Tài liệu Cảm biến quang_chương 2 pdf

-24-
Chơng 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.

á
nh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bớc 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.










Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi trờng
vật chất vận tốc truyền sóng giảm, đợc xác định theo công thức:
n
c
v =

n - chiết suất của môi trờng.
Mối quan hệ giữa tần số và bớc sóng của ánh sáng xác định bởi biểu thức:
- Khi môi trờng là chân không :

=
c

- Khi môi trờng là vật chất :

=
v
.
Trong đó là tần số ánh sáng.
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tơng tác của ánh sáng với vật chất.
á
nh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lợng nhất định,
năng lợng này chỉ phụ thuộc tần số

của ánh sáng:
0,395
0,455
0,490
0,575
0,590
0,650
0,750
cực tím tím lam lục
vàng
da cam đỏ
hồn
g
n
g

oại
0,01
0,1 0,4 0,75 1,2 10 30
100
cực tím
hồn
g
n
g
oại
h. n
g
oại xa
trông thấy
h.n.ngắn

(
à
m
)
Hình 2.1 Phổ ánh sáng

-25-

=

hW
(2.1)
Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10
-34

J.s).
Bớc sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ,
ngợc lại khi bớc sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.
2.1.2. Các đơn vị đo quang
a) Đơn vị đo năng lợng
- Năng lợng bức xạ (Q): là năng lợng lan truyền hoặc hấp thụ dới dạng bức xạ đo
bằng Jun (J).
- Thông lợng ánh sáng (

): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng
oat (W):
dt
dQ
= (2.2)
- Cờng độ ánh sáng (I): là luồng năng lợng phát ra theo một hớng cho trớc ứng
với một đơn vị góc khối, tính bằng oat/steriadian.


=
d
d
I (2.3)
- Độ chói năng lợng (L): là tỉ số giữa cờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề
mặt có diện tích dA theo một hớng xác định và diện tích hình chiếu dA
n
của phần
tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hớng đó.
n
dA
dI

L =
(2.4)
Trong đó dA
n
= dA.cos

, với

là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA.
Độ chói năng lợng đo bằng oat/Steriadian.m
2
.
- Độ rọi năng lợng (E): là tỉ số giữa luồng năng lợng thu đợc bởi một phần tử
bề mặt và diện tích của phần tử đó.
dA
d
E

=
(2.5)
Độ rọi năng lợng đo bằng oat/m
2
.
b) Đơn vị đo thị giác

Độ nhạy của mắt ngời đối với ánh sáng có bớc sóng khác nhau là khác nhau.
Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tơng đối của mắt V(

) vào bớc sóng. Các đại lợng
thị giác nhận đợc từ đại lợng năng lợng tơng ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V().

-26-









Theo quy ớc, một luồng ánh sánh có năng lợng 1W ứng với bớc sóng
max

tơng 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:

()
(
)
(
)



= V680
V
lumen
Đối với ánh sáng phổ liên tục:

=



d
d
)(d
)(V680
2
1
V
lumen
Tơng tự nh vậy ta có thể chuyển đổi tơng ứng các đơn vị đo năng lợng
và đơn vị đo thị giác.
Bảng 2.1 liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản.
Bảng 2.1
Đại lợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lợng
Luồng (thông lợng) lumen(lm) oat(W)
Cờng độ cadela(cd) oat/sr(W/sr)
Độ chói cadela/m
2
(cd/m
2
) oat/sr.m
2
(W/sr.m
2
)

Độ rọi lumen/m
2
hay lux (lx) oat/m
2
(W/m
2
)
Năng lợng 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 tợng
giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dới tác dụng của ánh sáng
làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
Hình 2.2 Đờng cong độ nhạy tơng đối của mắ
t

(
à
m)
V(
)
0,3
0,4 0,5
0,6 0,7 0,8
0
0,5

1

max


-27-
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 lợng tối thiểu bằng năng lợng liên
kết W
lk
. Khi điện tử đợc giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong
vật liệu.






Hạt dẫn đợc 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 trờng hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn đợc 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 N
d
, có mức năng lợng nằm dới vùng dẫn một khoảng bằng W
d
đủ lớn để ở
nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n
0
của các donor bị ion hoá do nhiệt là
nhỏ.

Khi ở trong tối, nồng độ điện tử đợc giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ
lệ với nồng độ các tạp chất cha bị ion hoá và bằng a(N
d
-n
o
), với hệ số a xác định
theo công thức:
+
lổ trống

-
điện tử

h
+
lổ trống

h

-
-
điện tử
h


+
Hình 2.3. ảnh hởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn đợc giải phóng
+ ++
W
d

+ +++
h

h

Vùn
g
dẫn
Vùn
g
hoá trị
Hình 2.4. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lợng của điện t
ử

L
V
chiếu sán

g
A

-28-






=
kT
qW
expa
d
(2.6)
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 n
0
và nồng độ điện tử cũng chính bằng n
0
và bằng
r.
2
0
n , trong đó r là hệ số tái hợp.
Phơng trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối
vật liệu có dạng:

()
2
00d
0
n.rnNa
dt
dn
=
ở trạng thái cân bằng ta có : 0
dt
dn
0
=
Suy ra:
2/1
d
2
2
0
r
N.a
r4
a
r.2
a
n

++=
(2.7)
Độ dẫn trong tối đợc biểu diễn bởi hệ thức:
00
nq
à
=

(2.8)
Trong đó
à
là độ linh động của điện tử.
Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhng sự tăng mật độ điện tử
tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hởng 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
lợng cho điện tử dới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải
phóng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) đợc giải phóng do bị chiếu sáng trong một
giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức:
(
)

==
h
R1
.
L.A
1
V
G
g (2.9)
Trong đó:
G - số điện tử đợc 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).

-29-

- hiệu suất lợng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình đợc giải phóng khi
một photon bị hấp thụ).
R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu.

- bớc sóng ánh sáng.

- thông lợng ánh sáng.
h - hằng số Planck.
Phơng trình động học của tái hợp trong trờng hợp này có dạng:
()
2
d
n.rgnNa
dt

dn
+=
Thông thờng bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử đợc giải phóng lớn hơn
rất nhiều so với điện tử đợc giải phóng do nhiệt:

()
nNag
d

>>
và n>>n
0

Trong điều kiện trên, rút ra phơng trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện
cân bằng dới tác dụng chiếu sáng:
2/1
r
g
n






=
(2.10)
Độ dẫn tơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng:

n

q
à
= . (2.11)
Từ công thức (2.9), (2.10) và (2.11) ta nhận thấy độ dẫn là hàm không tuyến
tính của thông lợng ánh sáng, nó tỉ lệ với

1/2
. Thực nghiệm cho thấy số mũ của
hàm nằm trong khoảng 0,5 - 1.
2.2.2. Tế bào quang dẫn
a) Vật liệu chế tạo
Tế bào quang dẫn đợc 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



-30-

b) Các đặc trng
- Điện trở :
Giá trị điện trở tối R
C0
của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình
dạng hình học, kích thớc, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất
PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn ( từ 10
4


- 10
9


ở 25
o
C), trong khi đó SbIn,
SbAs, CdHgTe có điện trở tối tơng đối nhỏ ( từ 10 - 10
3
ở 25
o
C). Điện trở R
c

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.

Tế bào quang dẫn có thể coi nh một mạch tơng đơng gồm hai điện trở R
c0
và R
cp
mắc song song:
Hình 2.5. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
0,2
0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeCu
SnIn
AsIn
CdH

g

,
à
m
Hình 2.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Điện trở (

)
Độ rọi sán
g
(lx)
0,1 1 10 100
10
2

10
4

10
6

10
6

1000

-31-

cpco

cpco
c
RR
RR
R
+
=
(2.12)
Trong đó:
R
co
- điện trở trong tối.
R
cp
- điện trở khi chiếu sáng:

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


- hệ số có giá trị từ 0,5 - 1.
Thông thờng R
cp
<<R
c0
, nên có thể coi R
c
=R

cp
. Công thức (2.12) cho thấy sự
phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông lợng 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 tơng đơng 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:
cpcoc
GGG
+
=
(2.1)
Trong đó:
- G
co
là độ dẫn trong tối: G
co
= 1/R
co
.
- G
cp
là điện trở khi chiếu sáng: G
co
= 1/R
cp
=

/a.
Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch:

P0cpco
IIVGVGI
+
=
+=

Trong điều kiện sử dụng thông thờng I
0
<<I
P
, do đó dòng quang điện của tế bào
quang dẫn xác định bởi biểu thức:

=
a
V
I
P
(2.15)
Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh:

1
a
VI

=

(2.16)
Và độ nhạy:
1
a
VI

=


(2.17)
Từ hai biểu thức (2.16) và (2.17) có thể thấy:

-32-
- Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức
xạ tăng (trừ khi =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).
Trờng hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, I
p
phụ thuộc vào

, độ nhạy phổ của tế
bào quang dẫn xác định nhờ đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hồi đáp vào
bớc sóng (hình 2.8a)

)(
I
)(S


= (2.28)
-150 -100 -50 0 50
Nhiệt độ (
o
C)
10

5
1
0,5
0,1
Độ nhạy tơng đối
Hình 2.7 ảnh hởng của nhiệt độ đến
độ nhạy của tế bào quang dẫn
Hình 2.8 Độ nhạy của tế bào quang dẫn
a) Đờng cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ
a)
Bớc sóng (
à
m)
Đ
ộ
nh
ạy
tơn
g
đối
(
%
)

1 2
3
1
3
5
10

30
50
100
b)
Nhiệt độ vật đen tu
y
ệt đối (K)
Đ
ộ
nh
ạy
tơn
g
đối
300
400 500
10
-3
10
-2
10
-1
1
5
10

-33-
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 I

p
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 lợng.
- Thời gian hồi đáp lớn.
- Các đặc trng 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 đợc dùng trong hai trờng 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, đợc 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 đợc thể hiện qua xung điện, trên
cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.








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
trờng và hình thành hàng rào thế V
b
.
Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại
+
+

-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

-39-
Khi nhiệt độ tăng, cực đại

P
của đờng cong phổ dịch chuyển về phía bớc
sóng dài. Hệ số nhiệt của dòng quang dẫn
dT
dI
.
I
1

P
P
có giá trị khoảng0,1%/
o
C.
d) Sơ đồ ứng dụng photodiot
- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn:
Đặc trng 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 ngợc trong chế độ quang dẫn.
Sơ đồ cơ sở
(hình 2.17a):

r
1
2
m0
I
R
R
1RV






+=

Khi tăng điện trở R
m
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):
()
r210
IRRV +=
điện trở của điot nhỏ và bằng
K
RR
21
+
trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm
việc. Tụ C
2
có tác dụng bù trừ ảnh hởng của tụ kí sinh C
pl
với điều kiện
22pl1

CRCR = . 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 trng của chế độ quang thế:
+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải.
E
S

R
m

I
r

R
1

R
2

V
0
C
P1
R
m
E
S
R
1

+R
2
R
1
V
0
R
2

Hình 2.17 Sơ đồ mạch đo dòng ngợc trong chế độ quang dẫn
a)
b)
+
+


C
2

+


-40-
+
í
t 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 I

sc
.
Trong chế độ này:
scm0
I.RV =

Sơ đồ logarit
(hình 2.18b): đo điện áp hở mạch V
oc
.
oc
1
2
0
V
R
R
1V






+=

2.2.4. Phototranzito
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể đợc chiếu sáng, không có
điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực
ngợc.









Hình 2.19 Phototranzito
a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tơng đơng
c) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng bazơ
a)
b)
c)
|
+
Điện thế
C
B
E

V
co
R
1
R
2
V
0

+
_
I
OC

R
1
=R
m

R
m

V
0
_

+
Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp
a)
b)

-41-
Điện áp đặt vào tập trung hầu nh toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực
ngợc) trong khi đó chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (V
BE

0,6-0,7 V). Khi chuyển tiếp B-C đợc chiếu sáng, nó hoạt động giống nh photođiot
ở chế độ quang thế với dòng ngợc:
P0r
III +=
Trong đó I
0
là dòng ngợc trong tối, I
P
là dòng quang điện dới tác dụng của thông
lợng
0
chiếu qua bề dày X của bazơ (bớc sóng <
S
):

()
0P
hc
)Xexp(R1q
I

=
Dòng I
r
đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ I
c
:

()
(
)
(
)
p0rc
I1I1I1I
+

+
+

=+

=


- 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 .
Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ (dới tác dụng của ánh sáng) sẽ bị
phân chia dới tác dụng của điện trờng trên chuyển tiếp B - C.
Trong trờng 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 tợng xẩy ra tơng 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 I
E
chạy từ E đến B và khuếch tán tiếp từ B về phía C.
b) Độ nhạy
Khi nhận đợc thông lợng
0
, điot bazơ-colectơ sinh ra dòng quang điện I
p
,
dòng này gây nên trong phototranzito một dòng
(
)
pcp
I1I
+

=
, trong đó giá trị của
I
cp
đợc rút ra từ công thức của I
p
:

()
(
)

(
)
0cp
hc
XexpR1q1
I




+

=
Đối với một thông lợng
0
cho trớc, đờng cong phổ hồi đáp xác định bởi
bản chất của điot B-C: vật liệu chế tạo (thờng là Si) và loại pha tạp (hình 2.20). Đối
với một bớc sóng cho trớc, dòng colectơ I
c
không phải là hàm tuyến tính của

-42-
thông lợng hoặc độ chiếu sáng bởi vì hệ số khuếch đại

phụ thuộc vào dòng I
c
(tức
là cũng phụ thuộc thông lợng), nghĩa là
0
c

I


phụ thuộc vào
0
.








Độ nhạy phổ S(

p
) ở bớc sóng tơng 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 tơng đối lớn. Ngợc lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dù cho
độ khuếch đại nhng ngời ta thích dùng photođiot vì nó có độ tuyến tính tốt hơn.
- Phototranzito chuyển mạch:
Trong trờng hợp này sử dụng thông tin dạng nhị phân: có hay không có bức
xạ, hoặc ánh sáng nhỏ hơn hay lớn hơn ngỡng. 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).










S()
S(
p)
(%)
100
80
60
40
20
0,4 0,6 0,8 1,0

(
à
m)
Hình 2.20 Đờng cong phổ hồi đáp của photodio
t
+
+
+

+
+
Hình 2.21 Photodiotzito trong chế độ chuyển mạch
a) Rơle b) Rơle sau khếch đại c) Cổng logic d) Thyristo

-43-
- Phototranzito trong chế độ tuyến tính:
Có hai cách sử dụng trong chế độ tuyến tính.
- Trờng hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống nh một luxmet).
- Trờng hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi dạng:

() ()
tt
10
+=









() ()
t.SItI
10cc
+

=

2.2.5. Phototranzito hiệu ứng trờng
Phototranzito hiệu ứng trờng (photoFET) có sơ đồ tơng đơng nh hình
2.23.









Trong phototranzito hiệu ứng trờng, ánh sáng đợc sử dụng để làm thay đổi
điện trở kênh. Việc điều khiển dòng máng I
D
đợc thực hiện thông qua sự thay đổi
điện áp V
GS
giữa cổng và nguồn. Trong chế độ phân cực ngợc 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
P
GS
DSSD
V
V
1II

+=

Với I
DS
- dòng máng khi V
GS
= 0.
+
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý luxmet
Trong đó

1
(t) là thành
p
hầ
n
thay đổi với biên độ nhỏ để sao cho
khôn
g
dẫn tới
p
hototranzito bị chặ
n

hoặc bảo hoà và có thể coi độ hhạ
y
khôn
g
đổi. Tron
g
điều kiện đó, dòn
g
colectơ có dạng:
Hình 2.23 Phototranzito hiệu ứng trờng
a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mạch
-
G
D
S
b)
a)
S
G
D
+

-44-
V
P
- điện áp thắt kênh.
Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động nh một photodiot cho dòng ngợc:

P0r
III +=

I
P
= S
g
- dòng quang điện.
I
0
- dòng điện trong tối.
S
g
- độ nhạy của điot cổng - kênh.
- thông lợng ánh sáng.
Dòng I
r
chạy qua điện trở R
g
của mạch cổng xác định điện thế V
GS
và và dòng máng:

()
gP0gGS
EIIRV

+=
E
g
- thế phân cực của cổng.
Phototranzito hiệu ứng trờng đợc 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 đợc gọi là hiệu ứng quang điện ngoài là
hiện tợng các điện tử đợc giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng khi chiếu
vào chúng một bức xạ ánh sáng có bớc sóng nhỏ hơn một ngỡng nhất định và có
thể thu lại nhờ tác dụng của điện trờng.
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 đợc giải phóng di chuyển đến bề mặt.
- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.
Khi một điện tử hấp thụ photon và đợc giải phóng, di chuyển của nó trong
khối vật liệu mang tính ngẫu nhiên theo mọi hớng, do đó chỉ một lợng rất nhỏ
hớng 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 lợng do đó chỉ một lợng nhỏ
điện tử đợc giải phóng tới đợc bề mặt. Mặt khác, sự phát xạ của các điện tử sau
khi đã đến đợc bề mặt chỉ có thể xẩy ra khi động năng của nó đủ thắng đợc hàng
rào thế phân cách vật liệu với môi trờng.
Với tất cả những điều kiện trên, số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị
hấp thụ (hiệu suất lợng tử ) thờng nhỏ hơn 10% và ít khi vợt quá 30%.

-45-
Vật liệu chế tạo: Phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng, vật liệu chế tạo photocatot
có thể chọn trong các loại sau:
- AgOCs nhạy ở vùng hồng ngoại.
- Cs
3
Sb, (Cs)Na
2
KSb và K

2
CsSb: nhạy với ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại.
- Cs
2
Te, Rb
2
Te và CsTe chỉ nhạy trong vùng tử ngoại.
Hiệu suất lợng 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
GaAs
x
Sb
1-x
, Ga
1-x
In
x
As, InAs
x
P
1-x
, ngỡng nhạy sáng của chúng nằm ở vùng hồng
ngoại (

~1
à
m), hiệu suất lợng 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,
đợc hút chân không (áp suất ~ 10

-6
- 10
-8
mmHg). Trong ống đặt một catot có khả
năng phát xạ khi đợc chiếu sáng và một anot.











Sơ đồ tơng đơng và sự thay đổi của dòng anot I
a
phụ thuộc vào điện thế anot -
catot V
ak
biểu diễn trên hình 2.25.

A
K
Hình 2.24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không
A
K

A
K
K
A
I
a

E
R
m

I
a
(
à
A)
V
ak
(V)
4,75 mW
2,37 mW
0,95 mW

4
3
2
1
0
20 40 60 80 100 120
Hình 2.25 Sơ đồ tơng đơng và đặc trng I - v của tế bào quang điện chân không
a)
b)

-46-
Đặc trng I - V có hai vùng rõ rệt:
+ Vùng điện tích không gian đặc trng bởi sự tăng mạnh của dòng khi điện áp
tăng.
+ Vùng bảo hoà đặc trng bởi sự phụ thuộc không đáng kể của dòng vào điện
áp.
Tế bào quang điện đợc 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 lợng ánh sáng mà
nó nhận đợc. Điện trở trong

của tế bào quang điện rất lớn và có thể xác định từ
độ dốc của đặc tuyến ở vùng bảo hoà:

=

ak
a
dV
dI
1

Độ nhạy phổ của tế bào quang điện đợc biểu diễn thông qua giá trị của dòng anot
trong vùng bão hoà, thờng vào cỡ 10 - 100 mA/W.
2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí
Tế bào quang điện dạng khí có cấu tạo tơng tự tế bào quang điện chân không,
chỉ khác ở chỗ thể tích bên trong của đèn đợc điền đầy bằng khí, thờng là khí
acgon, dới áp suất cỡ 10
-1
- 10
-2
mmHg.









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 lợng 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
0,5.10
-2
lm
Hình 2.26 Đặc trng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí
I
a
(àA)
V
ak
(V)
2
1
0
20 40 60 80 100 120
10
-2
lm
1,5.10
-2
lm
2.10
-2
lm
V
ak

(V)
6
2
0
20 40
60
80
4
8
Độ nhạy tơng đối

-47-
điện tử tới thì có khả năng khuếch đại tín hiệu. Sự khuếch đại đợc thực hiện bằng
các thiết bị nhân quang (hình 2.27).
Các điện tử tới (điện tử sơ cấp) đợc phát xạ từ một photocatot đặt trong chân
không và bị chiếu sáng. Sau đó chúng đợc tiêu tụ trên đợc 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 trớc đó.

Hệ số khuếch đại của thiết bị nhân quang xác định theo công thức:
()
n
tc
M =

c
- hệ số thu nhận điện tử hữu hiệu của các cực.

t
- hệ số chuyển tải hữu hiệu từ điện cực này sang điện cực khác.
- 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

= 5 - 10 và

t
> 90%, thì M
~10
6
- 10
8
.

Hình 2.27 Thiết bị nhân quang
1)b Photocatot 2) Dynode (điện cực thứ cấp)
K
A

1
2

-48-