Cảm biến quang dẫn Cảm biến quang dẫn Bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay gọi hiệu ứng quang điện nội) tượng giải phóng hạt tải điện (hạt dẫn) vật liệu tác dụng ánh sáng làm tăng độ dẫn điện vật liệu Trong chất bán dẫn, điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho lượng tối thiểu lượng liên kết Wlk Khi điện tử giải phóng khỏi nguyên tử, tạo thành hạt dẫn vật liệu Hình 7.3: ảnh hưởng chất vật liệu đến hạt dẫn giải phóng Hạt dẫn giải phóng chiếu sáng phụ thuộc vào chất vật liệu bị chiếu sáng Đối với chất bán dẫn tinh khiết hạt dẫn cặp điện tử - lỗ trống Đối với trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn giải phóng điện tử pha tạp dono lỗ trống pha tạp acxepto Giả sử có bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ donor Nd, có mức lượng nằm vùng dẫn khoảng Wd đủ lớn để nhiệt độ phòng tối nồng độ n0 donor bị ion hoá nhiệt nhỏ 1/9 Cảm biến quang dẫn Hình 7.4: Tế bào quang dẫn chuyển mức lượng điện tử Khi tối, nồng độ điện tử giải phóng đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ tạp chất chưa bị ion hoá a(Nd -no), với hệ số a xác định theo công thức: (7.6) Trong q trị tuyệt đối điện tích điện tử, T nhiệt độ tuyệt đối khối vật liệu, k số Số điện tử tái hợp với nguyên tử bị ion hoá đơn vị thời gian tỉ lệ với nguyên tử bị ion hoá n0 nồng độ điện tử n0 r n02 , r hệ số tái hợp Phương trình động học biểu diễn thay đổi nồng độ điện tử tự khối vật liệu có dạng: trạng thái cân ta có : Suy ra: 2/9 Cảm biến quang dẫn (7.2) Độ dẫn tối biểu diễn hệ thức: (7.8) Trong μ độ linh động điện tử Khi nhiệt độ tăng, độ linh động điện tử giảm, tăng mật độ điện tử tự do kích thích nhiệt lớn nhiều nên ảnh hưởng nhân tố định độ dẫn Khi chiếu sáng, photon ion hoá nguyên tử donor, giải phóng điện tử Tuy nhiên tất photon đập tới bề mặt vật liệu giải phóng điện tử, số bị phản xạ bề mặt, số bị hấp thụ chuyển lượng cho điện tử dạng nhiệt năng, phần lại tham gia vào giải phóng điện tử Do vậy, số điện tử (g) giải phóng bị chiếu sáng giây ứng với đơn vị thể tích vật liệu, xác định công thức: (7.9) Trong đó: G - số điện tử giải phóng thể tích V thời gian giây V=A.L, với A, L diện tích mặt cạnh chiều rộng bán dẫn (hình 7.4) η - hiệu suất lượng tử (số điện tử lỗ trống trung bình giải phóng photon bị hấp thụ) R - hệ số phản xạ bề mặt vật liệu λ - bước sóng ánh sáng Φ - thông lượng ánh sáng h - số Planck 3/9 Cảm biến quang dẫn Phương trình động học tái hợp trường hợp có dạng: Thông thường xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử giải phóng lớn nhiều so với điện tử giải phóng nhiệt: Trong điều kiện trên, rút phương trình động học cho mật độ điện tử điều kiện cân tác dụng chiếu sáng: (7.10) Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử điều kiện cân bằng: (7.11) Tế bào quang dẫn Vật liệu chế tạo Tế bào quang dẫn chế tạo bán dẫn đa tinh thể đồng đơn tinh thể, bán dẫn riêng bán dẫn pha tạp - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết pha tạp Au, Cu, Sb, In SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe Vùng phổ làm việc vật liệu biểu diễn hình 7.5 4/9 Cảm biến quang dẫn Hình 7.5: Vùng phổ làm việc số vật liệu quang dẫn Các đặc trưng - Điện trở : Giá trị điện trở tối RC0 quang điện trở phụ thuộc lớn vào hình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ chất hoá lý vật liệu chế tạo Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối lớn (từ 104 ? - 109 ? 25oC), SbIn, SbAs, CdHgTe có điện trở tối tương đối nhỏ ( từ 10? - 103? 25oC) Điện trở Rc cảm biến giảm nhanh độ rọi tăng lên Trên hình 2.6 ví dụ thay đổi điện trở cảm biến theo độ rọi sáng Hình 7.6: Sự phụ thuộc điện trở vào độ rọi sáng Tế bào quang dẫn coi mạch tương đương gồm hai điện trở Rc0 Rcp mắc song song: 5/9 Cảm biến quang dẫn (7.12) Trong đó: Rco - điện trở tối Rcp - điện trở chiếu sáng: Rcp=aΦ-y a - hệ số phụ thuộc vào chất vật liệu, nhiệt độ, phổ xạ γ - hệ số có giá trị từ 0,5 - Thông thường Rcp ... độ nhạy tế bào quang dẫn 7/9 Cảm biến quang dẫn Hình 7.8: Độ nhạy tế bào quang dẫn a) Đường cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi độ nhạy theo nhiệt độ (7.18) Độ nhạy phổ tế bào quang dẫn hàm phụ thuộc... điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch: (7.14) Trong điều kiện sử dụng thông thường I0