-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). . (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. 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 10 0 cực tím hồn g n g oại h -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