Cảm biến công nghiệp : Cảm biến quang part 3 pps

-34-
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 ngợc 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 lợng nhiệt của các hạt
dẫn cơ bản đủ lớn để vợt 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 dới tác dụng của điện trờng E 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:

0
d
0
I
kT

qV
expII






=
Khi điện áp ngợc đủ lớn (V
d
<< - mV26
q
kT
= ở 300K), chiều cao hàng rào thế
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 ngợc của điôt, khi đó
i = I
0
.
Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bớc sóng nhỏ hơn bớc sóng ngỡng, 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 trờng.
Vùn
g
chu
y
ển tiế

p
E
P
N
Vùn
g
n
g
hèo
V
b
Hình 2.10 Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo

+
N
P

h


+
I
r

Vùn
g
n
g
hèo

-35-
Số hạt dẫn đợc giải phóng phụ thuộc vào thông lợng ánh sáng đạt tới vùng
nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này. Thông lợng ánh sáng chiếu tới vùng
nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua:

x
0
e

=
Trong đó hệ số 10
5
cm
-1
. Để tăng thông lợng ánh sáng đến vùng nghèo
ngời 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 ngời 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 ngợc vài vôn có thể mở rộng
vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I.








b) Chế độ hoạt động
- Chế độ quang dẫn:

Sơ đồ nguyên lý (hình 2.12a) gồm một nguồn E
s
phân cực ngợc điôt và một
điện trở R
m
để đo tín hiệu.








Dòng ngợc qua điôt:

p0
d
0r
II
kT
qV
expII ++






= (2.40)

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc
V
d

V
R
I
r

R
m

E
S

a) b)
0 -10 -20 -30 -40
50
à
W
100
à
W
150
à
W
200
à
W
20

40
60
Thôn
g
lợn
g
I
r

E
S

+
I
N
P

+
Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN



-36-
Trong đó I
p
là dòng quang điện:

()
()
Xexp

hc
R1q
I
0p



=
(2.41)
Khi điện áp ngợc V
d
đủ lớn, thành phần






kT
qV
exp
d

0, ta có:

P0R
III +=

Thông thờng I
0

<<I
P
do đó I
R


I
P
.
Phơng trình mạch điện:

DR
VVE =
Trong đó
rmR
IRV = cho phép vẽ đờng thẳng tải

(hình 2.11b).
Dòng điện chạy trong mạch:

mm
r
R
V
R
E
I
+=
Điểm làm việc của điôt là điểm giao nhau giữa đợng thẳng tải và đờng đặc
tuyến

i
-V với thông lợng tơng ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, V
R
tỉ lệ với
thông lợng.
- 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 lợng tơng đơng với một máy phát và ngời ta đo thế hở
mạch V
0C
hoặc đo dòng ngắn mạch I
SC
.
Đo thế hở mạch: Khi chiếu sáng, dòng I
P
tăng làm cho hàng rào thế giảm một
lợng V
b
. Sự giảm chiều cao hàng rào thế làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên,
khi đạt cân bằng I
r
= 0.
Ta có:
0II
kT
qV
expI
p0
d
0

=++







Rút ra:






+=
0
P
b
I
I
1log
q
kT
V

Độ giảm chiều cao

V
b

của hàng rào thế có thể xác định đợc thông qua đo điện
áp giữa hai đầu điôt khi hở mạch.







+=
0
P
OC
I
I
1log
q
kT
V


-37-
Khi chiếu sáng yếu I
P
<<I
0
:

0
P

OC
I
I
.
q
kT
V
=

Trong trờng hợp này V
OC
(kT/q=26mV ở 300K) nhỏ nhng phụ thuộc tuyến tính
vào thông lợng.
Khi chiếu sáng mạnh, I
P
>>I
0
và ta có:

0
P
OC
I
I
log
q
kT
V
=
Trong trờng hợp này V

OC
có giá trị tơng đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nhng phụ thuộc
vào thông lợng theo hàm logarit.











Đo dòng ngắn mạch:

Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn
r
d
nào đó, dòng đoản mạch I
SC
chính bằng I
P
và tỉ lệ với thông lợng (hình 2.14):
PSC
II =

Hình 2.13 Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lợng
Thôn
g
luợn
g
, mW
0,1 1 10 100
0
0,2
0,4
V
OC
, V
Hình 2.14 Sự phụ thuộc của dòng ngắn
mạch vào thông lợng ánh sáng
I
SC
,
à
V
Thôn
g
lợn

g
, mW
0
10
20
0,1 0,2

-38-
Đặc điểm quan trọng của chế độ này là không có dòng tối, nhờ vậy có thể
giảm nhiễu và cho phép đo đợc thông lợng nhỏ.
c) Độ nhạy
Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện I
P
tỉ lệ tuyến tính với thông
lợng trong một khoảng tơng đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo
công thức:

(
)
(
)





=


=

hc
XexpR1q
I
)(S
P

Với
s
.
Độ nhạy phổ phụ thuộc vào

, hiệu suất lợng tử

, hệ số phản xạ R và hệ số
hấp thụ .










Ngời sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đờng cong phổ hồi đáp
S(

)/S(

P
) và giá trị của bớc sóng

P
ứng với độ nhạy cực đại. Thông thờng S(

P
)
nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W.








Hình 2.15 Phổ độ nhạy của photodio
t
1,0
0,6
0,4
0,2
0,1
0,4 0,6 0,8
1,0
1,2

(
à

m)

P

0,04
S(

)
S(

P
)
0,3 0,4 0,5 0,6
0,7
0,8 0,9 1,0

(
à
m)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
S (
à
A/
à
W)
Hình 2.16 Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ

T
1
T
2
>
T
1
T
2