báo cáo bài tập lớn môn vật lí bán dẫn Đề tài tìm hiểu về quang t

Nguyên liệu chế tạo quang trở - Vật liệu được sử dụng làm chất nền bán dẫn bao gồm, chì sulphide PbS, chì selenua PbSe, indium antimonide InSb phát hiện ánh sáng trong phạm vi tia hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÍ BÁN DẪN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ QUANG TRỞ

LỚP - L03 - NHÓM 3 Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trần Hoàng Linh

Sinh viên thực hiện Mã số sinh viên

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2021

1

MỤC LỤC

I PHẦN MỞ ĐẦU……… 3

1.Đề tài……….3

2.Giải thích……… 3

II.PHẦN NỘI DUNG……… ….… 4

1 Khái niệm quang trở……… ………… 4

2.Cấu tạo quang trở……… 4

3.Cấu tạo quang trở……… 5

4.Nguyên liệu chế tạo……….8

5.Ứng dụng……….9

6.Giới thiệu loại quang trở phổ biến……… 13

III TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 14

2

I PHẦN MỞ ĐẦU:

1.Đề tài: Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở LDR để tự động bật tắt bóng đèn

2.Giải thích vì sao lựa chọn đề tài:

- Trong cuộc sống ngày nay, điện là một phần không thể thiếu Hầu hết các đồ dùng trong gia đình, thiết bị chiếu sáng, máy móc trong công nghiệp đều sử dụng điện năng

- Với nhu cầu con người ngày càng tăng, thì cũng đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết như thiết bị thông minh tiện lợi và tiết kiệm tối ưu nguồn năng lượng điện

Vì vậy chúng em thực hiện đề tài này nhằm mục đích đảm bảo nhu cầu ánh sáng cần thiết mà tiện lợi và tiết kiệm tối đa nguồn điện năng

3

II PHẦN NỘI DUNG:

1 Quang trở là gì

a Nguồn gốc:

Những ý tưởng đầu tiên về quang trở được phát triển khi Willoughby

Smith khám phá ra hiện tượng quang dẫn của Selenium(Se) vào năm

1873 Sau đó rất nhiều biến thể của dụng cụ quang dẫn được tạo ra và

quang trở là một trong số đó

b Khái niệm:

- Quang trở (LDR : Light-dependent resistor): là linh kiện điện tử được chế tạo bằng chất đặc biệt có điện trở thay đổi giảm theo mức ánh sáng chiếu vào

- Ký hiệu trên sơ đồ mạch điện

2 Cấu tạo quang trở

- Cấu tạo của quang trở gồm: 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực

- Linh kiện này được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với

2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và có thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng

(Quang trở LDR)

4

3 Nguyên lý hoạt động:

a Nguyên lý hoạt động

- Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất

và làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ Như

ta đã được biết thì electron hóa trị là electron nằm ở lớp ngoài cùng của nguyên tử do đó liên kết của chúng với hạt nhân rất lỏng lẻo Điều này có nghĩa là chỉ cần kích thích chúng với một lượng năng lượng rất nhỏ cũng có thể kéo nó ra khỏi quỹ đạo

-Mặt khác, electron tự do là những electron thoát ra khỏi nguyên tử và có khả năng di chuyển

tự do khi bị ngoại lực tác động vào như điện áp, từ trường Khi tác động ngoại lực vào khiến cho electron hóa trị bị bứt ra khỏi quỹ đạo và trở thành electron tự do và di chuyển tự do khi được áp điện trường Năng lượng để tách electron hóa trị ra khỏi quỹ đạo của nó là ánh sáng -Đây là nguyên lí cơ bản được sử dụng trong quang trở Ánh sáng chiếu vào các vật liệu quang dẫn được hấp thụ và cung cấp cho việc tách electron hóa trị ra khỏi hạt nhân chuyển hóa thành electron tự do

- Khi tăng cường độ ánh sáng chiếu thì số lượng electron hóa trị nhận năng lượng và phá vỡ liên kết với hạt nhân tăng Điều này dẫn đến số lượng lớn electron hóa trị nhảy đến dải dẫn nhờ đó độ dẫn điện của linh kiện tăng và điện trở giảm

5

-Quang trở làm bằng chất bán dẫn có trở kháng mà không cần chuyển tiếp PN Do đó, quang trở là linh kiện thụ động Quang trở chia làm 2 loại:

+ Quang trở nội tại (Intrinsic Photoresistor): Như đã được học thì “nội tại” thường được nhắc đến trong chất bán dẫn mà không pha tạp chất Quang trở nội tại được làm bằng vật liệu bán dẫn như Silicon hay Germanium

+ Quang trở lai tạp (Extrinsic Photoresistor): Như cái tên của nó, quang trở lai tạp được pha thêm tạp chất(dopants) để tăng hiệu suất Tạp chất được thêm vào phải nông và không bị ion hóa bởi ánh sáng Điều làm nó khác so với quang trở nội tại là các dopants tạo ra một dải năng lượng mới nằm phía trên dải hóa trị Điều này làm hẹp khoảng cách của khe năng lượng(band gap) cũng có nghĩa chúng cần ít năng lượng hơn để kích thích electron từ dải hóa trị sang dải dẫn

- Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng

- Cảm biến quang điện trở được sử dụng phổ biến nhất là tế bào quang dẫn ORP12 Cadmium Sulphide Điện trở phụ thuộc ánh sáng này có phản ứng quang phổ khoảng 610nm trong vùng ánh sáng màu vàng đến màu da cam Điện trở của tế bào khi không được chiếu sáng (điện trở tối) rất cao vào khoảng 10MΩ, giảm xuống khoảng 100Ω khi được chiếu sáng đầy đủ (điện trở sáng)

- Khi tăng độ tối dẫn tới tăng điện trở, đường dẫn điện trở tạo thành một mô hình ngoằn ngoèo trên nền ceramic Tế bào quang điện CdS là một thiết bị chi phí rất thấp thường được sử dụng

để tự động làm mờ, phát hiện bóng tối hoặc chạng vạng để bật đèn đường “ON” và “OFF” và cho các ứng dụng loại máy đo độ phơi sáng Kết nối nối tiếp một điện trở phụ thuộc ánh sáng với một điện trở tiêu chuẩn như thế này trên một điện áp cung cấp một chiều có một lợi thế lớn, một điện áp khác sẽ xuất hiện ở đường giao nhau của chúng cho các mức ánh sáng khác nhau

6

-Kết nối nối tiếp một điện trở phụ thuộc ánh sáng với một điện trở tiêu chuẩn như thế này trên một điện áp cung cấp một chiều có một lợi thế lớn, một điện áp khác sẽ xuất hiện ở đường giao nhau của chúng cho các mức ánh sáng khác nhau

-Lượng điện áp rơi trên điện trở nối tiếp, R được xác định bởi giá trị điện trở của điện trở phụ2 thuộc ánh sáng, RLDR Khả năng tạo ra các điện áp khác nhau này tạo ra một mạch rất tiện dụng được gọi “Potential Divider” or Voltage Divider Network

-Như chúng ta đã biết, dòng điện qua mạch nối tiếp là phổ biến và khi LDR thay đổi giá trị điện trở của nó do cường độ ánh sáng, điện áp hiện tại VOUT sẽ được xác định bằng công thức phân áp Điện trở của LDR, RLDR có thể thay đổi từ khoảng 100Ω trong ánh sáng mặt trời đến hơn 10MΩ trong bóng tối tuyệt đối với sự biến đổi của điện trở này được chuyển đổi thành sự thay đổi điện áp tại VOUT như được minh họa

7

Hiểu một cách đơn giản quang trở là thiết bị điện có thể thay đổi điện trở theo ánh sáng Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức vài trăm Ω

b Ví dụ về mạch đơn giản có quang trở:

+ Gồm nguồn pin, quang trở và LED Mạch này sẽ giúp ta hình dung rõ hơn cách hoạt động của LDR dưới tác dụng của điện trường

-Trường hợp 1: Không có ánh sách chiếu vào LDR

+ Dĩ nhiên khi không có ánh sáng cho LDR hấp thụ, do đó không có electron tự do Vì thế cho

dù được áp điện trường nhưng không có electron tự do nên sẽ không có dòng điện đi qua và LED sẽ tắt

-Trường hợp 2: Ánh sáng chiếu vào LDR

+ Ngược lại với trường hợp trên cùng với cách giải thích tương tự, LED sẽ sáng

4 Nguyên liệu chế tạo quang trở

- Vật liệu được sử dụng làm chất nền bán dẫn bao gồm, chì sulphide (PbS), chì selenua (PbSe), indium antimonide (InSb) phát hiện ánh sáng trong phạm vi tia hồng ngoại với loại được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các cảm biến ánh sáng phản xạ quang là Cadmium Sulphide (Cds)

- Cadmium sulphide được sử dụng trong sản xuất tế bào quang dẫn vì đường cong phản ứng quang phổ của nó gần giống với đường cong của mắt người và thậm chí có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một ngọn đuốc đơn giản làm nguồn sáng Thông thường, nó có bước sóng độ nhạy cực đại (λp) trong khoảng từ 560nm đến 600nm trong dải quang phổ khả kiến

- Cadimi sunfua (CdS) và Cadimi selenua (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi

- Chì(II) sunfua (PbS) và Indi antimonua (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại

8

- Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụng trong thiên vănhồng ngoại và quang phổhồng ngoại

5 Ứng dụng của quang trở

a Ứng dụng quang trở trong các thiết bị:

- Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng, dàn nhạc có guitar điện thì dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh.Trong thiên vănhồng ngoại và quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu được chế tạo thành photocell làm cảm biến ảnh

(Đèn ngủ tự phát sáng)

b Một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản

- Khi quang trở được chiếu sáng điện trở lúc này sẽ rất nhỏ, điện áp cổng lúc này của SCR sẽ giảm không đủ dòng để kích SCR hoạt động Khi không có nguồn sáng chiếu vào thì giá trị R ở quang trở sẽ tăng nhanh, khiến cho điện áp cổng

9

SCR tăng làm cho SCR dẫn điện, dòng điện lúc này sẽ qua tải làm cho mạch báo động hoạt động

2.Công tắc LDR

-Một ứng dụng đơn giản của quang trở, là một công tắc nhạy sáng như hình dưới đây Mạch cảm biến ánh sáng cơ bản này là một công tắc kích hoạt ánh sáng đầu ra

rơ le Một mạch phân chia điện thế được hình thành giữa điện trở quang, LDR và điện trở R Khi không có ánh sáng, tức là trong bóng tối, điện trở của LDR rất cao1 trong phạm vi MΩ do đó phân cực cơ sở bằng không được áp dụng cho bóng bán dẫn TR1 và rơle bị khử năng lượng hoặc “OFF”

-Khi mức độ ánh sáng tăng, điện trở của LDR bắt đầu giảm khiến điện áp phân cực

cơ bản tại V tăng lên Tại một số điểm được xác định bởi mạng phân chia tiềm1 năng được hình thành với điện trở R , điện áp phân cực cơ sở đủ cao để chuyển1 bóng bán dẫn TR1 “ON” và do đó kích hoạt rơle được sử dụng để điều khiển một

số mạch bên ngoài Khi mức ánh sáng giảm trở lại bóng tối một lần nữa, điện trở của LDR tăng lên làm cho điện áp cơ bản của bóng bán dẫn giảm xuống, chuyển bóng bán dẫn và rơle “OFF” ở mức sáng cố định được xác định lại bởi mạng phân chia điện thế

-Bằng cách thay thế điện trở cố định R bằng một chiết áp VR1, tại đó rơle chuyển1 sang trạng thái “ON” hoặc “OFF” có thể được đặt trước ở một mức ánh sáng cụ thể Loại mạch đơn giản được trình bày ở trên có độ nhạy khá thấp và điểm chuyển mạch của nó có thể không nhất quán do sự thay đổi của nhiệt độ hoặc điện áp nguồn Có thể dễ dàng thực hiện một mạch kích hoạt ánh sáng chính xác nhạy hơn

10

bằng cách kết hợp LDR vào một bố trí “Wheatstone Bridge” và thay thế bóng bán dẫn bằng Bộ khuếch đại hoạt động như được minh họa

3 Mạch mở đèn điện tự động về đêm

Mạch dèn tự động sử dụng quang trở

- Khi ban ngày với ánh sáng chiếu vào quang trở thì giá trị điện trở lúc này sẽ rất nhỏ nên điện thế tại điểm A1 sẽ không đủ để mở Diac nên sẽ không có điện đi qua chân điều khiển của Triac nên Triac sẽ không hoạt động, dẫn đến đèn không sáng

- Về đêm, khi không có ánh sáng chiếu vào quang trở, giá trị lúc này sẽ tăng lên làm cho điện áp ở điểm A1 tăng, mở thông Diac và kích cho Triac dẫn điện và bóng đèn sáng

4 Mạch cảm biến mức độ ánh sáng

11

- Trong mạch cảm biến bóng tối cơ bản này, điện trở phụ thuộc ánh sáng LDR và1 chiết áp VR tạo thành một nhánh điều chỉnh của mạng cầu điện trở đơn giản, còn1 được gọi là Wheatstone Bridge, trong khi hai điện trở cố định R và R tạo thành1 2 nhánh kia Cả hai bên của cầu tạo thành mạng phân chia điện áp cung cấp có đầu

ra V và V được kết nối tương ứng với đầu vào điện áp một chiều và xoay chiều1 2 của bộ khuếch đại hoạt động

- Bộ khuếch đại hoạt động được định cấu hình là bộ khuếch đại vi sai còn được gọi

là bộ so sánh điện áp với phản hồi có điều kiện điện áp đầu ra được xác định bởi

sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào hoặc điện áp, V và V Sự kết hợp điện trở1 2

R1 và R tạo thành một tham chiếu điện áp cố định ở đầu vào V , được thiết lập bởi2 2

tỷ số của hai điện trở Sự kết hợp LDR - VR cung cấp đầu vào điện áp thay đổi V1 1

tỷ lệ với mức ánh sáng được phát hiện bởi điện trở quang

- Như với mạch trước, đầu ra từ bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng để điều khiển một rơle, được bảo vệ bởi một diode tự do, D Khi mức ánh sáng được LDR1 cảm nhận và điện áp đầu ra của nó giảm xuống dưới điện áp tham chiếu được đặt ở

V2, đầu ra từ op-amp thay đổi trạng thái sẽ kích hoạt rơle và chuyển tải được kết nối

- Tương tự như vậy, khi mức độ ánh sáng tăng, đầu ra sẽ chuyển trở lại, tắt "OFF" rơle Độ trễ của hai điểm chuyển mạch được thiết lập bởi điện trở phản hồi R cóF thể được chọn để cung cấp bất kỳ độ lợi điện áp thích hợp nào của bộ khuếch đại

- Hoạt động của loại mạch cảm biến ánh sáng này cũng có thể được đảo ngược để chuyển rơ le “ON” khi mức sáng vượt quá mức điện áp tham chiếu và ngược lại bằng cách đảo ngược vị trí của cảm biến ánh sáng LDR và chiết áp VR Chiết áp 1

có thể được sử dụng để “pre-set” điểm chuyển mạch của bộ khuếch đại vi sai thành bất kỳ mức ánh sáng cụ thể nào, khiến nó trở nên lý tưởng như một mạch dự án cảm biến ánh sáng đơn giản

12

6 Giới thiệu loại quang trở phổ biến: Gowoops 10 PCS of Digital Light

Intensity Detection Photosensitive Sensor Module for Arduino UNO

Đặc tính

1 Sử dụng cảm biến điện trở cảm quang loại nhạy

2 Tín hiệu đầu ra so sánh dạng sóng sạch là tốt, khả năng lái xe, hơn 15mA

3 Với chiết áp có thể điều chỉnh có thể điều chỉnh độ sáng của ánh sáng được phát hiện

4 Điện áp làm việc 3.3V-5V, định dạng đầu ra: Đầu ra chuyển mạch kỹ thuật số (0 và 1) Ứng dụng:

Phát hiện cường độ ánh sáng, mô-đun đèn xe thông minh, có định hướng, chỉ cảm nhận nguồn sáng phía trước cảm biến, tốt hơn để sử dụng cho ánh sáng tìm kiếm

Tính năng mô-đun:

1.Có thể phát hiện độ sáng và cường độ ánh sáng xung quanh (so với quang điện trở, mô-đun này có định hướng tốt hơn, có thể cảm nhận ánh sáng theo hướng cố định)

2.Điều chỉnh độ nhạy (sử dụng chiết áp kỹ thuật số màu xanh lam để điều chỉnh)

3.Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

4.Có một lỗ bu lông cố định để dễ dàng lắp đặt

5.PCB Kích thước: 3.2cm * 1.4cm

Hướng dẫn Mô-đun:

1 Mô-đun photodiode nhạy cảm nhất với cường độ ánh sáng môi trường, thường được sử dụng để phát hiện độ sáng và cường độ ánh sáng xung quanh, có thể phổ biến với mô-đun cảm biến điện trở cảm quang trong hầu hết các trường hợp, sự khác biệt giữa hai mô-đun này là mô-đun Photodiode có hướng tốt hơn, có thể cảm nhận ánh sáng theo hướng cố định

2 Khi cường độ ánh sáng xung quanh không đạt đến giá trị ngưỡng, cổng DO mô-đun xuất ra cao; khi cường độ ánh sáng xung quanh vượt quá ngưỡng đã đặt, đầu ra D0 thấp

13