chương 2 cảm biến đĩa quang

Chương II. Cảm biến đo quang Chương II. Cảm biến đo quang 1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 2. Cảm biến quang dẫn 3. Cảm biến quang điện phát xạ 05/23/14 1. Tính chất và đơn vị đo 1. Tính chất và đơn vị đo 1.1 Tính chất ánh sáng a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ: 0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa λ(µm) Phổ ánh sáng 05/23/14 1.1. Tính chất áng sáng 1.1. Tính chất áng sáng Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) hoặc (môi trường vật chất) Bước sóng: (chân không) hoặc (môi trường vật chất). f → tần số ánh sáng. n c v = f c = λ f v = λ 05/23/14 1.1. Tính chất áng sáng 1.1. Tính chất áng sáng b) Tính chất hạt: Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (f) của ánh sáng: ν φ .hW = h = 6,6256.10 -34 J.s → hằng số Planck 05/23/14 1.2. Đơn vị đo quang 1.2. Đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lượng: Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng Jun (J). Thông lượng ánh sáng Φ: là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W). dt dQ =Φ (W) 05/23/14 1.2. Đơn vị đo quang 1.2. Đơn vị đo quang Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối Độ chói năng lượng (L): Độ rọi năng lượng (E): n dA dI L = (W/sr.m 2 ) Ω Φ = d d I (W/sr) sr: steradian dA d E Φ = (W/m 2 ) 05/23/14 1.2. Đơn vị đo quang 1.2. Đơn vị đo quang b) Đơn vị đo thị giác: Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác Thông lượng W lumen(lm) Cường độ W/sr cadela(cd) Độ chói W/sr.m 2 cadela/m 2 (cd/m 2 ) Độ rọi W/m 2 lumen/m 2 hay lux (lx) Năng lượng J lumen.s (lm.s) 05/23/14 2. Cảm biến quang dẫn 2. Cảm biến quang dẫn 2.1. Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. 05/23/14 2.1. Hiệu ứng quang dẫn 2.1. Hiệu ứng quang dẫn W≥W lk + điện tử hν + hν - điện tử hν + Vùng dẫn Vùng hoá trị W lk - - Bán dẫn tinh khiết lổ trống lổ trống Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p 05/23/14 2.1. Hiệu ứng quang dẫn 2.1. Hiệu ứng quang dẫn Mật độ điện tử trong tối: 2/1 d 2 2 0 r N.a r4 a r.2 a n         ++=       −= kT qW expa d → Hệ số tỉ lệ giải phóng e. N d → Nồng độ tạp chất loại N r → Hệ số tái hợp. 05/23/14 [...]... độ quang dẫn: ES CP1 R2 Rm Ir R1 + − R1 Rm V0 − + ES − + R1+R2 R2 C2 V0 Sơ đồ cơ sở  R2  V0 = Rm 1 + Ir  R1  05 /23 /14 Sơ đồ tác động nhanh V0 = ( R1 + R 2 )Ir 2. 3 Photođiot - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: R2 Rm ISC + _ + Vco V0 _ R1 R1=Rm Sơ đồ tuyến tính 05 /23 /14 Sơ đồ logarit V0 2. 3 Photođiot Chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính cao + Thời gian hồi đáp ngắn + Dải thông lớn 05 /23 /14 Chế độ quang. .. đòi hỏi làm nguội 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn Độ 10 nhạy tương 5 đối Độ 100 nhạy tương 50 đối 30 (%) 1 10 0,5 5 3 0,1 -150 -100 -50 0 50 Nhiệt độ (oC) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn 05 /23 /14 1 1 2 3 Bước sóng (µm) Ảnh hưởng bước sóng đến độ nhạy của tế bào quang dẫn 2. 2 Tế bào quang dẫn c) Ứng dụng: Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở... chạy qua đủ lớn → sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn + Điều khiển trực tiếp 05 /23 /14 + Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại 2. 3 Photodiode a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 05 /23 /14 2. 3 Photođiot Nguyên lý hoạt động: - Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua  qVd... tế γ = 0,5 -1) 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn (TBQD) a) Cấu tạo: Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn CdS CdSe PbS CdTe PbSe PbTe Ge Si SnIn 0 ,2 0,6 1 GeCu AsIn 2 CdHgT e 3 45 10 λ, µm 20 30 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn (TBQD) b) Đặc trưng chủ yếu: 4 9 o Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 10 Ω - 10 Ω ở 25 C đối với PbS, CdS,.. .2. 1 Hiệu ứng quang dẫn Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: 1/ 2  g n ≈    r  g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích: G 1 η(1 − R ) g= = Φ V V hν g >> a( Nd − n) 05 /23 /14 2. 1 Hiệu ứng quang dẫn Độ dẫn trong tối: σ0 = qµn0 Độ dẫn khi chiếu sáng: 1 2 1 1  g σ = qµn = qµ  = Φ 2 A r ⇒ σ >> σ 0và là hàm phi tuyến của Φ với số mũ γ =1 /2 (thực tế γ = 0,5 -1) 05 /23 /14... độ rọi sáng tăng Điện trở (Ω) 106 106 104 1 02 0,1 1 10 100 1000 Độ rọi sáng (lx) Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn (TBQD) Độ nhạy: ∆I V γ −1 S= =γ Φ A Nhận xét: ∆Φ + Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1) + Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt vào lớn + Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng 05 /23 /14 2. 2 Tế bào quang dẫn c) Đặc điểm + Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh... Photođiot Chế độ quang dẫn: Phương trình mạch điện: Ir E = VR − VD Tín hiệu ra: + − ⇒đường thẳng tải ∆ VR = RmIr ⇒Dòng ngược: Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ Φ E V Ir = Rm + D Rm VD ES VR Rm -40 E -30 S -20 -10 0 50µW 20 100µW 40 150µW 60 20 0µW ∆ 05 /23 /14 Ir 2. 3 Photođiot Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0 ⇒ Đo thế hở mạch Khi Ip> I0: VOC = kT Ip Voc ≈ q I0 VOC = ⇒Đo dòng ngắn... I0  qV  − I0 exp d   kT  05 /23 /14  qVd  Ir = −I0 exp   + I0 ≠ 0  kT  2. 3 Photođiot Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng Φ0 → Ip qη(1 − R ) λ Ip = Φ 0 exp( − αX ) hc  qV  Ir = −I0 exp  d  + I0 + Ip Khi V đủ lớn:  kT  Ir = I0 + Ip ≈ Ip Ip: dòng quang điện 05 /23 /14 Ir hν x Vùng nghèo P −+ V − + N Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng 2. 3 Photođiot Chế độ quang dẫn: Phương trình mạch điện:... ≈ Ip Rbé 05 /23 /14 2. 3 Photođiot c) Độ nhạy: S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng Φ S phụ thuộc vào λ, với λ ≤ λs: S (µA/µW) 0,4 ∆IP qη(1 − R ) exp( − αX ) S( λ ) = λ = = λ S→Smax khi∆Φ λp hc Khi nhiệt độ tăng, λp dịch sang phải 0,3 T1 T2 0 ,2 0,1 0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 λ (µm) S phụ thuộc hiệu suất lượng tử η, hệ số phản xạ R, hệ(số hấp= 0,1-1,0 A/W) S(λp ) thụ α 05 /23 /14 λp 2. 3 Photođiot... tính hoặc logarit + Ít nhiễu + Thời gian hồi đáp lớn + Dải thông nhỏ + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit 2. 3 Photođiot c) Ứng dụng: - Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, … Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính) 05 /23 /14 2. 4 Phototranzito a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp E - B và B – C tương tự như một tranzito Phân cực: chỉ có điện . W/sr.m 2 cadela/m 2 (cd/m 2 ) Độ rọi W/m 2 lumen/m 2 hay lux (lx) Năng lượng J lumen.s (lm.s) 05 /23 /14 2. Cảm biến quang dẫn 2. Cảm biến quang dẫn 2. 1. Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn. Chương II. Cảm biến đo quang Chương II. Cảm biến đo quang 1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 2. Cảm biến quang dẫn 3. Cảm biến quang điện phát xạ 05 /23 /14 1. Tính chất và. =1 /2 (thực tế γ = 0,5 -1) 05 /23 /14 2. 2. Tế bào quang dẫn (TBQD) 2. 2. Tế bào quang dẫn (TBQD) a) Cấu tạo: Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn 0 ,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20