọi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2) Năng l−ợng lumen.s (lm.s) jun (j) 2.2. Cảm biến quang dẫn 2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện t−ợng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu d−ới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. -26-
4. Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng l−ợng tối thiểu bằng năng l−ợng liên kết Wlk. Khi điện tử đ−ợc giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu. - điện tử - điện tử hν + hν - hν + lổ trống + lổ trống Hình 2.3. ảnh h−ởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn đ−ợc giải phóng Hạt dẫn đ−ợc giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống. Đối với tr−ờng hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn đ−ợc giải phóng là điện tử nếu là pha tạp dono hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acxepto. Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ các donor Nd, có mức năng l−ợng nằm d−ới vùng dẫn một khoảng bằng Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n0 của các donor bị ion hoá do nhiệt là nhỏ. chiếu sáng V A L hν hν Vùng dẫn Wd + + + + + + + Vùng hoá trị Hình 2.4. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng l−ợng của điện tử Khi ở trong tối, nồng độ điện tử đ−ợc giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ các tạp chất ch−a bị ion hoá và bằng a(Nd -no), với hệ số a xác định theo công thức: -27-
5. ⎛ qW ⎞ a = exp⎜− d ⎟ (2.6) ⎝ kT ⎠ Trong đó q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của khối vật liệu, k là hằng số. Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng 2 r. n0 , trong đó r là hệ số tái hợp. Ph−ơng trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu có dạng: dn 0 = a()N − n − r.n2 dt d 0 0 dn ở trạng thái cân bằng ta có : 0 = 0 dt 1/ 2 a ⎛ a 2 a.N ⎞ Suy ra: n = + ⎜ + d ⎟ (2.7) 0 ⎜ 2 ⎟ 2.r ⎝ 4r r ⎠ Độ dẫn trong tối đ−ợc biểu diễn bởi hệ thức: σ0 = qàn0 (2.8) Trong đó à là độ linh động của điện tử. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nh−ng sự tăng mật độ điện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh h−ởng của nó là nhân tố quyết định đối với độ dẫn. Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor, giải phóng ra các điện tử. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đập tới bề mặt vật liệu đều giải phóng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bị hấp thụ và chuyển năng l−ợng cho điện tử d−ới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải phóng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) đ−ợc giải phóng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức: G 1 η(1− R) g= = . Φ (2.9) V A.L hν Trong đó: G - số điện tử đ−ợc 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 (hình 2.4). -28-
6. η - hiệu suất l−ợng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình đ−ợc giải phóng khi một photon bị hấp thụ). R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu. λ - b−ớc sóng ánh sáng. Φ - thông l−ợng ánh sáng. h - hằng số Planck. Ph−ơng trình động học của tái hợp trong tr−ờng hợp này có dạng: dn = a()N − n + g − r.n2 dt d Thông th−ờng bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử đ−ợc giải phóng lớn hơn rất nhiều so với điện tử đ−ợc giải phóng do nhiệt: g >> a()N d − n và n>>n0 Trong điều kiện trên, rút ra ph−ơng trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện cân bằng d−ới tác dụng chiếu sáng: 1/ 2 ⎛ g ⎞ n = ⎜ ⎟ (2.10) ⎝ r ⎠ Độ dẫn t−ơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng: σ = qàn . (2.11) Từ công thức (2.9), (2.10) và (2.11) ta nhận thấy độ dẫn là hàm không tuyến tính của thông l−ợng ánh sáng, nó tỉ lệ với Φ1/2. Thực nghiệm cho thấy số mũ của hàm Φ nằm trong khoảng 0,5 - 1. 2.2.2. Tế bào quang dẫn a) Vật liệu chế tạo Tế bào quang dẫn đ−ợc chế tạo các bán dẫn đa tinh thể đồng 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. Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình 2.5 -29-
7. 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, àm Hình 2.5. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn b) Các đặc tr−ng - Điện trở : Giá trị điện trở tối RC0 của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình dạng hình học, kích th−ớc, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn ( từ 104 Ω - 109 Ω ở 25oC), trong khi đó SbIn, 3 o SbAs, CdHgTe có điện trở tối t−ơng đối nhỏ ( từ 10 Ω - 10 Ω ở 25 C). Điện trở Rc của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.6 là một ví dụ về sự thay đổi của điện trở cảm biến theo độ rọi sáng. Điện trở (Ω) 106 106 104 102 0,1 1 10 100 1000 Độ rọi sáng (lx) Hình 2.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng Tế bào quang dẫn có thể coi nh− một mạch t−ơng đ−ơng gồm hai điện trở Rc0 và Rcp mắc song song: -30-
8. Rco Rcp Rc = (2.12) Rco + Rcp Trong đó: Rco - điện trở trong tối. −γ Rcp - điện trở khi chiếu sáng: Rcp = aΦ . a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ. γ - hệ số có giá trị từ 0,5 - 1. Thông th−ờng Rcp <<Rc0, nên có thể coi Rc=Rcp. Công thức (2.12) cho thấy sự phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông l−ợng ánh sáng là không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn. Mặt khác, độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi độ rọi càng lớn độ nhạy nhiệt càng nhỏ. - Độ nhạy: Theo sơ đồ t−ơng đ−ơng của tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bào quang dẫn là tổng độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng: Gc = Gco + Gcp (2.1) Trong đó: - Gco là độ dẫn trong tối: Gco = 1/Rco. γ - Gcp là điện trở khi chiếu sáng: Gco = 1/Rcp = Φ /a. Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch: I = VGco + VGcp = I0 + IP Trong điều kiện sử dụng thông th−ờng I0<<IP, do đó dòng quang điện của tế bào quang dẫn xác định bởi biểu thức: V I = Φ γ (2.15) P a Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh: I V = Φ γ−1 (2.16) Φ a Và độ nhạy: ∆I V = γ Φ γ−1 (2.17) ∆Φ a Từ hai biểu thức (2.16) và (2.17) có thể thấy: -31-
9. - Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức xạ tăng (trừ khi γ =1). - Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn. Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ nhạy giảm (hình 2.7). Tr−ờng hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, Ip phụ thuộc vào λ, độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn xác định nhờ đ−ờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hồi đáp vào b−ớc sóng (hình 2.8a) 10 5 ơng đối ơng đối − Độ nhạyĐộ t 1 0,5 0,1 -150 -100 -50 0 50 Nhiệt độ (oC) Hình 2.7 ảnh h−ởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn ) 100 % 10 ( 5 50 đối đối g g ơn 30 ơn − − 1 t t ạy ạy nh nh ộ ộ 10 -1 Đ 10Đ 5 3 10-2 1 10-3 3 1 2 300 400 500 B−ớc sóng (àm) Nhiệt độ vật đen tuyệt đối (K) a) b) Hình 2.8 Độ nhạy của tế bào quang dẫn a) Đ−ờng cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ ∆I S(λ) = (2.28) ∆Φ(λ) -32-
10. Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn là hàm phụ thuộc nhiệt độ nguồn sáng, khi nhiệt độ tăng độ nhạy phổ tăng. Khi bức xạ không phải là đơn sắc, dòng Ip và do đó độ nhạy toàn phần phụ thuộc phổ bức xạ (hình 2.8b). c) Đặc điểm và ứng dụng Đặc điển 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 l−ợng. - Thời gian hồi đáp lớn. - Các đặc tr−ng 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 đ−ợc dùng trong hai tr−ờng hợp: - Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, đ−ợc sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle (hình 2.9). - Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện. Các xung ánh sáng ngắt quảng đ−ợc thể hiện qua xung điện, trên cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa. + + Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại 2.2.3. Photođiot a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Xét hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xúc nhau. Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện tr−ờng và hình thành hàng rào thế Vb. -33-
11. Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòmg điện chạy qua chuyển tiếp i = 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ng−ợc chiều: - Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng l−ợng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để v−ợt qua hàng rào thế. - Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động d−ới tác dụng của điện tr−ờng E trong vùng nghèo. Vùng nghèo Vùng chuyển tiếp Ir hν P P N − + − Vùng nghèo E + N Vb Hình 2.10 Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thế thay đổi kéo theo sự thay đổi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo. Dòng điện qua chuyển tiếp: ⎡qVd ⎤ I = I0 exp⎢ ⎥ − I0 ⎣ kT ⎦ kT Khi điện áp ng−ợc đủ lớn (V << - = −26mV ở 300K), chiều cao hàng rào thế d q lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt cơ bản trở nên rất nhỏ và có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng ng−ợc của điôt, khi đó i = I0. Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có b−ớc sóng nhỏ hơn b−ớc sóng ng−ỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống. Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện tr−ờng. -34-
12. Số hạt dẫn đ−ợc giải phóng phụ thuộc vào thông l−ợng ánh sáng đạt tới vùng nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này. Thông l−ợng ánh sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua: −αx Φ = Φ0e Trong đó hệ số α ≈ 105 cm-1. Để tăng thông l−ợng ánh sáng đến vùng nghèo ng−ời ta chế tạo điôt với phiến bán dẫn chiều dày rất bé. Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo. Để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo ng−ời ta dùng điôt PIN, lớp bán dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại điôt này chỉ cần điện áp ng−ợc vài vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I. Φ P − I + N Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN b) Chế độ hoạt động - Chế độ quang dẫn: Sơ đồ nguyên lý (hình 2.12a) gồm một nguồn Es phân cực ng−ợc điôt và một điện trở Rm để đo tín hiệu. Ir -40 -30 -20 -10 0 ES Thông l−ợng 50àW 20 Vd VR 100àW + ES Rm 40 − 150àW 60 200àW Ir a) b) Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc Dòng ng−ợc qua điôt: ⎡qVd ⎤ I r = −I0 exp⎢ ⎥ + I0 + I p (2.40) ⎣ kT ⎦ -35-
13. Trong đó Ip là dòng quang điện: qη()1− R λ I = Φ exp()− αX (2.41) p hc 0 ⎡qVd ⎤ Khi điện áp ng−ợc Vd đủ lớn, thành phầnexp⎢ ⎥ → 0, ta có: ⎣ kT ⎦ I R = I0 + I P Thông th−ờng I0 <<IP do đó IR ≈ IP. Ph−ơng trình mạch điện: E = VR − VD Trong đó VR = RmI r cho phép vẽ đ−ờng thẳng tải ∆ (hình 2.11b). Dòng điện chạy trong mạch: E V I r = + Rm Rm Điểm làm việc của điôt là điểm giao nhau giữa đ−ợng thẳng tải ∆ và đ−ờng đặc tuyến i-V với thông l−ợng t−ơng ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, VR tỉ lệ với thông l−ợng. - Chế độ quang thế: Trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào điôt. Điôt làm việc nh− một bộ chuyển đổi năng l−ợng t−ơng đ−ơng với một máy phát và ng−ời ta đo thế hở mạch V0C hoặc đo dòng ngắn mạch ISC. Đo thế hở mạch: Khi chiếu sáng, dòng IP tăng làm cho hàng rào thế giảm một l−ợng ∆Vb. Sự giảm chiều cao hàng rào thế làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên, khi đạt cân bằng Ir = 0. ⎡qVd ⎤ Ta có: − I0 exp⎢ ⎥ + I0 + I p = 0 ⎣ kT ⎦ kT ⎡ I P ⎤ Rút ra: ∆Vb = log⎢1+ ⎥ q ⎣ I0 ⎦ Độ giảm chiều cao ∆Vb của hàng rào thế có thể xác định đ−ợc thông qua đo điện áp giữa hai đầu điôt khi hở mạch. kT ⎡ I P ⎤ VOC = log⎢1+ ⎥ q ⎣ I0 ⎦ -36-
14. Khi chiếu sáng yếu IP >I0 và ta có: kT I P VOC = log q I0 Trong tr−ờng hợp này VOC có giá trị t−ơng đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nh−ng phụ thuộc vào thông l−ợng theo hàm logarit. VOC, V 0,4 0,2 0 0,1 1 10 100 Thông lu−ợng, mW Hình 2.13 Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông l−ợng Đo dòng ngắn mạch: Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn rd nào đó, dòng đoản mạch ISC chính bằng IP và tỉ lệ với thông l−ợng (hình 2.14): ISC = I P ISC,àV 20 10 0 0,1 0,2 Thông l−ợng, mW Hình 2.14 Sự phụ thuộc của dòng ngắn mạch vào thông l−ợng ánh sáng -37-
15. Đặc điểm quan trọng của chế độ này là không có dòng tối, nhờ vậy có thể giảm nhiễu và cho phép đo đ−ợc thông l−ợng nhỏ. c) Độ nhạy Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện IP tỉ lệ tuyến tính với thông l−ợng trong một khoảng t−ơng đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo công thức: ∆I qη(1− R)exp(− αX) S(λ) = P = λ ∆Φ hc Với λ ≤ λs. Độ nhạy phổ phụ thuộc vào λ, hiệu suất l−ợng tử η, hệ số phản xạ R và hệ số hấp thụ 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 λ (àm) λP Hình 2.15 Phổ độ nhạy của photodiot Ng−ời sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đ−ờng cong phổ hồi đáp S(λ)/S(λP) và giá trị của b−ớc sóng λP ứng với độ nhạy cực đại. Thông th−ờng S(λP) nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W. S (àA/àW) 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 (àm) Hình 2.16 Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ -38-
16. Khi nhiệt độ tăng, cực đại λP của đ−ờng cong phổ dịch chuyển về phía b−ớc 1 dI sóng dài. Hệ số nhiệt của dòng quang dẫn . P có giá trị khoảng0,1%/oC. I P dT d) Sơ đồ ứng dụng photodiot - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn: Đặc tr−ng của chế độ quang dẫn: +Độ tuyến tính cao. + Thời gian hồi đáp ngắn. + Dải thông lớn. Hình 2.16 trình bày sơ đồ đo dòng ng−ợc trong chế độ quang dẫn. Sơ đồ cơ sở (hình 2.17a): ⎡ R2 ⎤ V0 = R m ⎢1 + ⎥I r ⎣ R1 ⎦ CP1 ES R 2 R1 R2 + − − + Rm Rm − R +R C V0 V0 1 2 2 Ir + ES R1 a) b) Hình 2.17 Sơ đồ mạch đo dòng ng−ợc trong chế độ quang dẫn Khi tăng điện trở Rm sẽ làm giảm nhiễu. Tổng trở vào của mạch khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng của điôt. Sơ đồ tác động nhanh (hình 2.17b): V0 = ()R1 + R2 I r điện trở của điot nhỏ và bằng R1 + R2 trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm K việc. Tụ C2 có tác dụng bù trừ ảnh h−ởng của tụ kí sinh Cpl với điều kiện R1C pl = R2C 2 . Bộ khuếch đại ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm do nhiệt cũng phải không đáng kể. - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: Đặc tr−ng của chế độ quang thế: + Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải. -39-
17. + ít nhiễu. + Thời gian hồi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. Sơ đồ tuyến tính (hình 2.18a): đo dòng ngắn mạch Isc. Trong chế độ này: V0 = R m .Isc Sơ đồ logarit (hình 2.18b): đo điện áp hở mạch Voc. ⎡ R2 ⎤ V0 = ⎢1+ ⎥Voc ⎣ R1 ⎦ R2 Rm _ + IOC _ + V co R1 V V 0 0 R1=Rm a) b) Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp 2.2.4. Phototranzito a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể đ−ợc chiếu sáng, không có điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ng−ợc. Điện thế C | B + E a) b) c) Hình 2.19 Phototranzito a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ t−ơng đ−ơng c) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng bazơ -40-
18. Điện áp đặt vào tập trung hầu nh− toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực ng−ợc) trong khi đó chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (VBE ≈ 0,6-0,7 V). Khi chuyển tiếp B-C đ−ợc chiếu sáng, nó hoạt động giống nh− photođiot ở chế độ quang thế với dòng ng−ợc: I r = I0 + IP Trong đó I0 là dòng ng−ợc trong tối, IP là dòng quang điện d−ới tác dụng của thông l−ợng Φ0 chiếu qua bề dày X của bazơ (b−ớc sóng λ < λS): qη()1− R exp(−αX) I = λΦ P hc 0 Dòng Ir đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ Ic: Ic = ()β +1 I r = (β +1)I0 + (β +1)I p β - hệ số khuếch đại dòng của tranzito khi đấu chung emitơ. Có thể coi phototranzito nh− tổ hợp của một photodiot và một tranzito (hình 2.19b). Phodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khếch đại β. Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ (d−ới tác dụng của ánh sáng) sẽ bị phân chia d−ới tác dụng của điện tr−ờng trên chuyển tiếp B - C. Trong tr−ờng hợp tranzito NPN, các điện tử bị kéo về phía colectơ trong khi lỗ trống bị giữ lại trong vùng bazơ (hình 2.19c) tạo thành dòng điện tử từ E qua B đến C. Hiện t−ợng xẩy ra t−ơng tự nh− vậy nếu nh− lỗ trống phun vào bazơ từ một nguồn bên ngoài: điện thế bazơ tăng lên làm giảm hàng rào thế giữa E và B, điều này gây nên dòng điện tử IE chạy từ E đến B và khuếch tán tiếp từ B về phía C. b) Độ nhạy Khi nhận đ−ợc thông l−ợng Φ0, điot bazơ-colectơ sinh ra dòng quang điện Ip, dòng này gây nên trong phototranzito một dòng Icp = (β +1)I p , trong đó giá trị của Icp đ−ợc rút ra từ công thức của Ip: ()β +1 qη(1− R)exp(− αX) I = λΦ cp hc 0 Đối với một thông l−ợng Φ0 cho tr−ớc, đ−ờng cong phổ hồi đáp xác định bởi bản chất của điot B-C: vật liệu chế tạo (th−ờng là Si) và loại pha tạp (hình 2.20). Đối với một b−ớc sóng cho tr−ớc, dòng colectơ Ic không phải là hàm tuyến tính của -41-
19. thông l−ợng hoặc độ chiếu sáng bởi vì hệ số khuếch đại β phụ thuộc vào dòng Ic (tức ∆Ic là cũng phụ thuộc thông l−ợng), nghĩa là phụ thuộc vào Φ0. ∆Φ0 S(λ) 100 S(λp) (%) 80 60 40 20 0,4 0,6 0,8 1,0 λ (àm) Hình 2.20 Đ−ờng cong phổ hồi đáp của photodiot Độ nhạy phổ S(λp) ở b−ớc sóng t−ơng ứng với điểm cực đại có giá trị nằm trong khoảng 1 - 100A/W. c) Sơ đồ dùng phototranzito Phototranzito có thể dùng làm bộ chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính. ở chế độ chuyển mạch nó có −u điểm so với photodiot là cho phép sử dụng một cách trực tiếp dòng chạy qua t−ơng đối lớn. Ng−ợc lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dù cho độ khuếch đại nh−ng ng−ời ta thích dùng photođiot vì nó có độ tuyến tính tốt hơn. - Phototranzito chuyển mạch: Trong tr−ờng hợp này sử dụng thông tin dạng nhị phân: có hay không có bức xạ, hoặc ánh sáng nhỏ hơn hay lớn hơn ng−ỡng. Tranzito chặn hoặc bảo hoà cho phép điều khiển trực tiếp (hoặc sau khi khuếch đại) nh− một rơle, điều khiển một cổng logic hoặc một thyristo (hình 2.21). + + + + + Hình 2.21 Photodiotzito trong chế độ chuyển mạch a) Rơle b) Rơle sau khếch đại c) Cổng logic d) Thyristo -42-
20. - Phototranzito trong chế độ tuyến tính: Có hai cách sử dụng trong chế độ tuyến tính. - Tr−ờng hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống nh− một luxmet). - Tr−ờng hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi dạng: Φ ()t = Φ + Φ ()t 0 1 + Trong đó Φ1(t) là thành phần thay đổi với biên độ nhỏ để sao cho không dẫn tới phototranzito bị chặn hoặc bảo hoà và có thể coi độ hhạy không đổi. Trong điều kiện đó, dòng colectơ có dạng: Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý luxmet Ic ()t = IcΦ0 + S.Φ1 ()t 2.2.5. Phototranzito hiệu ứng tr−ờng Phototranzito hiệu ứng tr−ờng (photoFET) có sơ đồ t−ơng đ−ơng nh− hình 2.23. + G D S D G S - a) b) Hình 2.23 Phototranzito hiệu ứng tr−ờng a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mạch Trong phototranzito hiệu ứng tr−ờng, ánh sáng đ−ợc sử dụng để làm thay đổi điện trở kênh. Việc điều khiển dòng máng ID đ−ợc thực hiện thông qua sự thay đổi điện áp VGS giữa cổng và nguồn. Trong chế độ phân cực ng−ợc chuyển tiếp P-N giữa cổng và kênh, điện áp này sẽ xác định độ rộng của kênh và do đó dòng máng có dạng: 2 ⎛ VGS ⎞ ID = IDSS ⎜1+ ⎟ ⎝ VP ⎠ Với IDS - dòng máng khi VGS = 0. -43-
21. VP - điện áp thắt kênh. Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động nh− một photodiot cho dòng ng−ợc: I r = I0 + IP IP = SgΦ - dòng quang điện. I0 - dòng điện trong tối. Sg - độ nhạy của điot cổng - kênh. Φ - thông l−ợng ánh sáng. Dòng Ir chạy qua điện trở Rg của mạch cổng xác định điện thế VGS và và dòng máng: VGS = Rg ()I0 + IP − Eg Eg - thế phân cực của cổng. Phototranzito hiệu ứng tr−ờng đ−ợc ứng dụng nhiều trong việc điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 2.3. Cảm biến quang điện phát xạ 2.3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ Hiệu ứng quang điện phát xạ hay còn đ−ợc gọi là hiệu ứng quang điện ngoài là hiện t−ợng các điện tử đ−ợc giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có b−ớc sóng nhỏ hơn một ng−ỡng nhất định và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện tr−ờng. Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu xẩy ra theo ba giai đoạn: - Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong vật liệu. - Điện tử vừa đ−ợc giải phóng di chuyển đến bề mặt. - Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu. Khi một điện tử hấp thụ photon và đ−ợc giải phóng, di chuyển của nó trong khối vật liệu mang tính ngẫu nhiên theo mọi h−ớng, do đó chỉ một l−ợng rất nhỏ h−ớng tới bề mặt. Mặt khác, trong quá trình di chuyển, các điện tử này có thể va chạm với các điện tử khác và mất đi một phần năng l−ợng do đó chỉ một l−ợng nhỏ điện tử đ−ợc giải phóng tới đ−ợc bề mặt. Mặt khác, sự phát xạ của các điện tử sau khi đã đến đ−ợc bề mặt chỉ có thể xẩy ra khi động năng của nó đủ thắng đ−ợc hàng rào thế phân cách vật liệu với môi tr−ờng. Với tất cả những điều kiện trên, số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất l−ợng tử ) th−ờng nhỏ hơn 10% và ít khi v−ợt quá 30%. -44-
22. Vật liệu chế tạo: Phụ thuộc vào b−ớc sóng ánh sáng, vật liệu chế tạo photocatot có thể chọn trong các loại sau: - AgOCs nhạy ở vùng hồng ngoại. - Cs3Sb, (Cs)Na2KSb và K2CsSb: nhạy với ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại. - Cs2Te, Rb2Te và CsTe chỉ nhạy trong vùng tử ngoại. Hiệu suất l−ợng tử của các vật liệu trên ~ 1 - 30%. Ngoài ra còn dùng các hợp chất của các chất thuộc nhóm III - V, đó là các hợp chất GaAsxSb1-x , Ga1-xInxAs, InAsxP1-x, ng−ỡng nhạy sáng của chúng nằm ở vùng hồng ngoại (λ ~1àm), hiệu suất l−ợng tử đạt tới 30%. 2.3.2. Tế bào quang điện chân không Tế bào quang điện chân không gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, đ−ợc hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg). Trong ống đặt một catot có khả năng phát xạ khi đ−ợc chiếu sáng và một anot. Φ K A A K K A Hình 2.24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không Sơ đồ t−ơng đ−ơng và sự thay đổi của dòng anot Ia phụ thuộc vào điện thế anot - catot Vak biểu diễn trên hình 2.25. Ia (àA) A Ia 4,75 mW 4 E 3 2,37 mW 2 K 0,95 mW Rm 1 0 20 40 60 80 100 120 V (V) a) b) ak Hình 2.25 Sơ đồ t−ơng đ−ơng và đặc tr−ng I - v của tế bào quang điện chân không -45-
23. Đặc tr−ng I - V có hai vùng rõ rệt: + Vùng điện tích không gian đặc tr−ng bởi sự tăng mạnh của dòng khi điện áp tăng. + Vùng bảo hoà đặc tr−ng bởi sự phụ thuộc không đáng kể của dòng vào điện áp. Tế bào quang điện đ−ợc sử dụng chủ yếu trong vùng bảo hoà, khi đó nó giống nh− một nguồn dòng, giá trị của dòng chỉ phụ thuộc vào thông l−ợng ánh sáng mà nó nhận đ−ợc. Điện trở trong ρ của tế bào quang điện rất lớn và có thể xác định từ độ dốc của đặc tuyến ở vùng bảo hoà: 1 ⎛ dIa ⎞ = ⎜ ⎟ ρ ⎝ dVak ⎠Φ Độ nhạy phổ của tế bào quang điện đ−ợc biểu diễn thông qua giá trị của dòng anot trong vùng bão hoà, th−ờng vào cỡ 10 - 100 mA/W. 2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí Tế bào quang điện dạng khí có cấu tạo t−ơng tự tế bào quang điện chân không, chỉ khác ở chỗ thể tích bên trong của đèn đ−ợc điền đầy bằng khí, th−ờng là khí acgon, d−ới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg. Ia (àA) 8 2.10-2 lm 2 ơng đối − 6 1,5.10-2 lm 10-2 lm 4 1 nhạy Độ t 0,5.10-2 lm 2 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 V (V) ak Vak (V) Hình 2.26 Đặc tr−ng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí Khi điện áp thấp hơn 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống nh− tế bào quang điện chân không. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn làm ion hoá các nguyên tử khí, kết quả là dòng anot tăng lên từ 5 - 10 lần. 2.3.4. Thiết bị nhân quang Khi bề mặt vật rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng l−ợng cao, nó có thể phát xạ các điện tử (gọi là phát xạ thứ cấp). Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số -46-
24. điện tử tới thì có khả năng khuếch đại tín hiệu. Sự khuếch đại đ−ợc thực hiện bằng các thiết bị nhân quang (hình 2.27). Các điện tử tới (điện tử sơ cấp) đ−ợc phát xạ từ một photocatot đặt trong chân không và bị chiếu sáng. Sau đó chúng đ−ợc tiêu tụ trên đ−ợc cực thứ nhất của dãy các điện cực (dynode) nối tiếp. Bề mặt các điện cực nối tiếp phủ bằng vật liệu có khả năng phát xạ điện tử thứ cấp. Theo chiều đi từ điện cực thứ nhất đến các điện cực tiếp theo, điện thế của các điện cực tăng dần sao cho các điện tử sinh ra từ điện cực thứ k sẽ bị hút bởi điện cực thứ (k+1). Kết quả ở điện cực sau số điện tử lớn hơn ở điện cực tr−ớc đó. 1 2 Φ K A Hình 2.27 Thiết bị nhân quang 1)b Photocatot 2) Dynode (điện cực thứ cấp) Hệ số khuếch đại của thiết bị nhân quang xác định theo công thức: n M = ηc ()ηtδ ηc - hệ số thu nhận điện tử hữu hiệu của các cực. ηt- hệ số chuyển tải hữu hiệu từ điện cực này sang điện cực khác. δ - hệ số phát xạ thứ cấp (số điện tử thứ cấp phát ra khi có một điện tử đập vào điện cực). Với số điện cực n = 5 - 15, hệ số phát xạ thứ cấp δ = 5 - 10 và ηt > 90%, thì M ~106 - 108. -47-