Linh kiện quang bán dẫn nguyên lý và ứng dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ - - CAO LÝ MỸ AN Linh kiện quang bán dẫn nguyên lý ứng dụng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SƯ PHẠM VẬT LÝ LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng tạo điều kiện cho em thực đề tài luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Cơ Nguyễn Thị Mỹ Đức tận tình hướng dẫn, bảo em suốt thời gian thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cơ khoa tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức quý báu năm học vừa qua Con xin nói lên lịng biết ơn sâu sắc đến Ông Bà, Cha Mẹ chăm sóc dạy dỗ nên người Xin chân thành cảm ơn anh chị bạn bè ủng hộ, giúp đỡ động viên em suốt thời gian học tập nghiên cứu Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả cho phép chắn không thiếu thiếu sót Em kính mong nhận cảm thơng tận tình bảo Thầy Cơ bạn Sinh viên thực Cao Lý Mỹ An Tháng 05/2012 MỤC LỤC A –MỞ ĐẦU 01 B – NỘI DUNG 04 CHƯƠNG - MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN 04 1.1 Quá trính phun hạt tải bán dẫn không cân 04 1.1.1 Quá trình phát sinh hạt tải trình tái hợp 1.1.2 Thời gian phục hồi Maxwell 1.2 Quá trình tái hợp 06 1.2.1 Tái hợp trực tiếp 1.2.2 Tái hợp qua tâm tái hợp 1.3 Độ dẫn điện 13 1.3.1 Thuyết điện tử kim loại – Độ dẫn điện kim loại 1.3.2 Độ dẫn điện bán dẫn 1.3.3 Độ dẫn điện bán dẫn không suy biến 1.4 Khuếch tán hạt tải – Hệ thức Einstein 15 1.4.1 Mật độ dòng khuếch tán 1.4.2 Mật độ dòng tổng cộng 1.4.3 Phân bố tạp chất không 1.5 Các hiệu ứng tiếp xúc 19 1.5.1 Hiệu ứng trường 1.5.2 Hiệu ứng bẻ cong vùng lượng 1.6 Chuyển tiếp P-N 21 1.6.1 Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N 1.6.2 Đặc trưng Vol-Ampe lớp chuyển tiếp P-N CHƯƠNG – LINH KIỆN THU QUANG 27 2.1 Điện trở quang 27 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý 2.1.3 Các thông số quan trọng 2.1.4 Ứng dụng 2.2 Photocell – Tế bào quang 31 2.2.1 Cấu tạo 2.2.2 Nguyên lý 2.2.3 Các thông số quan trọng 2.2.4 Ứng dụng 2.3 Photodiode 37 2.3.1 Cấu tạo 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 2.3.3 Các thông số quan trọng 2.3.4 Ứng dụng 2.4 Phototransistor thu quang (BJT) 42 2.4.1 Cấu tạo 2.4.2 Nguyên lý 2.4.3 Cách mắc BJT đặc tuyến I-V 2.4.4 Các thông số kỹ thuật quan trọng BJT thu quang 2.4.5 Ứng dụng 2.5 Photo J-FET 50 2.5.1 Cấu tạo 2.5.2 Nguyên lý 2.5.3 Cách mắc J-FET vào mạch điện đặc tuyến I-V CHƯƠNG – LINH KIỆN PHÁT VÀ OPTRON 60 3.1 Giới thiệu 60 3.2 LED ( Light Emitting Diodes) 61 3.2.1 Cấu tạo 3.2.2 Nguyên lý 3.2.3 Phân loại 62 3.2.3.1 LED khả kiến 62 3.2.3.2 LED hồng ngoại 69 3.3 Laser bán dẫn 72 3.3.1 Tổng quan 3.3.2 Cấu tạo 3.3.3 Nguyên lý 3.3.4 Các loại laser 74 3.3.4.1 Laser có lớp tiếp xúc đồng thể 3.3.4.2 Laser có lớp tiếp xúc dị thể 3.3.5 Các đặc tính 78 3.3.6 Ứng dụng 82 3.4 Optron 83 3.4.1 Nguyên lý chung 3.4.2 Đặc điểm chung C KẾT LUẬN 86 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 A MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Từ chế ngự ánh sáng, việc sử dụng cách khiết ánh sáng mặt trời để sưởi ấm,v v , người có tham vọng muốn biến lượng ánh sáng thành nguồn lượng khác để phục vụ cho đời sống vật chất ngày nâng cao mình: từ nghiên cứu nhỏ mơ hình thơ sơ vật liệu biến đổi quang pin quang điện thiết bị đại đồ sộ cung cấp điện cho hàng ngàn người Và linh kiện quang bán dẫn đời, phát hiện, chỉnh sửa cải tiến Như bạn biết ngày linh kiện quang bán dẫn trở nên phổ biến thiếu nghiên cứu khoa học, ngành cơng nghiệp chí đời sống hàng ngày người Trong số thiết bị điện tử mà nước sử dụng thường có mặt loại linh kiện điện tử LED, LED hồng ngoại, LED khả kiến, Photodiode, quang trở, Pin mặt trời,Laser bán dẫn, Optron,… mà việc sử dụng trở nên đỗi thân thuộc: từ việc sử dụng vật liệu bán dẫn LED để chiếu sáng hay ứng dụng cơng nghệ hình LED với độ thân thiện với môi trường đạt gần tuyệt đối việc sử dụng tế bào quang thay cho linh kiện phức tạp khác để chế tạo bình nóng lạnh sử dụng lượng mặt trời nguồn lượng lớn tự nhiên mang lại v vv Vì để sử dụng cách triệt để ứng dụng có lợi mà linh kiện quang bán dẫn mang lại, ta cần hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch ghép chúng để khơng sửa chữa máy móc bị hư hỏng mà cịn để thiết kế mạch điện dùng lĩnh vực thơng tin liên lạc, tự động hóa, cáp quang,…Để đáp ứng đòi hỏi ngày cao phức tạp công nghệ thông tin, kỹ thuật quang điện tử không ngừng phát triển thời gian qua có thành mong đợi Là sinh viên ngành vật lý việc trang bị cho kiến thức vật lý cần thiết em cịn muốn tìm hiểu bổ sung kiến thức vật lý có liên quan đến nhiều lĩnh vực, quang điện tử lĩnh vực khơng phần quan trọng Đó lí giúp em định chọn đề tài “Linh kiện quang bán dẫn nguyên lý ứng dụng” Em mong nội dung khóa luận tài liệu nhỏ để tham khảo giáo viên sinh viên khóa sau trường ĐH Sư phạm Mục đích đề tài Mục đích đề tài nhằm: Tìm hiểu số sở vật lý linh kiện quang bán dẫn Nắm cấu tạo, nguyên lý vài ứng dụng thực tế linh kiện đời sống Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu nguyên lý ứng dụng linh kiện quang bán dẫn phổ biến Phạm vi nghiên cứu Trong đề tài em nghiên cứu vấn đề sau: - Một số sở vật lý linh kiện quang bán dẫn - Cấu tạo, nguyên lý ứng dụng linh kiện quang bán dẫn cụ thể: - Linh kiện phát quang : LED, LED khả kiến, LED hồng ngoại, Laser bán dẫn - Linh kiện thu quang: Photodiode, Quang trở, Transistor thu quang, J-FET, Photocell - Optron Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc P-N, trình phun phát sinh hạt tải, độ dẫn điện hệ thức Einstein Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý ứng dụng thiết bị thu quang, phát quang Optron Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu sách báo, mạng internet Các tài liệu từ Tiếng Anh dịch sang Tiếng Việt Nhờ giúp đỡ giáo viên hướng dẫn: đọc, chỉnh sửa bổ sung khảo ý kiến bạn bè Những đóng góp luận văn Đề tài làm tư liệu cho giáo viên sinh viên tham khảo để củng cố thêm kiến thức cần thiết cho thân Cấu trúc đề tài A MỞ ĐẦU B NỘI DUNG Chương I: MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN Chương II: LINH KIỆN THU QUANG Chương III: LINH KIỆN PHÁT VÀ OPTRON C KẾT LUẬN D TÀI LIỆU THAM KHẢO B – NỘI DUNG CHƯƠNG 1: MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN 1.1 Q trình phun hạt tải bán dẫn khơng cân bằng: 1.1.1 Quá trình phát sinh hạt tải q trình tái hợp: Xét mẫu bán dẫn khơng tạp chất: E Vùng dẫn Ec Phát sinh EF Ev ΔE Trong đó: Ec: Đáy vùng dẫn Ev : Đỉnh vùng hóa trị EF: Mức Fecmi ΔE: Độ rộng vùng cấm Vùng hóa trị Hình 1.1 Sơ đồ mức lượng bán dẫn Ở T = oK : Tất e - hóa trị tham gia mối liên kết đồng hóa trị Như chúng chiếm đầy tất mức lượng vùng hóa trị cịn vùng dẫn khơng có điện tử Như T= oK, bán dẫn không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn vùng cấm có độ rộng: ΔE = EC - EV Ở T > o K : Khi cung cấp cho điện tử lượng dạng nhiệt có lượng chuyển động nhiệt, có số điện tử phá vỡ liên kết đồng hóa trị vượt qua vùng cấm đến vùng dẫn để lại lỗ trống vùng hóa trị tạo độ dẫn lỗ trống Độ dẫn điện từ trường giống điện tích dương có giá trị điện tích điện tích điện tử Q trình tạo nên cặp điện tử tự lỗ trống gọi trình sinh hạt tải sơ đồ Ở điều kiện cân : Mật độ điện tử lỗ trống bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxwell Bolzman: Gọi: n = Nc e p= Nv e với   EC  EF KT EF  EV KT Nc mật độ điện tử hiệu dụng Nv mật độ lỗ trống hiệu dụng (1.1) (1.2) Từ (1.1) (1.2), ta có: p.n = Nc Nv e  EC  EV KT = Nc.Nv e Khi Nc= Nv thì: Ec – EF = EF – Ev  p.n  N e  E KT = ni2  E KT Trong trạng thái cân nhiệt động, mật độ điện tử vùng dẫn bán dẫn không tạp chất mật độ lỗ trống vùng hóa trị : no = po = ni Nên mật độ hạt tải điện bán dẫn lúc : n  N.e  E KT Từ công thức ta thấy mật độ hạt tải điện bán dẫn lớn nhiệt độ cao độ rộng vùng cấm nhỏ Từ (1.1) (1.2) ta rút : EF  Ec  Ev E E  Ec   Ev  2 Như mức Fecmi bán dẫn không tạp chất nằm vùng cấm Dưới tác dụng lượng nhiệt, điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị thực chuyển động nhiệt hỗn loạn Song song với q trình phát sinh nói trên, cịn xảy q trình điện tử nhảy từ vùng dẫn xuống lấp vào lỗ trống vùng hóa trị tạo nên trình tái hợp cặp điện tử-lỗ trống Số tái hợp tỷ lệ với mật độ hạt tải điện Ở điều kiện không cân : (do trình nhiệt phát sinh, quang phát sinh, pha tạp ) n.p ≠ ni2 Hàm phân bố theo phương trình (1.1) (1.2) với mức * * Fecmi khác gọi chuẩn mức Fecmi E Fn , E Fp : n = Nc e p = Nv Từ (1.3) (1.4) ta : p.n= Nc.Nv e E E  c v KT e  e  Ec  EF*n  KT (1.3) EF* p EV KT (1.4) EF* p  EF* n KT =ni2 e  E *Fp  E *Fn KT Do bán dẫn cân trường hợp riêng bán dẫn không cân mức E Fn  E Fp * * 1.1.2 Thời gian phục hồi Maxwell : Nếu lúc đầu phun vào loại hạt tải, chẳng hạn phun e vào bán dẫn n, chất bán dẫn có độ dẫn điện khơng q bé trình khuếch tán xảy nhanh gọi thời gian hồi phục Maxwell + Về miền tiếp giáp P-N laser, laser hoạt động đơn giản cách cho dòng điện qua diode Kết hệ thống tổng thể hiệu điều chỉnh dễ dàng cách điều chế dòng điện Khi laser bán dẫn có thời gian sống photon ngắn,sự điều chế tần số cao đạt Laser bán dẫn nguồn ánh sáng quan trọng cho sợi truyền thông quang học 3.3.2 Cấu tạo bản: Laser bán dẫn đơn giản thường gặp Laser Diode (LD) Nó sử dụng lớp chuyển tiếp p –n phân cực thuận để bơm điện tử lỗ trống, làm phát sinh ánh sáng Cấu trúc LD thiết kế để tạo hốc quang để dẫn photon tạo Hốc quang buồng cộng hưởng, photon phản xạ liên tiếp Photon phát xạ có phần nhỏ dời khỏi buồng cộng hưởng, mật độ photon tích tụ chủ yếu buồng cộng hưởng Đối với Laser bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng sử dụng nhiều buồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot Thành phần quan trọng hốc quang hai mặt gương phản xạ song song để đảm bảo mode cộng hưởng sinh hốc Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức : L = k.λ/2 Với k số nguyên; L chiều dài hộp cộng hưởng; λ bước sóng ánh sáng vật liệu Bên cộng hưởng mơi trường tích cực, ln có trình xạ đồng pha tất nguyên tử Cấu trúc đơn giản môi trường tích cực LD bao gồm ba lớp : Lớp tích cực mỏng có độ dày cỡ 0,1 μm, nằm hai lớp bán dẫn khác loại n p Hai lớp có bề rộng vùng cấm cao lớp Chúng tạo thành chuyển tiếp dị thể p-n Trong cấu trúc mode quang bị giam theo hướng vng góc với bề mặt lớp chuyển tiếp lớp vỏ có chiết suất nhỏ so với chiết suất vùng tích cực Để đạt mode ổn định với dịng ngưỡng nhỏ cần phải có giam quang dọc theo bề mặt lớp chuyển tiếp Nếu khơng có giam mode biên, Laser hoạt động Laser bán dẫn vùng mở rộng Các Laser bán dẫn diện rộng chịu suy hao lớn nên sử dụng hệ thống thông tin quang 3.3.3 Nguyên lý Các tia sáng phát sinh qua tái hợp lớp tiếp xúc p-n phân cực thuận Để đạt đến cảm ứng xạ, công suất ánh sáng phải phản hồi lại buồng cộng hưởng Fabry- Perot Với phân cực thuận ta quan sát thấy có xạ tự phát dòng điện thuận Đến ngưỡng mật độ dòng điện địnhtùy theo cấu trúc vật liệu diode laser- ta có xạ cảm ứng Như vậy, sở có nghịch đảo độ tích lũy, laser bán dẫn hoạt động, sau thời gian ngắn điện tử lỗ trống chuyển động để tái hợp để xạ tia laser có cường độ lớn Khác với laser khác, nguyên tắc làm việc laser bán dẫn tạo nên tái hợp điện tử lỗ trống Chính tái hợp xảy vùng tương đối lớn so với kích thước hạt tải nên độ rộng xạ cỡ ∆λ=45Ǻ Trong diode laser tinh thể bán dẫn phải tải lúc mật độ dòng điện lớn- đến 10 kA/cm2 công suất phát sáng lớn- cỡ MW/cm2 nên người ta cố gắng chế tạo laser bán dẫn có ngưỡng mật độ dịng điện thấp 103 A/cm2 giải nhiệt tốt Để đáp ứng yêu cầu trên, Laser bán dẫn cấu tạo với cấu trúc nhiều lớp phức tạp Cấu trúc thường lớp chuyển tiếp khác ba thành phần GaxAl1-xAs 3.3.4 Các loại Laser Loại Laser Cấu trúc Tiếp xúc đồng thể vùng hoạt động p-GaAs Tiếp xúc đơn dị thể Dị tiếp xúc GaAs vùng hoạt động p- Tiếp xúc nhị dị thể Hình dạng chùm đầu điều khiển độ khuếch đại Dị tiếp xúc Dị tiếp xúc p-GaAlAs vùng hoạt động p-GaAs vật liệu điện cao p-GaAs p-GaAlAs n-GaAlAs Dị tiếp xúc bị chơn vùi ( hình dạng chùm đầu điều khiển hệ số khúc xạ) n-GaAs dòng điện Vùng hoạt động n-GaAs vùng hoạt động p-GaAs Oxit p-GaAlAs Dị tiếp xúc n-GaAlAs Hình 3.12: Các loại laser Sau ta xét hai loại laser đặc trưng nhất: 3.3.4.1 Laser có lớp tiếp xúc đồng thể: + Xét cấu trúc vùng lượng Laser GaAs có lớp tiếp xúc đồng thể P Eg EFn EFp N EFn P Eg eU=EFn -EFp > Eg N EFp Hình 3.13: Laser có lớp tiếp xúc đồng thể + Cường độ mật độ dòng ngưỡng: Quang điện Phát xạ kích thích Phát xạ tự phát I Jth Hình 3.14: Cường độ mật độ dịng ngưỡng Hình ta có nhận xét mật độ dịng ngưỡng J th laser tiếp xúc đồng thể cao, J th tăng theo nhiệt độ Nếu muốn J th thấp ta tăng tỷ lệ phát xạ kích thích hiệu buồng cộng hưởng quang học Laser tiếp xúc đồng thể làm việc chế độ xung, có đặc tính quang học nghèo giam giữ hạt tải 3.3.4.2 Laser tiếp xúc dị thể: + Lớp chuyển tiếp đơn: Hình 3.15: Lớp chuyển tiếp đơn + Lớp chuyển tiếp kép: Hình 3.16: Lớp chuyển tiếp kép + Đặc tính laser tiếp xúc dị thể: Hình biểu diễn đặc tính khác laser tiếp xúc đồng thể laser tiếp xúc dị thể kép Ở đó, laser đồng thể có hệ số khúc xạ thay đổi %, dị thể kép 5% Sự giam giữ photon laser dị thể kép khác so với laser đồng thể chỗ: tạo từ hai chất bán dẫn khác GaAs GaAlAs nên laser tiếp xúc dị có hệ số khúc xạ khác tạo q trình dẫn sóng làm giam giữ photon, độ rộng vùng cấm hai chất bán dẫn khác (EgGaAlAs > EgGaAs) nên tạo rào ngăn khuếch tán điện tử từ GaAs sang GaAlAs, điện tử bị giam giữ lớp tiếp xúc Sự giam giữ photon biểu đồ cuối Chỉ số khúc xạ Chỉ số khúc xạ Khu vực hoạt động Khu vực hoạt động Hình 3.17: đặc tính khác laser tiếp xúc đồng thể laser tiếp xúc dị thể kép 3.3.5 Các đặc tính: + Đặc tính cơng suất Một đặc trưng khơng thể thiếu Laser bán dẫn phụ thuộc lượng quang vào dòng bơm cho Laser, gọi đặc trưng cơng suất Hình biểu diễn đặc trưng cơng suất phụ thuộc vào dịng kích thích nhiệt độ khác Laser Diode dải dị thể 20o 35o 45o Pra [mw] 95o 115o 25 Ib [mA] 100 200 300 Hình 3.18: đặc trưng cơng suất phụ thuộc vào dịng kích thích Khi dịng qua Laser Diode tăng, xạ tự phát tăng chậm (tỉ lệ với dòng qua Laser Diode – ID) Sau đó, dịng tăng mức dịng ngưỡng dao động Laser bắt đầu công suất tăng đột ngột Ta xác định dịng ngưỡng Laser cách kéo dài đoạn đặc trưng công suất dịng ngưỡng cho cắt trục hồnh điểm Đó dịng ngưỡng Laser Khi nhiệt độ tăng lên làm cho dòng ngưỡng tăng lên cơng suất dịng cố định giảm nên đường đặc trưng công suất bị dịch dần bên phải Nhiệt độ tăng độ nghiêng đoạn dịng ngưỡng đặc trưng cơng suất giảm Điều thể rõ nét nhiệt độ cao + Sự mát đặc tính sợi quang Hình biểu diễn mát đặc tính đạt thử nghiệm sợi quang, GeO2 pha tạp Silic sợi quang Ba bước sóng quan tâm đặc biệt hiển thị hình Nằm khoảng bước sóng 0,9 µm Laser dị thể GaAs-AlxGa1-xAs dùng nguồn quang học Photodiode Silic hay Photodiode thác lũ Silic sử dụng máy dò quang học Ở bước sóng cỡ 1,3 µm, sợi quang có mát thấp (0,6 dB/km) tán sắc thấp; vào bước sóng khoảng 1,55 µm mát giảm dần đến mức nhỏ (2,2 dB/km) Về hai bước sóng cịn lại, tia laser hợp chất bậc bốn nhóm III-V laser GaxIn1-xAsyP 1-y –InP vật liệu gọi “ứng viên” cho nguồn quang photodiode thác lũ Ge diode tách sóng quang bậc ba hay bậc bốn “ứng viên” cho máy dị quang học Thơng tin sợi quang sử dụng bước sóng dài cỡ µm xem xét Để làm hệ thống vậy, suy hao sợi quang thấp hiệu quang nguồn tách sóng quang phải phát triển cho bước sóng dài 100 50 10 Hao phí (dB/km)5 0.9μm 1.5dB/km 1.3μm 0.6dB/km 1.55μm 0.2dB/km -5 -1 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Bước sóng λ Hình 3.19 + Đặc trưng Phổ laser bán dẫn Phổ phát xạ Laser Diode dạng phổ vạch đường bao quanh phổ định mặt cắt khuếch đại thường có dạng hình Gauss : g(λ)= g(0)exp[  (  0 ) ] 2 g(λ) Độ rông phổ Laser bán dẫn λ λ0 λ1 … λm-1 λm Độ rộng phổ Hình 3.20: Đặc trưng phổ laser bán dẫn Hình cho ta thấy vạch phổ tương ứng với dạng dao động ( mode) dọc buồng cộng hưởng laser Khoảng cách Δλ hai dạng mode cho bởi: Δλ= + Chế độ hoạt động ; L chiều dài buồng cộng hưởng Laser bán dẫn tiếp xúc P-N đồng thể có giá trị dịng ngưỡng cao nhiều so với Diode phát quang (J ng ≥ 10 A/cm2) Với giá trị mật độ dòng ngưỡng cao, Laser bán dẫn tiếp xúc P-N đồng thể có khả hoạt động chế độ xung nhiệt độ thấp (79 oK thấp hơn) có cơng suất nhỏ (vài mW đến vài chục mW) Để tăng công suất hoạt động cho laser, yếu tố quan trọng giảm mật độ dòng ngưỡng Muốn giảm mật độ dòng ngưỡng, phương pháp tích cực sử dụng lớp tiếp giáp P-N dị thể chế tạo từ GaAs GaAlAs GaAsp GaAsN GaAlAsN GaAlAsp GaAsp φc (GaAlAsp ) φc (GaAsp ) φF φc φv (GaAsN) φg = 2eV φg = 1,4eV φg = 1,1eV φv φF φg = 2eV φv (GaAlAsN) Hình 3.21: Lớp tiếp giáp p-n dị thể chế tạo từ GaAs GaAlAs Khi phân cực thuận cho tiếp xúc P-N, điện tử lớp GaAlAsN sang lớp GaAs p không khuếch tán qua lớp GaAlAs p bề rộng vùng cấm lớn Cũng lỗ trống từ lớp GaAs p sang lớp GaAlAs N mà tích lũy lớp GaAs p tạo lượng hạt dẫn trạng thái kích thích mật độ cao, xác suất tái hợp xạ kích thích tăng Ngồi bề rộng vùng cấm lớp GaAlAs lớn nên không xảy hấp thụ lượng xạ từ lớp GaAs p, nên tín hiệu quang phát từ lớp GaAs p qua GaAlAs xem toàn Với hai yếu tố nói trên, Laser tiếp xúc P-N dị thể giảm giá trị mật độ dịng ngưỡng xuống 10 Acm2 làm việc nhiệt độ bình thường 3.3.6 Ứng dụng Trong y học ngày nay, việc ứng dụng laser bán dẫn để điều trị hiệu bệnh ngặt nghèo khơng cịn xa lạ, : + Kim quang học Trong thiết bị quang châm laser bán dẫn phịng thí nghiệm cơng nghệ laser chế tạo, hai loại laser bán dẫn làm việc bước sóng 850 nm 940 nm sử dụng làm “kim quang học” Theo kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm hai bước sóng có độ xuyên sâu vào thể tốt Điều kết hợp với kỹ thuật điều biên thay đổi công suất phát xạ, “kim quang học” thực vấn đề: đáp ứng tốt độ nông, sâu khác huyệt thân người, thực hồn chỉnh phép châm: bổ, tả, bình bổ, bình tả, Cấu tạo: thiết bị gồm phận sau: - Bộ phận thực điều trị gồm đầu châm laser bán dẫn làm việc bước sóng 850 nm 940 nm (thường sử dụng) Các đầu châm hoàn toàn giống cơng suất phát xạ, góc phát xạ, dịng điện ngưỡng tần số điều biến hoàn toàn độc lập với mặt điều khiển Các đầu châm đặt giá đỡ đặc biệt gắn lên bề mặt da băng keo vị trí có huyệt cần châm Đối với đầu châm có hai nút vặn điều chỉnh thay đổi công suất phát xạ tần số điều biến tia laser - Bộ phận định thời gian số phục vụ cho việc điều chỉnh thời gian điều trị, chia thành khoảng thời gian cố định sau: 5, 10, 15, 20, 25 30 phút Khi kết thúc thời gian điều trị, thiết bị tự động ngắt mạch ngưng hoạt động laser, đồng thời có tiếng nhạc báo hiệu để người điều trị bệnh nhân biết - Bộ phận kiểm tra hoạt động thiết bị đầu châm gồm có đèn tín hiệu Hình 3.22: Kim quang học 3.4 OPTRON 3.4.1 Nguyên lý chung Optron thiết bị gồm thu phát quang điện tử có mối liên hệ quang hay điện hai Thành phần optron gồm nguồn phát quang, thu quang môi trường truyền lượng quang Tùy theo mối liên hệ thu phát quang mà tính chất, khả sử dụng đặc điểm optron khác + Optron có mối liên hệ quang trực tiếp: Iv2 Iv1 IF F IR Iv3 Nguồn phát Bộ thu Mơi trường truyền quang IR Iv Hình 3.23: Optron có mối liên hệ quang trực tiếp Dạng Optron sử dụng rộng rãi dùng để chuyển tín hiệu điện sang quang biến đổi điện Đặc trưng cho mối quan hệ Optron dòng IR với giá trị dòng vào Iv : IR = f(Iv1 , Iv2 , Iv3 ) Nếu Optron hoạt động chế độ tuyến tính, hệ số khuếch đại dịng áp cao Ngồi dạng Optron có khả thực khóa đóng ngắt mạch, cần chọn nguồn phát có trở âm, cịn thu diode thác lũ ( diode Zener ) + Optron có hồi tiếp quang dương (a) thành phần tuyến tính có hai trạng thái bền (b): (a) (b) Iv Iv Uv F UR1 BF IF UR2 Uv Hình 3.24: Optron có hồi tiếp quang dương Optron điều khiển tín hiệu quang điện với ngõ cho lượng quang điện Mối quan hệ tín hiệu quang điện thể qua dòng điện mạch Optron : I = U(σt +ΔσF) Với ΔσF : suất dẫn điện nguồn tín hiệu quang điều khiển + Optron có hồi tiếp quang âm đặc trưng cho thành phần khơng tuyến tính mạch điện, dùng để ổn định nguồn xạ Uv IF BF F BF R Hình 3.25: Optron có hồi tiếp quang âm 3.4.2 Đặc điểm chung Đặc điểm quan trọng phát mối quan hệ độ chói nguồn dịng Tất nguồn phát có nhược điểm chung hệ số chuyển đổi lượng điện sang quang thấp, cần chọn thu có khả khuếch đại tốt Phần mơi trường truyền quang ngồi nhiệm vụ chủ yếu giữ mối liên hệ quang học hai thu phát, cịn có nhiệm vụ hòa hợp điều khiển phổ lượng Nếu thu phát có hệ số chiết suất lớn mơi trường quang làm nhiệm vụ hịa hợp để tăng cường hiệu dụng truyền đạt lượng quang Môi trường truyền quang thường gặp sợi quang, keo quang học, nhựa quang, vật liệu bán dẫn cách điện có hiệu ứng quang điện v v Cấu trúc phổ biến Optron Optron tập hợp Optron màng mỏng + Optron tập hợp gồm thành phần riêng biệt nằm vỏ kim loại bọc nhựa Ưu điểm cấu trúc có khả cách ly điện cao ( 10 14 đến 10 16 ohm ), điện dung ký sinh nhỏ (10 -3 đến 10 -4 pF ) + Optron màng mỏng gồm tập hợp nhiều lớp vật liệu, cấu trúc màng giúp cho cơng nghệ chế tạo thực lúc nhiều Optron công đoạn, nhiên khả cách ly điện khơng lớn Optron có khả ứng dụng kỹ thuật rời rạc liên tục hay dùng để tạo thông tin Ưu điểm Optron kỹ thuật điện tử khơng có tiếp xúc cứng điện khơng có ảnh hưởng tương tác hạt mang tín hiệu kênh thơng tin C KẾT LUẬN Qua thời gian tiến hành trình nghiên cứu, so sánh với mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu khóa luận, em làm việc sau: + Nghiên cứu số sở vật lý linh kiện quang bán dẫn + Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng thực tế linh kiện quang bán dẫn đời sống Từ sở cho phép em đến kết luận đóng góp luận văn: + Giúp em có thêm hiểu biết linh kiện điện tử mà thấy thị trường để nắm rõ cấu tạo nguyên lý làm việc chúng Từ tự thiết kế cho mạch ứng dụng đơn giản để phục vụ cho đời sống có sử dụng linh kiện em nghiên cứu mạch thu phát sóng hồng ngoại dùng LED hồng ngoại, sửa chữa linh kiện điện tử cho phù hợp với mục đích sử dụng Em mong hy vọng luận văn tư liệu tham khảo giáo viên sinh viên muốn tìm tòi thêm kiến thức cần thiết lĩnh vực liên quan đến quang điện tử Luận văn đạt mục đích đề Nhưng thời gian hiểu biết thân hạn chế nên em nghiên cứu dựa lý thuyết, chưa xây dựng mạch ứng dụng thực tế để trình bày cho q thầy bạn tham khảo Mặc dù hồn thành khóa luận thời gian cho phép không tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến góp ý thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn ! D TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Minh Trí - Linh kiện quang điện tử, NXB Khoa Học Kỹ Thuật [2] John Wiley and Sons - Physics of Semiconductor Devices (second edition) [3] Giáo trình vật liệu linh kiện điện tử - Khoa Cơng Nghệ Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Cần Thơ [4] Lê Xuân Thê - Dụng cụ bán dẫn vi mạch, NXB Giáo Dục [5] Nguyễn Thị Mỹ Đức, Bài giảng Vật lý linh kiện sensor bán dẫn, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng [6] Nguyễn Văn Cường - Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [7] Phạm Văn Nho - Vật lý linh kiện sensor bán dẫn, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội - 2004 [8] Trần Tiến Phức - Kỹ thuật điện tử, Đại Học Nha Trang [9] Trần Kim Lợi - Dụng cụ bán dẫn, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử ... sở vật lý linh kiện quang bán dẫn - Cấu tạo, nguyên lý ứng dụng linh kiện quang bán dẫn cụ thể: - Linh kiện phát quang : LED, LED khả kiến, LED hồng ngoại, Laser bán dẫn - Linh kiện thu quang: ... số sở vật lý linh kiện quang bán dẫn Nắm cấu tạo, nguyên lý vài ứng dụng thực tế linh kiện đời sống Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu nguyên lý ứng dụng linh kiện quang bán dẫn phổ biến Phạm vi nghiên... VẬT LÝ CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN Chương II: LINH KIỆN THU QUANG Chương III: LINH KIỆN PHÁT VÀ OPTRON C KẾT LUẬN D TÀI LIỆU THAM KHẢO B – NỘI DUNG CHƯƠNG 1: MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN